鈑金工藝數學模型的快速設計

金鑫

摘 要：本文主要描述基于原始鈑金工程數學模型，按模胎成型零件的數學模型快速設計方法。依據原鈑金零件的工程模型，將工程數學模型轉化為工藝數學模型，著重分析不同設計方法得到的模型區別，力求工藝數學模型的精確性，總結出一套鈑金工藝數學模型的快速設計方法，填補了因數學模型的工藝性，零件成型后的尺寸偏差問題，提高鈑金零件的一次交檢合格率。

關鍵詞：鈑金零件；建模；曲面替換；CATIA

中圖分類號：V26 文獻標志碼：A

0 引言

飛機是工業制造和科技的結晶，在組成飛機的眾多零部件中鈑金零件能夠占到總零部件的近7成左右。在飛機鈑金零件的加工中主要采用的有傳統的手工敲修、落壓、沖壓等方式.鈑金零件的成型基礎為工程數學模型的理論形狀，將其平整的展開后再下料、加工成型。鈑金零件的準確成形與鈑金件加工中的工藝數模的設計質量有著極為密切的聯系。為提高飛機鈑金件的加工精度在鈑金零件工藝數模的設計中需要對其進行優化，通過在飛機鈑金零件原有工程數學模型的基礎上，依據原零件材料、厚度、理論形狀等參數，快速擬合彎曲曲面，再按彎曲曲面重新設計鈑金工藝數模，在這一過程中為實現鈑金零件工藝數學模型的快速設計可以從數學模型設計的三大層面入手：彎曲曲面的提取、工藝數模的建立、下料數據的對比，通過優化改進在確保設計質量的基礎上實現對于鈑金工程數學模型的快速設計、建立。

1 彎曲曲面的提取

鈑金零件彎邊為直彎邊即彎邊線為直線時，提取彎曲曲面為平面，但仍有很多鈑金零件的彎邊與飛機框架或蒙皮相連接，故彎邊面一般為曲面，需要考慮提取彎邊曲面的尺寸大小及原理論曲面，確保曲面誤差在允許范圍內。

1.1 彎邊曲面擬合問題的解決辦法

在CATIA V5軟件中，常用的快速重構曲面方法可分為：理論曲面提取重構和截面線擬合曲面，兩種方式。

1.1.1 理論曲面提取重構

采用理論曲面提取重構方式，當彎邊曲面為單曲率時，可采用快速曲面構建方法，提取彎邊和腹板的外形線、彎邊方向線，用掃瓊命令，快速建立彎邊控制面；當彎邊曲面為雙曲面時，可將原彎邊面提取出來，邊緣不規整處做修剪處理，再曲率延伸，將控制面擴大到可容彎邊建立即可。

1.1.2 截面線擬合曲面法

截面線擬合曲面方法適用于多數的曲面建立，選取適量的截面線數量，通過截面線，可快速建立彎邊曲面。我們要找到做彎邊曲面的曲面，擬合曲面的兩個方向，曲面的長度方向和寬度方向的3條曲線，在長度方向上做等距離的切面線，將寬度方向的切面線按長度方向做多截面，形成彎邊曲面。

這里需要注意：當曲面非規整形狀，即周邊有曲線、特定形狀需要表達，這時再提取的部位截面線應盡量多些，在生成曲面的過程中，如無法得到原有曲面的邊界線時，可以提取原曲面的邊線，投影到曲面上，將多截面得到的曲面適當增加尺寸，這樣邊線可完整地投影在新生成的彎邊曲面上，再進行適當的修剪，這樣能得到符合要求的彎邊曲面。

1.2 誤差分析

彎邊曲面以腹板和彎邊交叉線作為引導線生產掃瓊曲面，兩條曲線控制生成的曲面適用曲面形狀較為簡單，誤差小，當曲面形狀較為復雜時，適用于截面線擬合曲面法。曲面線擬合法是將彎邊曲面以多截面形式分割，生成的曲面截面線定義為關鍵線，橫縱兩種關鍵線相互交織，其交點稱之為確定點。將生成的截面線用“截面線擬合曲面法”擬合的曲面進行分析，分別從關鍵線長度誤差、確定點擬合關鍵線長度進行誤差分析，判斷誤差較小，符合重構彎邊曲面的要求。

