第 8 章 冲压级进模具CAD系统及其开发

1. 第8章　冲压级进模具CAD系统及其开发 8.1　概述8.2　级进模CAD系统的组成与实现 8.3　级进模CAD开发中的关键技术 8.4 级进模CAD系统的结构与功能 上海理工大学材料科学与工程学院

2. 8.1　概述 8.1.1　级进模的发展趋势8.1.2　级进模CAD系统的开发状况及发展趋势 上海理工大学材料科学与工程学院

3. 级进模 • 级进模 • 是在压力机的一次行程内，在模具的不同工位上完成多道冲压工序。 • 级进模设计 • 工艺设计 • 工艺性分析 • 毛坯展开、毛坯排样、压力与压力中心计算 • 条料排样设计 • 冲压件每道加工工序性质、形状、尺寸设计与计算 • 冲废料形状的设计与计算 • 工序的排列与布置 • 载体形式选择与尺寸计算 • 模具结构设计 • 模具总体装配设计 • 送料、卸料、托料、导向、定位方式的选择 • 辅助装置（安全、保护、限位）的设计 • 零件设计 • 凸模、凹模形式选择（整体、镶块、拼块）与尺寸计算 上海理工大学材料科学与工程学院

4. 8.1.1　级进模的发展趋势 • 1.随着加工零件形状复杂化、大型化，级进模的结构及设计过程更加复杂 • 70%~80%的汽车内部结构件 • 手机、相机等电子数码产品的自由曲面外壳 • 计算机机箱（图8-1）：模具长达4m • 2.加工零件的小型化、高精度，要求级进模制造更加精密 • 电子芯片、集成电路引脚：几十微米（图8-2） • 3.级进冲压的高速化 • ＞1200次/min，最高＞4000次/min 上海理工大学材料科学与工程学院

5. 图8-1　计算机机箱冲压零件 上海理工大学材料科学与工程学院

6. 图8-2　电子芯片的引线框架 上海理工大学材料科学与工程学院

7. 8.1.2 级进模CAD系统的开发状况及发展趋势 • 级进模CAD系统的分类 • 1）在通用CAD系统基础上开发的增强型模块（主流） • 功能强大、开放性好，可直接利用通用CAD系统的功能 • 基于UG NX的PDW • 基于PRO/E: PDX • 基于SOLIDWORKS: 3D QuickPress, logoPress3D • 2）专用的级进模CAD系统（较少） • 以几何图形运算引擎（Parasolid, ACIS)为基础，由它们提供简单的造型功能 • 速度快、性能好、但功能有限 • TopSolid • VisiCAD 上海理工大学材料科学与工程学院

8. 级进模CAD系统的发展趋势 • 1.级进模CAD和CAM的结合日益紧密 • 2.CAE技术在级进模设计中的应用不断深入 • 1）对复杂形状的零件进行展开和中间工序形状设计 • 2）对模具结构进行运动模拟和干涉检查 • 3.知识重用技术的应用日益迫切 • 4.协同设计的需求不断增加 上海理工大学材料科学与工程学院

9. 8.2　级进模CAD系统的组成与实现 8.2.1　级进模CAD系统的功能8.2.2　级进模CAD系统的组成结构8.2.3　级进模CAD系统的实现技术 上海理工大学材料科学与工程学院

10. 8.2.1　级进模CAD系统的功能 • (1)产品模型建立　 • 建立基于特征的几何模型，将冲压产品几何信息输入到计算机内，以便计算机识别产品几何形状，并提供后续工艺和模具设计所需要的几何与非几何信息，以满足工艺、结构设计的需要。 • (2)产品工艺性分析　 • 检查零件的结构尺寸是否在冲压加工所允许的极限值内。 • (3)工艺设计　 • 在产品模型以及工艺性分析的基础上进行毛坯展开与毛坯排样，并完成条料排样，确定各种工艺参数，进行工艺力计算。 • 4)模具结构设计和模具制造　 • 确定模具结构类型，进行模具总装设计，确定各模具零件信息及相互装配关系，绘制模具总装图和零件图，并为NC加工制造提供必要信息。 上海理工大学材料科学与工程学院

11. 8.2.2　级进模CAD系统的组成结构 • (1)图形系统　 • 级进模CAD系统的基础，为级进模CAD系统提供造型功能支持。 • 类型 • 基于通用的造型系统：AutoCAD、NX、Pro/E、CATIA、SolidWorks • 基于几何图形运算引擎：Parasolid、ACIS • (2)应用系统　 • 级进模CAD系统的主体部分，其他系统都围绕着它运行并为其服务。 • 产品定义 • 工艺设计 • 模具设计 • 工程图样生成 上海理工大学材料科学与工程学院

