基于CATIA/CAA的数控弯管模具快速设计*
时间：2023-01-20 18:30:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
韩志仁 ，马志友 ，车剑昭 ，白 扬 ，杨文举
（1.沈阳航空航天大学，沈阳 110136；
2.沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136；
3.中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）
飞机导管零件分布在飞机的各个系统中，主要包括液压、燃油、环控、供氧系统等[1]。在航空制造过程中，大型企业主要利用数控弯管机弯制导管来提高生产效率。数控机弯制导管的过程中，需要弯曲模、夹模、压模、防皱模、芯棒等模具。而弯管模具设计过程中，不仅需要考虑导管工艺性是否规范，而且依赖设计人员的知识和经验。不同的设计人员操作会导致模具质量不稳定，设计出的产品容易出现差异。由于飞机制造过程中需要大量的模具来弯制导管，因此要求设计人员重复设计结构相似的弯管模具[2]，费时费力，消耗设计人员的精力，影响设计质量。
目前，国内的飞机制造企业使用CAD/CAM一体化设计制造技术，利用CATIA（Computer-graphics aided three-dimensional interactive application）强大的造型技术，在零件设计模块和虚拟装配基础上，实现数控弯管模具的数字化设计制造[3]。基于组件应用架构CAA（Component application architecture）二次开发的研究，宋波等[4]将飞机雷达罩成型模具分段设计，采用参数化方法，实现了成型模具的快速设计，提高了设计人员工作效率。刘明等[5]通过拾取构件的部分元素，开发出了发动机活塞模型的参数化设计软件，提高了模型的设计效率。
本文以减少时间成本，减轻设计人员工作压力，提高工装设计效率和设计质量稳定性为目标，基于CAA对CATIA软件进行二次开发，利用数字化设计与传统设计人员知识相结合的方式，实现弯管模具的参数化快速设计。
数控弯管模具（图1）主要由弯曲模、夹模、压模、防皱模、芯棒组成。芯棒（图2）由芯杆、半芯杆、活动关节、整体关节、内形不带配合球面球头、内形带配合球面球头等组成。使用数控弯管机制作导管时，利用弯曲模和夹模将零件夹紧，并利用压模压住管件，采用绕弯的方式制作导管[6]。由于管件弯曲变形时，管件内侧容易出现褶皱，因此在内侧加装防皱模，防皱模工作型面与弯曲模型面配合滑动，另一型面与导管贴合，使内侧受力均匀可减少皱纹出现，提高管件弯曲成形质量。郭建军等[7]通过优化模具设计，控制防皱模和弯曲模切点距离，以及两模具贴合面的间隙来改善弯管褶皱。王玲等[8]发现，管材需要的弯曲长度较长时，可通过在管材内部加装芯棒对导管进行支撑，减少弯制后的管材横截面出现椭圆变形的畸变现象。吴青云等[9]研究发现，钣金件成形过程中普遍存在回弹现象，并详细阐述了数控弯曲回弹的规律，指出影响弯曲回弹的因素主要有弯曲角度、芯棒伸出量、芯棒的双面间隙值、管件和压模之间的摩擦系数等，其中回弹角随着弯曲角度、双面间隙值和管件与压模之间摩擦系数的增大而增大，随着芯棒伸出量的增大而减小。为解决回弹的影响，候海清[10]研究表明，每弯制一批导管都应测取回弹修正数据 （比例回弹系数和固定回弹系数），通过参数化设计的模具，方便控制驱动参数为单一变量，快速设计出弯管模具，提高效率、节省时间。
图1 组合式弯曲模Fig.1 Combined bending die
图2 芯棒结构Fig.2 Mandrel structure
2.1 模具组成方案的确定
数控弯管模具的组合方式依据导管的规格确定，而不同参数的导管需要的模具不同。判断组合类型主要依据两个因素：弯曲因子D′（D′=弯曲半径Ri/导管外径Do）和壁厚因子F（F=导管外径Do/壁厚t）。实际生产中，根据导管产品需求，计算D′和F因子，再通过查询模具结构方案表（表1），确定是否需要防皱模、芯棒、球头。从表1可知，有的弯管模具需要防皱模，有的需要芯棒和多个球头，需要无球头的柱形芯棒或不需要芯棒，因此弯管模具组合方式繁多，人工确定模具组合方案中可能存在诸多问题。
表1 模具结构方案Table 1 Mould structure scheme
