胡畢富，王學(xué)銳，李衛(wèi)東

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冷沖壓模具設(shè)計(jì)課程教學(xué)軟件開發(fā)

胡畢富，王學(xué)銳，李衛(wèi)東

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

結(jié)合飛行器制造工程專業(yè)模具設(shè)計(jì)課程的教學(xué)實(shí)際，總結(jié)和歸納了零件特點(diǎn)和模具設(shè)計(jì)流程，提出了一種模具設(shè)計(jì)流程化方法，并基于CATIA平臺開發(fā)一套用于冷沖壓模具設(shè)計(jì)的教學(xué)系統(tǒng)，方便教師在教學(xué)過程中能快速展示多套不同參數(shù)的模具設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)學(xué)生的知識面，提升教學(xué)效果。

冷沖壓模具；模具設(shè)計(jì)；CATIA；二次開發(fā)

冷沖壓是建立在金屬塑性變形的基礎(chǔ)上，在常溫下利用安裝在壓力機(jī)上的模具對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得一定形狀、尺寸和性能零件的加工方法，廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品、電子產(chǎn)品、輕工產(chǎn)品的零件制造。冷沖壓可以加工壁薄、重量輕、形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量好、剛性好的零件，因此航空產(chǎn)品中包含了數(shù)量眾多的盒蓋類、環(huán)套類、法蘭類、邊框類等冷沖壓鈑金零件。冷沖壓成型工藝依賴高水平的模具設(shè)計(jì)，對于飛行器制造工程專業(yè)的學(xué)生，冷沖壓模具設(shè)計(jì)是一門重要的專業(yè)必修課。

近年來，工科類高校關(guān)注有關(guān)模具設(shè)計(jì)的教學(xué)與實(shí)踐研究，取得了良好的教學(xué)效果。武漢理工大學(xué)在沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革中提出“走出去，請進(jìn)來”的方式對本課程進(jìn)行補(bǔ)充性和強(qiáng)化性的教學(xué)[1]，開闊學(xué)生眼界；廣東工業(yè)大學(xué)在合理利用多媒體教學(xué)手段提高教學(xué)效果方面進(jìn)行了有益的嘗試[2]，并提出了基于工作過程向?qū)У哪＞咴O(shè)計(jì)方式[3]；南京航空航天大學(xué)提出項(xiàng)目教學(xué)法[4]，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)場景感與帶入感。同時(shí)，模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的學(xué)者在商用模具設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)方面做了很多研究[5-9]，其有關(guān)經(jīng)驗(yàn)和成果非常值得模具設(shè)計(jì)教學(xué)借鑒。

在北京航空航天大學(xué)飛行器制造工程專業(yè)的冷沖壓模具設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，教師講授內(nèi)容主要為工藝分析計(jì)算與模具設(shè)計(jì)兩部分。工藝分析計(jì)算包括零件毛料展開、排樣設(shè)計(jì)、刃口尺寸計(jì)算等知識；模具設(shè)計(jì)采取展示一套典型模具裝配圖示例，配合局部細(xì)節(jié)剖析的方式。在多年教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，講授模具總體設(shè)計(jì)時(shí)所給裝配圖包含完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、形狀、位置、裝配關(guān)系、工藝要求等最終設(shè)計(jì)結(jié)果，局部細(xì)節(jié)量多且零散，沒有有效地組織起來，學(xué)生接受難度大，講解一種類型的模具完整設(shè)計(jì)過程需要花費(fèi)大量時(shí)間，難以在較短時(shí)間內(nèi)為學(xué)生介紹更多模具設(shè)計(jì)知識。

本文結(jié)合我校飛行器制造工程專業(yè)模具設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)際，總結(jié)和歸納了零件特點(diǎn)和模具設(shè)計(jì)流程，提出了一種模具設(shè)計(jì)流程化方法，并基于CATIA平臺開發(fā)一套用于冷沖壓模具設(shè)計(jì)的教學(xué)系統(tǒng)，方便教師在教學(xué)過程中能夠在較短時(shí)間內(nèi)講授多套模具的完整設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)學(xué)生的知識面，提升教學(xué)效果。

1 模具設(shè)計(jì)流程與建模流程

1.1 模具的設(shè)計(jì)流程

在航空業(yè)的冷沖壓模具設(shè)計(jì)中零件形狀多為有凸緣或無凸緣的圓筒形、盒形件，如圖1所示，該類零件的第一道工序?yàn)槁淞侠?，后續(xù)工藝為反拉深、沖裁、翻邊和切邊等。因此課程教學(xué)中涉及模具主要是落料拉深復(fù)合模、反拉深模、沖孔模和翻邊模等。以圓筒件落料拉深復(fù)合模為例，設(shè)計(jì)流程[10]為：