12. 8.2.2　级进模CAD系统的组成结构 • (3)信息系统　 • 由数据库系统与文件系统组成，主要完成两种工作 • 1）存储应用系统中各子系统生成的设计结果信息和中间信息 • 产品信息 • 工艺信息 • 模具零部件及结构信息 • NC信息 • 2）存储应用系统所需的 • 各种设计数据 • 标准化的模具结构和零件信息 • (4)辅助系统　 • 产品展开工具 • 标准件库 • 标准模架库 • 建库工具 上海理工大学材料科学与工程学院

13. 8.2.3　级进模CAD系统的实现技术 1.级进模冲压工艺设计2.级进模模具结构与零件CAD 上海理工大学材料科学与工程学院

14. 1.级进模冲压工艺设计 • 级进模冲压工艺设计的技术路线类型 • 1）以冲压钣金特征为中心（应用较少） • 设计围绕钣金特征及其中间变形过程来进行 • 毛坯展开、条料排样等都以特征为单位进行 • 优点 • 概念清晰、工艺力的计算及子模设计较方便 • 缺点 • 钣金特征难以脱离零件实体独立存在 • 中间变形形状的描述不方便，功能受到限制 • 2）以零件整体为对象（当前主流级进模CAD系统采用） • 每个工位的特征形状以零件整体的形式保存 • 灵活性和功能大大增强 上海理工大学材料科学与工程学院

15. 1.级进模冲压工艺设计 • (1)毛坯展开　 • 将钣金零件展成平面形状，并将其他相关联的特征变换到相应位置，从而获得毛坯形状的过程。 • (2)级进模条料排样设计　 • 在毛坯排样的基础上，根据钣金零件的形状特点，确定逐步冲压成形的加工工艺及顺序。 • 可采用图8-3所示的冲压工艺特征映射进行条料排样设计。 上海理工大学材料科学与工程学院

16. 图8-3　冲压工艺特征映射过程 上海理工大学材料科学与工程学院

17. 2.级进模模具结构与零件CAD • 级进模模具结构的手工设计路线 • 条料排样图 • →总体结构 • →详细设计组成零件 • 自顶-----------------------------→向下 • 级进模模具结构的CAD设计路线 • 条料排样图 • →模具总体结构 • →典型结构库中实例化一个典型结构图 • →详细零件CAD • →零件装配 • 自顶-----------------------------→向下 上海理工大学材料科学与工程学院

18. 2.级进模模具结构与零件CAD • (1)级进模结构的装配模型　 • 级进模零件之间的层次关系（图8-4） • 无法完整描述零件间的复杂约束关系 • 级进模零件之间的约束关系（图8-5） • 在层次模型的基础上，增加零件间的约束虚链，可有效描述零件间的约束和关联 上海理工大学材料科学与工程学院

19. 图8-4　级进模的层次结构 上海理工大学材料科学与工程学院

20. 图8-5　约束关系树模型 上海理工大学材料科学与工程学院

21. (2)总体结构及零件设计 • 级进模零件的分布区域（图8-6）　 • 工作区 • 非工作区 • 总体结构及零件设计 • 工作区内零件的交互设计 • 非工作区内零件及模架的标准化设计 上海理工大学材料科学与工程学院

22. 图8-6　级进模零件的分布特点 上海理工大学材料科学与工程学院

23. (2)总体结构及零件设计 • 1）模架设计 • 根据条料尺寸→从模架库中选择合适的模架模型→实例化处理→插入到相应的位置 • 2）零件设计 • 标准件 • 从标准件库中选择相应的零件→实例化处理→插入到相应位置 • 工作件 • 采用交互式设计 • 3）辅助装置设计 • 从辅助装置库中选择相应的装置模型→实例化处理→插入装配模型 上海理工大学材料科学与工程学院

24. 8.3　级进模CAD开发中的关键技术 8.3.1　级进模设计中的变更及关联技术8.3.2　钣金特征识别8.3.3　零件展开及中间工序的生成8.3.4　级进模结构协同设计技术8.3.5　级进模干涉检查 上海理工大学材料科学与工程学院

25. 8.3.1　级进模设计中的变更及关联技术 1.中间工序形状的关联技术2.冲裁模具结构关联及变更 上海理工大学材料科学与工程学院

26. 级进模设计上下游间的依存关系 图8-7　级进模设计中的变更 上海理工大学材料科学与工程学院

27. 2.冲裁模具结构关联及变更 • (1)冲模关联设计的实现　 • 冲裁凸模主要有简单台阶式、异形带台阶式、直通式等形式；凹模的主要结构形式有整体式、镶套式等。 • (2)冲裁凸凹模结构的设计变更　 • 引起冲模结构发生变化的原因有原始冲压件改变、废料设计改变、条料变化、模架参数调整以及冲裁部件自身的参数调整等，如图9-10所示。 上海理工大学材料科学与工程学院