2.2 尺寸关联设计
在数控弯管模具的设计中，各个零件存在大量尺寸的关联，其中芯棒的活动关节和球头存在的尺寸关联最为紧密。人工设计芯棒时，需要反复查阅数据（表2）、约束设计草图尺寸和线条关系，非常烦琐，如图3所示（其中，D为球头型腔与倒角的距离；
E为活动关节固定槽距离；
F为球头型腔直径；
G为对合关节底部直径；
H为球头长度；
J为球头左侧边与型腔中心的距离；
K为关节底座高度；
M为关节内型腔突出长度；
N为垫圈卡槽长度；
N1为关节突出垫圈卡槽长度；
P为球头外腔直径；
R为倒圆角半径；
S为键的宽度；
T为键的高度；
Sd为关节球直径；
Sd1为球头直径；
SD为关节内型腔直径；
SD1为关节内型腔突出直径）。因此快速确定数控弯管模具中的尺寸关联、草图约束可以减轻设计人员工作量，减少错误，提高设计效率。
图3 分半式活动关节和内形带配合球面球头组合图Fig.3 Combination diagram of split movable joint and inner belt with spherical ball head
表2 芯棒尺寸Table 2 Mandrel sizemm
2.3 优化球头结构
导管弯曲过程中，球头与芯棒容易发生碰撞干涉。为避免碰撞干涉，需要反复调整干涉处尺寸。传统工装设计中，设计人员通过AutoCAD软件旋转球头的设计图（图4），使球头刚好达到干涉状态下，即球头和芯棒发生接触，内形带配合球面球头和内形不带配合球面球头发生接触时，判断球心点b和点c是否在弯曲导管中轴线构成的圆D（x）内。若在圆内，则无须优化。反之则需增大芯杆倒角值和球头d2值，直至球心点b和点c在圆D（x）内。如此反复修改干涉尺寸费时费力，因此需要便捷、智能的优化方式。
图4 芯棒弯曲图Fig.4 Mandrel bending diagram
3.1 数控弯管模快速建模设计流程
将设计人员的知识经验总结，确定模具设计规则，计算出弯曲因子D′和壁厚因子F，通过CATIA读取Excel机制，获取Part或Product节点，查询得到CATDocument接口，通过该容器获得CATIPrtContainer接口，再转换到知识工程模块调用该模块的Create DesignTable函数，创建设计表，并创建Sheet对象。最终通过Cell方法循环遍历读取表1中数据，确定模具组合方式。至此通过将F和D′因子作为参数，利用CAA函数确定了防皱模和芯棒球头数量，实现了模具组合方式的快速确定。
模具组合方式确定后，通过导管外径确定机床型号，即可确定模具设计尺寸。然后确定弯曲模结构，即可开始参数化建立弯曲模、镶块、夹模、压模、防皱模等。再读取表2获取芯棒设计尺寸，开始参数化建模，最后装配销钉、螺钉等标准件。软件设计流程如图5所示。
图5 软件设计流程图Fig.5 Software design flow chart
3.2 尺寸关联的参数化建模
数控弯管模具主要特征相似，模具型面均与导管相关。弯管模具中最为复杂的设计在于芯棒，而芯棒中组件的尺寸均与导管内径相关（图3）。因此通过导管直径和机床型号，可以确定模具主要特征尺寸。通过将尺寸参数化，可以实现数控弯管模具的参数化建模（图6）。参数化设计过程中，定义模具尺寸变量均为Double类型，如镶块截面长度值为Ske_length，夹模截面宽度值为Pad_higth。部分关联尺寸如表3所示。通过CATDocumentServices接口中New方法创建Product或Part，获取该Part结构容器。在结构容器中，可以获得CATIA中各个功能模块的接口。在零件容器接口下，进入草图，利用 CreateLine、CreateCircle、CreateCorner等函数绘制草图。在零件设计接口下，通过CreatePad、CreatePocket等函数创建模具实体。最后在实体上通过算法避让干涉特征，确定凹槽、孔位等非关联特征。由于芯棒是旋转体，绘制尺寸关联的草图后可以通过CreateShaft方法旋转得到芯棒实体。
表3 尺寸关联的变量列表Table 3 List of variables associated with dimensions
图6 参数化建模Fig.6 Principles of parametric modeling
3.3 迭代算法优化球头结构