(1) 零件的工藝性分析。包括解析法計(jì)算落料件的毛坯尺寸，計(jì)算拉深系數(shù)驗(yàn)證能否一次拉深；

(2) 零件拉深工藝計(jì)算。包括力和功的計(jì)算、落料模及拉深模有關(guān)尺寸計(jì)算；

(3) 模具結(jié)構(gòu)選擇并設(shè)計(jì)主要零部件。零部件包括落料凹模、凸凹模、拉深凸模、壓邊圈、卸料板等；

(4) 模具標(biāo)準(zhǔn)件選型設(shè)計(jì)。包括模座選擇、導(dǎo)柱/導(dǎo)套選擇、模柄選擇、圓柱壓縮彈簧選用、壓力機(jī)選型和導(dǎo)料銷/擋料銷選用等；

(5) 進(jìn)行模具零件的裝配設(shè)計(jì)。

圖1 典型的模具成型航空產(chǎn)品

1.2 模具的建模流程

模具零件建模包括：設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)化幾何參數(shù)和參數(shù)化建模兩個(gè)階段。

在設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)化階段，主要通過公式和圖表將零件提供的設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)化為模具的部分幾何參數(shù)，如落料模刃口直徑，拉深凸模直徑等，按照成型工藝的時(shí)間序列依次轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

在參數(shù)化建模階段，需分析零件之間外部參數(shù)的依賴關(guān)系，確定零件建模流程，具體方法為：

(1) 提取每個(gè)零件的幾何參數(shù)；

(2) 對每個(gè)零件的幾何參數(shù)分類，去掉可以通過設(shè)計(jì)參數(shù)確定的部分，考查剩余參數(shù)；

(3) 結(jié)合模具靜態(tài)結(jié)構(gòu)及動態(tài)模型分析零件的剩余參數(shù)與其他外部剩余參數(shù)間的函數(shù)依賴關(guān)系，將2步驟中剩余參數(shù)分為需要獨(dú)立確定的主參數(shù)和有外部依賴關(guān)系非主參數(shù)；

(4) 以零件為節(jié)點(diǎn)按照非主參數(shù)的函數(shù)依賴關(guān)系依次連接，如果產(chǎn)生循環(huán)則找一個(gè)節(jié)點(diǎn)拆分成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成依賴關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖；

(5) 從依賴關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖的外側(cè)節(jié)點(diǎn)，即指出邊的節(jié)點(diǎn)(或循環(huán)中產(chǎn)生的獨(dú)立節(jié)點(diǎn))開始設(shè)計(jì)零件，將完成設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)從依賴關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖中去掉；

(6) 重復(fù)步驟5，直到所有零部件完成設(shè)計(jì)。

2 模具設(shè)計(jì)的CATIA設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)模型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和流程，開發(fā)冷沖模輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，便于教師在課堂上講解，提升模具設(shè)計(jì)教學(xué)水平，提高模具設(shè)計(jì)效率。冷沖模輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)需滿足以下要求：

(1) 能夠體現(xiàn)冷沖壓模具設(shè)計(jì)過程；

(2) 能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)參數(shù)求解轉(zhuǎn)換為建模所需的幾何參數(shù)并記錄；

(3) 能夠合理地安排零件建模流程，減少由于獨(dú)立設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的裝配干涉問題，規(guī)避反復(fù)地修改調(diào)整；

(4) 能夠提供模具標(biāo)準(zhǔn)件模型快速生成工具，利用派生式建模技術(shù)，縮短建模時(shí)間。

在本模具設(shè)計(jì)課程中涉及的模具類型主要有：落料模、拉深模、反拉深模、沖孔模、翻邊模和切邊模，其中絕大多數(shù)零件都需要落料和拉深工序，可以用落料拉深復(fù)合模完成。圖2為系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案層次結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件在教學(xué)中的使用

以某法蘭盤零件為例，介紹設(shè)計(jì)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用情況。零件如圖3所示。

圖3 某法蘭盤零件圖

2.2.1 工藝分析及計(jì)算

簡單分析可以確定零件第一工序應(yīng)為落料拉深工藝，在系統(tǒng)中選擇落料拉深復(fù)合模設(shè)計(jì)入口進(jìn)入尺寸輸入界面，輸入零件尺寸及材料信息即可在CATIA中建立零件模型，如圖4所示。

圖4 尺寸輸入界面及零件建模結(jié)果

按照先落料再拉深的工藝過程進(jìn)行工藝分析與計(jì)算，步驟依次為修邊余量選取，毛料展開，落料排樣計(jì)算，沖壓力計(jì)算，刃口尺寸計(jì)算，拉深性驗(yàn)證，拉深模計(jì)算，凸/凹模工作部分尺寸計(jì)算以及力和功的計(jì)算。過程中涉及到的查表、數(shù)值計(jì)算等全部由軟件自動實(shí)現(xiàn)，講解時(shí)簡單點(diǎn)擊即得到結(jié)果，大大提升講解速度，部分分析計(jì)算過程的界面如圖5~6所示。