28. 1)冲裁模参数化模型库的建立：创建模型主要有两种方式。1)冲裁模参数化模型库的建立：创建模型主要有两种方式。 2)废料与冲裁凸凹模的关联：废料的形状决定着凸模和凹模的主要形状，因此需要建立冲裁凸凹模与废料间的关联。 3)冲裁凸凹模长(高)度的确定：冲裁凸模的长度、凹模镶块的厚度以及凹模型腔和落料孔的高度都应与相应模板的厚度保持一致。 4)冲裁部件与废料的位置关联：台阶式凸模的基座、凹模镶块、下垫板和模座中的落料孔与对应废料没有形状关联，但是存在位置关联。 5)冲裁凸凹模的创建流程：对于标准凹模镶块，用户可以设置镶块形状及其他参数等。 上海理工大学材料科学与工程学院

29. 图8-8　凸凹模的结构形式与模型库的映射关系 上海理工大学材料科学与工程学院

30. 表8-1　位置UDO定义 上海理工大学材料科学与工程学院

31. 表8-2　队列UDO定义 上海理工大学材料科学与工程学院

32. 图8-9　冲裁凹模镶块设计流程 上海理工大学材料科学与工程学院

33. 图8-10　设计变更关系流示意图 上海理工大学材料科学与工程学院

34. 图8-11　从条料排样到冲裁部件UDO关联更新流程图8-11　从条料排样到冲裁部件UDO关联更新流程 上海理工大学材料科学与工程学院

35. 8.3.2　钣金特征识别 1.基于图的冲压零件特征表达2.冲压零件特征识别方法与过程 上海理工大学材料科学与工程学院

36. 表8-3　典型钣金特征的图描述 上海理工大学材料科学与工程学院

37. 2.冲压零件特征识别方法与过程 • (1)实体模型的有效性检查　 • 在特征识别时，首先检查实体模型的合法性，实体模型除必须满足拓扑流形的要求，即实体模型不能有悬边和悬面。 • (2)特征的识别　 • 基于图的特征识别方法的基本思想是通过将几何模型中的数据与预定义的特征数据进行匹配，提取出零件特征，然后建立特征模型。 • (3)特征关系的建立　 • 钣金零件中的所有特征都被识别出来以后，还需要建立特征间的关系。 上海理工大学材料科学与工程学院

38. 图8-12　钣金特征识别流程 上海理工大学材料科学与工程学院

39. 表8-4　典型特征的识别算法 上海理工大学材料科学与工程学院

40. 表8-4　典型特征的识别算法 上海理工大学材料科学与工程学院

41. 8.3.3　零件展开及中间工序的生成 1.钣金零件的分类 2.混合形状钣金零件展开的一般流程 3.直线弯曲多步展开技术 4.混合形状零件冲压工艺设计实例 上海理工大学材料科学与工程学院

42. 图8-13　混合形状钣金零件的展开流程 上海理工大学材料科学与工程学院

43. 3.直线弯曲多步展开技术 • (1)弯曲面的分割方法　 • 级进模生产中，由于工艺条件的要求，许多直线弯曲的区域不是一次成形的，而要分多步完成，为了完成这个过程，首先需要对多步成形的弯曲面进行分割，将一个弯曲分为多个，然后分别展开。 • (2)分割工具面创建方法　 • 指定了弯曲面和分割的个数、角度后，需要创建通过弯曲面中心和指定方向的平面，作为分割弯曲面的工具。 上海理工大学材料科学与工程学院

44. 图8-14　弯曲的多步分割 上海理工大学材料科学与工程学院

45. 1)求出选择的所有弯曲面的最大包围盒； 2)求出弯曲面的轴线方向； 3)对弯曲面轴线方向的三个分量求绝对值，选择绝对值最大的方向作为参考方向； 4)过最大包围盒的左下角点、右上角点，以上述参考方向为法线方向，分别求得两个平面； 5)沿弯曲面的轴线方向创建一条无穷长的直线； 6)求此直线和两个平面的交点，以这两个交点为端点，创建一条直线段，作为拉伸的截面线，拉伸截面线的生成方法如图9-15所示。 上海理工大学材料科学与工程学院

46. 图8-15　拉伸截面线的生成方法 上海理工大学材料科学与工程学院

47. 图8-16　接插件零件的分区 上海理工大学材料科学与工程学院

48. 4.混合形状零件冲压工艺设计实例 • (1)直线弯曲的多步展开　 • 该接插件的前端有两个180°的弯曲，在级进模生产中，这种180°弯曲一般分三步成形：90°弯曲，侧面推弯，最后压平。 • (2)自由形状的展开　 • 对于自由形状实体，采用有限元模拟算法，其展开过程如图8-18所示。 上海理工大学材料科学与工程学院

49. 图8-17　180°弯曲的展开过程a)拍平　b)推弯　c)90°弯曲　d)毛坯图8-17　180°弯曲的展开过程a)拍平　b)推弯　c)90°弯曲　d)毛坯 上海理工大学材料科学与工程学院

50. 图8-18　自由形状实体的展开过程a)原始实体　b)展开的毛坯轮廓　c)创建的毛坯实体图8-18　自由形状实体的展开过程a)原始实体　b)展开的毛坯轮廓　c)创建的毛坯实体 上海理工大学材料科学与工程学院