钣金工艺数学模型的快速设计

        飞机是工业制造和科技的结晶，在组成飞机的众多零 部件中钣金零件能够占到总零部件的近 7 成左右。在飞机 钣金零件的加工中主要采用的有传统的手工敲修、落压、冲 压等方式 . 钣金零件的成型基础为工程数学模型的理论形 状，将其平整的展开后再下料、加工成型。钣金零件的准 确成形与钣金件加工中的工艺数模的设计质量有着极为密 切的联系。为提高飞机钣金件的加工精度在钣金零件工艺 数模的设计中需要对其进行优化，通过在飞机钣金零件原 有工程数学模型的基础上，依据原零件材料、厚度、理论 形状等参数，快速拟合弯曲曲面，再按弯曲曲面重新设计 钣金工艺数模，在这一过程中为实现钣金零件工艺数学模 型的快速设计可以从数学模型设计的三大层面入手 : 弯曲 曲面的提取、工艺数模的建立、下料数据的对比，通过优化改进在确保设计质量的基础上实现对于钣金工程数学模 型的快速设计、建立。

1 弯曲曲面的提取

          钣金零件弯边为直弯边即弯边线为直线时，提取弯曲 曲面为平面，但仍有很多钣金零件的弯边与飞机框架或蒙 皮相连接，故弯边面一般为曲面，需要考虑提取弯边曲面 的尺寸大小及原理论曲面，确保曲面误差在允许范围内。 

1.1 弯边曲面拟合问题的解决办法

         在 CATIA V5 软件中，常用的快速重构曲面方法可分 为 ：理论曲面提取重构和截面线拟合曲面，两种方式。 

1.1.1 理论曲面提取重构 

        采用理论曲面提取重构方式，当弯边曲面为单曲率时，可采用快速曲面构建方法，提取弯边和腹板的外形线、弯 边方向线，用扫琼命令，快速建立弯边控制面 ；当弯边曲 面为双曲面时，可将原弯边面提取出来，边缘不规整处做 修剪处理，再曲率延伸，将控制面扩大到可容弯边建立即 可。 

1.1.2 截面线拟合曲面法 

        截面线拟合曲面方法适用于多数的曲面建立，选取适 量的截面线数量，通过截面线，可快速建立弯边曲面。我们 要找到做弯边曲面的曲面，拟合曲面的两个方向，曲面的 长度方向和宽度方向的 3 条曲线，在长度方向上做等距离 的切面线，将宽度方向的切面线按长度方向做多截面，形 成弯边曲面。 

         这里需要注意 ：当曲面非规整形状，即周边有曲线、 特定形状需要表达，这时再提取的部位截面线应尽量多些， 在生成曲面的过程中，如无法得到原有曲面的边界线时，可 以提取原曲面的边线，投影到曲面上，将多截面得到的曲 面适当增加尺寸，这样边线可完整地投影在新生成的弯边 曲面上，再进行适当的修剪，这样能得到符合要求的弯边 曲面。 

1.2 误差分析

        弯边曲面以腹板和弯边交叉线作为引导线生产扫琼曲 面，两条曲线控制生成的曲面适用曲面形状较为简单，误 差小，当曲面形状较为复杂时，适用于截面线拟合曲面法。 曲面线拟合法是将弯边曲面以多截面形式分割，生成的曲 面截面线定义为关键线，横纵两种关键线相互交织，其交 点称之为确定点。将生成的截面线用“截面线拟合曲面法” 拟合的曲面进行分析，分别从关键线长度误差、确定点拟 合关键线长度进行误差分析，判断误差较小，符合重构弯 边曲面的要求。

2 工艺数模的建立

2.1 曲面替换法 

        弯边钣金数模与原理论状态下的数模相比，区别在于 原理论数模为快速完成设计，采用机加模式建立，这种建模 的优点是 ：建模时间短、建模效率高、建模方法简单，缺 点是数学模型的工艺性差，为提高数学模型的工艺性，在 原理论状态下，将模型钣金化，最大程度地还原钣金零件， 我们可用“ 曲面替换法”，完成建模过程。具体步骤如下。 

2.1.1 腹板面的选取

        分析原数学模型，会出现两种情况，腹板面为工艺腹 板面和非工艺腹板面，确定工艺腹板面，将非工艺腹板面 重新构建为工艺腹板面，完成钣金工艺建模的第一步。 

2.1.2 曲面处理

        曲面处理为建立钣金工艺数模的关键步骤，快速设计 方法既是在原有工程模型的基础上，将弯边的曲面提取出 来，用上文介绍的弯曲曲面提取方法，再运用钣金命令将 零件弯边设计出来。如零件的边界有特定形状，或边界有 特定尺寸要求时，需要做出边界线。

2.1.3 钣金工艺建模 

        将前两步准备完成的腹板面、弯边曲面、控制线等， 一并纳入钣金建模中，完成钣金工艺建模三要素的准备工 作，可快速提升建模速度。如原弯边有控制边界，需要重 新确定边界，在步骤 2 中，选取新的边界。 

        曲面替换法适用于多数钣金工艺建模，当零件腹板面 有形状需要表达，在建立腹板平面时，可预先按原数模形 状现行设计零件、腹板的凹形，在设计腹板面可提取原数 模形状，亦可在完成数模后，再添加形状控制。弯边控制 线的使用方式也可分为两种，一种为在做弯边曲面时，将 控制线预先投影到弯边曲面上，再做弯边，或是弯边完成 后，再用控制线控制弯边形状。当弯边有下陷或多重下陷结 构时，当采用“曲面替换法”时，需要分别提取曲面，或 确定下陷深度和方向，也可做出复杂的弯边结构。

3 下料数据的对比

        原钣金工艺数模，多为三维实体数模，需要根据零件 材料厚度、内半径、弯边高度、弯边角度计算展开后的尺 寸，来确定下料数据。按钣金工艺数模的快速设计方法，在 原有钣金数模的基础上，按上述方法进行快速建模，剥离 了材料厚度、弯边高度等参数计算展开后的尺寸，可直接 在软件中，得到展开后的下料数据，极大程度上的方便了 钣金工艺性的回归。表 1 中列取实体数模和工艺数模在进 行下料数据设计的过程中，分别需要考虑的因素，当需要 按部实体数模进行工艺生产时，实体数模需要考虑材料厚 度、内半径、弯边角度等 5 个要素，分项查表，最后得出 下料数据，而按实体数模建立的工艺数模，免去查表、测 量的时间，一步得到下料数据，方便、快捷。 

        注意 ：因零件下料到满足工艺生产，在传统的工艺数 模下料后，仍需对部分位置增加补偿。工艺数模较实体数 模相比，对后续的工艺生产，起到承上启下的作用，最大 限度地完成工艺准备，提高零件批产效率。

结语

         为提高钣金工艺数模设计效率，本文从数模设计的典 型三大环节入手就如何做好工艺数模的设计进行了分析介 绍。新的钣金数模设计方法在确保设计质量的基础上有效 地提高了数模设计的效率。