圖5 毛料展開界面

圖6 拉深模間隙計(jì)算界面

2.2.2 零件建模

根據(jù)前述模具設(shè)計(jì)流程化方法分析，落料拉深復(fù)合模建模流程為壓邊圈→拉深凸?！拱寄！读习濉淞习寄?，在軟件系統(tǒng)編寫時(shí)，已經(jīng)分析所有涉及到模具的建模流程并將其固化于系統(tǒng)中，因此工藝分析計(jì)算完成后系統(tǒng)自動按照上面的流出開始零件建模，每個(gè)零件單獨(dú)給出建模尺寸設(shè)計(jì)界面，并將之前計(jì)算好的設(shè)計(jì)參數(shù)自動填入，教師只要輸入剩余設(shè)計(jì)參數(shù)即可在CATIA軟件中得到參數(shù)化的零件模型，如圖7~8所示，由于流程化方法中已經(jīng)考慮了零件尺寸間的相互依賴，設(shè)計(jì)結(jié)果基本不需要改動，而且本系統(tǒng)采用參數(shù)化建模，特殊情況需要修改也極為快速。

圖7 凸凹模設(shè)計(jì)界面及建模結(jié)果

圖8 落料凹模設(shè)計(jì)界面及建模結(jié)果

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)件選型設(shè)計(jì)

根據(jù)完成的零件設(shè)計(jì)，依次選取模座、導(dǎo)柱/導(dǎo)套、壓力機(jī)型號、模柄以及銷釘、螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件，軟件系統(tǒng)中已經(jīng)集成了全部模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)件庫，教師在軟件界面中選擇相應(yīng)的型號即可在CATIA系統(tǒng)中建立標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)例，如圖9所示。其節(jié)省了標(biāo)準(zhǔn)件建模時(shí)間，避免手工標(biāo)注件建模錯(cuò)誤，大大方便后續(xù)裝配設(shè)計(jì)。

2.2.4 模具設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過分析計(jì)算和零件的建模，利用系統(tǒng)中自動化鉆孔裝配工具，快速完成零件與標(biāo)準(zhǔn)件裝配，得到模具設(shè)計(jì)裝配圖，如圖10所示。該工具還可以為零件設(shè)置不同顏色，使裝配零件展示效果更好。利用CATIA軟件的截面查看功能可多角度、多方位查看模具裝配關(guān)系，方便教師講解模具裝配的相關(guān)知識。

圖9 模座選型設(shè)計(jì)界面及建模結(jié)果

圖10 模具設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2.5 模具設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

在現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐中，對于設(shè)計(jì)結(jié)果的檢驗(yàn)主要依賴于教師檢查學(xué)生總裝配圖，需要教師具有扎實(shí)的機(jī)械制圖知識和豐富的模具裝配圖閱讀經(jīng)驗(yàn)。教師檢查每個(gè)學(xué)生的圖紙既費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，又有遺漏或忽略某些問題的可能?，F(xiàn)在本系統(tǒng)利用三維軟件CATIA建模裝配，可以利用其運(yùn)動分析DMU模塊對模型進(jìn)行運(yùn)動分析、干涉檢查等，豐富了教學(xué)內(nèi)容，而且利用軟件檢查避免了人為的疏漏，確保錯(cuò)誤率低、準(zhǔn)確性高，提高了教學(xué)質(zhì)量。

3 結(jié) 論

本教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)在本專業(yè)的模具設(shè)計(jì)課程中開始了使用，通過該系統(tǒng)，教師能夠選擇設(shè)計(jì)的模具類型以及零件形狀，通過軟件界面輸入零件尺寸，輔助完成工藝分析、工藝計(jì)算等計(jì)算問題，利用計(jì)算結(jié)果完成零件結(jié)構(gòu)選型、標(biāo)準(zhǔn)件選型設(shè)計(jì)和零件裝配設(shè)計(jì)，并在CATIA軟件中完成快速建模，方便教師在教學(xué)過程中能展示多套不同參數(shù)的模具設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)學(xué)生的知識面，提升教學(xué)效果。

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Teaching Software Development of Cold Stamping Die Design Course

HU Bifu, WANG Xuerui, LI Weidong

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

Combined with the practical teaching of the mold design course in the major of Aircraft Manufacturing Engineering, the parts characteristics and cold stamping die design process are summarized and a method of mold design flow is put forward. Then, a teaching software for cold stamping die design is developed based on CATIA platform to facilitate teachers in the teaching process. Based on this software, teachers can quickly show more sets of different parameters of the mold design process. This achievement could enhance the students’ knowledge and improve teaching effectiveness.

cold stamping die;die design;CATIA;secondary development

G 642.0

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010159

A

2095-302X(2018)01-0159-05

2017-05-25；

2017-06-09

北京航空航天大學(xué)教改項(xiàng)目

胡畢富(1980–)，男，貴州晴隆人，實(shí)驗(yàn)師，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真等。E-mail：hoobye@buaa.edu.cn