导管在弯曲过程中，为避免球头和芯棒、球头和球头之间发生碰撞干涉，可以利用迭代算法优化干涉处圆角半径和球头d2尺寸。由于需要参数化设计，因此迭代时需要考虑关联尺寸的变化。
芯棒未发生弯曲时，通过表2可知，获得球头外径尺寸，推算出芯棒发生弯曲前点A坐标（X40，Y40）。当芯棒发生弯曲时（图4），点A坐标为（X4，Y4）。可计算出内形不带配合球面球头所能弯曲的最大角度α。故可确定弯曲后的球心b坐标（X2，Y2），比较该球心坐标是否在导管弯曲中轴线构成的圆D（x）内。当球心b在圆D（x）外，芯杆和球头发生干涉。芯杆圆角半径增加0.01 mm，此时芯杆圆角处圆的方程为G（x），球头干涉点所在直线方程为F（x）。通过H（x） =G（x）–F（x），计算临界状态下点A坐标 （X4，Y4）和球心b（X2，Y2）。再判断球心b是否在圆D（x）内，直至符合弯曲要求。
内形不带配合球面球头和内形带配合球面球头干涉中，分别计算出未弯曲时，干涉点B（X5，Y5）坐标和干涉点C（X6，Y6）坐标。通过这两个点可确定内形带配合球面球头所能弯曲的最大角度β。通过角度β确定弯曲后的球心点c（X3，Y3）。比较弯曲后的球心点c是否在圆D（x）内。球心点c在圆外，即两个球头会发生干涉。通过球头d2增加0.01 mm，再重新计算干涉点B、C，直至旋转后的球心点c在圆D（x）内，此时的尺寸才满足弯曲要求。上述优化芯棒结构尺寸逻辑如图7所示。
图7 芯棒结构优化算法流程图Fig.7 Flow chart of mandrel structure optimization algorithm
基于CAA开发出了数控弯管模具参数化快速设计软件。操作步骤如下。
（1）进入导管参数输入模块（图8），输入管件的3个驱动参数，如弯曲半径为300 mm，导管外径为100 mm，壁厚值为2 mm。
程序进行导管工艺性审查，若弯曲因子、壁厚因子不在表1范围内或导管外径不在表2范围内，则输入参数不合理，程序将弹窗提示用户修改参数。参数输入合理，则软件读取表1和表2，确定模具组成结构和获取芯棒尺寸。通过导管外径确定数控弯管机型号，数控弯管机型号决定模具其他设计尺寸。上述输入的驱动参数的模具组成为镶嵌式弯曲模、镶块，夹模、压模、防皱模、芯棒，球头数量为3个。数控机床型号为EL400RH，获取该机床对应的模具设计尺寸。
图8 导管参数输入模块Fig.8 Tube parameter input module
（2）进入模具设计模块（图9），该对话框将第1步确定的模具组成方案信息，放在上方的弯管模具组成信息控件中，便于用户了解模具结构。下方缺省参数框内放入第1步获得的部分尺寸、缺省参数，并支持修改。确认缺省参数框中的参数符合要求后点击预览按钮，程序自动生成规范模型结构树和模具，若缺省参数填写不合理，程序会弹窗提示参数输入存在设计问题，用户修改参数后再次点击预览即可重新生成模具。上述输入的驱动参数无须修改缺省参数，点击预览则会生成模具。
图9 模具设计模块Fig.9 Mold design module
（3）进入装配模块（图10），参考控件中的提示信息，依次点击对话框中导入标准件按钮，软件将导入目标文件夹下的标准件，再点击自动装配按钮，程序将通过轴系相合约束装配标准件。本组参数生成的模具为镶嵌式弯曲模具，需要导入销钉、螺钉。同时该模具有芯棒和球头，需要导入键、弹簧、钢珠、挡圈。最后点击装配按钮完成模具标准件的装配，结果如图11所示。
图10 装配模块Fig.10 Assembly module
图11 装配后的组合式弯管模具Fig.11 Assembled combined bending die
针对数控弯管模具传统设计方法中存在的复杂、烦琐问题，提出了基于CATIA/CAA的数控弯管模具快速设计方案，在VC++中编写代码，开发了数控弯管模具快速设计软件。该软件在保证工装设计质量的前提下，实现了数控弯管模具的快速参数化建模、结构优化以及标准件的快速装配。通过该软件设计数控弯管模具需要8 min，设计人员调整处理40 min。与传统工装设计耗费13~20 h相比，设计效率提高了20倍左右，有效地节省了时间，缩短了模具设计制造周期，为参数化模具设计提供了参考方案。
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