2 工藝數模的建立

2.1 曲面替換法

彎邊鈑金數模與原理論狀態下的數模相比，區別在于原理論數模為快速完成設計，采用機加模式建立，這種建模的優點是：建模時間短、建模效率高、建模方法簡單，缺點是數學模型的工藝性差，為提高數學模型的工藝性，在原理論狀態下，將模型鈑金化，最大程度地還原鈑金零件，我們可用 “曲面替換法”，完成建模過程。具體步驟如下。

2.1.1 腹板面的選取

分析原數學模型，會出現兩種情況，腹板面為工藝腹板面和非工藝腹板面，確定工藝腹板面，將非工藝腹板面重新構建為工藝腹板面，完成鈑金工藝建模的第一步。

2.1.2 曲面處理

曲面處理為建立鈑金工藝數模的關鍵步驟，快速設計方法既是在原有工程模型的基礎上，將彎邊的曲面提取出來，用上文介紹的彎曲曲面提取方法，再運用鈑金命令將零件彎邊設計出來。如零件的邊界有特定形狀，或邊界有特定尺寸要求時，需要做出邊界線。

2.1.3 鈑金工藝建模

將前兩步準備完成的腹板面、彎邊曲面、控制線等，一并納入鈑金建模中，完成鈑金工藝建模三要素的準備工作，可快速提升建模速度。如原彎邊有控制邊界，需要重新確定邊界，在步驟2中，選取新的邊界。

曲面替換法適用于多數鈑金工藝建模，當零件腹板面有形狀需要表達，在建立腹板平面時，可預先按原數模形狀現行設計零件、腹板的凹形，在設計腹板面可提取原數模形狀，亦可在完成數模后，再添加形狀控制。彎邊控制線的使用方式也可分為兩種，一種為在做彎邊曲面時，將控制線預先投影到彎邊曲面上，再做彎邊，或是彎邊完成后，再用控制線控制彎邊形狀。當彎邊有下陷或多重下陷結構時，當采用“曲面替換法”時，需要分別提取曲面，或確定下陷深度和方向，也可做出復雜的彎邊結構。

3 下料數據的對比

原鈑金工藝數模，多為三維實體數模，需要根據零件材料厚度、內半徑、彎邊高度、彎邊角度計算展開后的尺寸，來確定下料數據。按鈑金工藝數模的快速設計方法，在原有鈑金數模的基礎上，按上述方法進行快速建模，剝離了材料厚度、彎邊高度等參數計算展開后的尺寸，可直接在軟件中，得到展開后的下料數據，極大程度上的方便了鈑金工藝性的回歸。表1中列取實體數模和工藝數模在進行下料數據設計的過程中，分別需要考慮的因素，當需要按部實體數模進行工藝生產時，實體數模需要考慮材料厚度、內半徑、彎邊角度等5個要素，分項查表，最后得出下料數據，而按實體數模建立的工藝數模，免去查表、測量的時間，一步得到下料數據，方便、快捷。

注意：因零件下料到滿足工藝生產，在傳統的工藝數模下料后，仍需對部分位置增加補償。工藝數模較實體數模相比，對后續的工藝生產，起到承上啟下的作用，最大限度地完成工藝準備，提高零件批產效率。

結語

為提高鈑金工藝數模設計效率，本文從數模設計的典型三大環節入手就如何做好工藝數模的設計進行了分析介紹。新的鈑金數模設計方法在確保設計質量的基礎上有效地提高了數模設計的效率。

參考文獻

[1]曹蔚，甘忠.飛機鈑金零件彎邊自動展開系統航空制造技術[J].航空制造技術，2008（1）：84-87.

[2]周秋忠，范玉青.MBD技術在飛機制造中的應用[J].航空維修與工程，2008（3）：55-57.