（材料加工工程专业论文）基于二维工程图的板金零件毛坯展开方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 板金零件毛坯展开作为冲压工艺设计的重要组成部分，对模具设计质量具有重要 的影响。迄今已有不少的毛坯展开算法，但主要都是针对拉深件而言的。其中，反向 法虽然能对弯曲件进行展开，却有很大的局限性。目前的c a d 系统对板金零件的展开 多是在三维造型的基础上进行的，而对于复杂的零件，其造型本身就是一个难点。本 文通过分析板金零件的形状特点及其二维工程视图的描述特点，提出了在二维零件图 基础上，通过提取特征进行板金零件毛坯展开的方法。 文中首先分析了板金零件形状特征，并根据其成形特点，将特征分为主特征、辅 助特征、连接特征和截面特征，其中截面特征是板金零件的二维描述特征，能很好地 描述其它形状特征的位置关系。 在二维工程视图中，弯曲、拉深等形状都是通过其截面特征来描述的，所有截面 特征是由一组相连的不封闭截面线组成，且都在相应的视图中被表示出来。展开板金 零件，实际上就是要展开弯曲及拉深成形部分形状，其它非变形或小变形特征如平面、 局部成形等，可根据弯曲和拉深展开结果，将其变换到相应位置。因此，实现基于二 维工程图的板金零件展开，关键是确定弯曲特征截面和拉深特征截面，以及截面的展 开。作者采用相切法获得弯曲截面和拉深截面；然后采用基于中性层的计算方法展开 弯曲截面，采用基于久里金法和面积相等的方法展开拉深截面；最后通过点定位、线 定向的方式，将其它非展开特征变换到相应的位置，并将相关形状拼合在一起获得最 终的毛坯形状。 根据上述理论与方法，作者在a u t o c a d2 0 0 0 的基础上开发出的毛坯展开系统，有 效地解决了从二维工程视图直接进行毛坯展开计算的问题，减少了三维零件造型的过 程，提高了设计效率。 关键词i 板金零件，毛坯展开，截面特征，a u t o c a d 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fd e s i g n i n gs t a m p i n gp r o c e s s ，b l a n ke x p a n d i n go fs h e e tm e t a l p a r th a sag r e a te f f e c to n t h eq u a l i t yo f s t a m p i n gd i e s s of a r , m a n yd i f f e r e n ta l g o r i t h m sf o r t h eb l a n ke x p a n d i n gh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d ，h o w e v e r ，t h e ym a i n l yf o c u so nc a l c u l a t i n g t h eb l a n ks h a p eo fs h e e tm e t a lp a r t sw h i c ha r ef a b r i c a t e d 、i t hd r a w i n gp r o c e s sa n dh a v e s o m el i m i t a t i o n sb e c a u s et h e yd e p e n do n3 dm o d e l i nt h i sp a p e r , t h em e t h o d o l o g yo f d e v e l o p i n g as h e e tm e t a l p a r tb a s e d o n2 dm o d e li sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ed e f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs h e e tm e t a lp a r t s ，t h ef o r mf e a t u r e so f s h e e tm e t a lp a r t sa r ec l a s s i f i e di n t om a i nf e a t u r e ，a d d o nf e a t u r e ，c o n n e c t i o nf e a t u r ea n d s e c t i o nf e a t u r e i nw h i c h ，t h es e c t i o nf e a t u r ei su s e dt od e s c r i b et h e d e f o r m i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep o s i t i o nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eo t h e rf o r mf e a t u r e so fas h e e t m e t a l p a r t g e n e r a l l y , i fas h e e tm e t a lp a r t i s r e p r e s e n t e di n2 dd r a w i n g ，i t ss h a p e si sm a i n l y d e s c r i b e dw i t l lag r o u po fs e c t i o nv i e w sa n dp r o f i l ev i e w s t h e s ev i e w sc a nr e p r e s e n tt h e s h a p eo f e a c hf o r mf e a t u r ei nd e t a i l a n ys e c t i o nf e a t u r ec a nb e e a s i l ye x t r a c t e do u t f r o ma s p e c i f i cs e c t i o nv i e w , w h i c h i sc o m p o s e do fas e to f s m o o t h l yc o n n e c t e da n dn o n - c l o s e d2 d c u r v e s e x p a n d i n gas h e e tm e t a lp a r ti sa c t u a l l yt od e v e l o pt h eb e n d i n ga n dd r a w i n gi m o f i a ts h a p e ，a n dt or e p o s i t i o nt h eo t h e rn o n - f o r m i n gf e a t u r e so rl o c a lf o r m i n gf e a t u r e si n t o c o r r e s p o n d i n gp o s i t i o n s t h e r e f o r e ，t h ek e yt e c h n o l o g yo fo b t a i n i n gt h eb l a n ks h a p eo f s h e e tm e t a lp a r tb a s e do n2 d d r a w i n g i st oe x t r a c tt h eb e n d i n gs e c t i o nf e a t u r e sa n dd r a w i n g s e c t i o nf e a t u r e s ，a n dt h e nt od e v e l o pt h e s es e c t i o nf e a t u r e s t h es e c t i o nf e a t u r e sc a nb e e x t r a c t e db yt r a v e r s i n gt h er e l a t e dc u r v e sw h i c hs m o o t h l yc o n n e c te a c ho t h e r a st ot h e e x p a n d i n go fs h e e t m e t a lp a r t s ，i tc a nb ed o n eb a s e do nn e u t r o s p h e r ec a l c u l a t i o nf o r b e n d i n gf e a t u r e sa n ds t a t i ct o r q u ep r i n c i p l ef o rd r a w i n gf e a t u r e s t h eo t h e rn o n - e x p a n d i n g f e a t u r e sc a nt h e nb et r a n s f e r r e di n t oc o r r e s p o n d i n gp l a c e sa c c o r d i n gt ot h ee x p a n d i n gr e s u l t a n dt h ep o s i t i o n r e l a t i o n s h i p b a s eo nt h em e t h o d sd i s c u s s e da b o v e ，t h em o d u l eo f d e v e l o p i n gs h e e tm e t a lp a r t sh a s b e e ni m p l e m e n t e du n d e ra u t o c a d 2 0 0 0p l a t f o r m t h i sm o d u l ec a nh e l pu s e rd i r e c t l ya n d e a s i l ye x p a n d as h e e tm e t a l p a r tw h i c h i sr e p r e s e n t e di n2 d d r a w i n g k e y w o r d s ：s h e e t m e t a l p a r t ，b l a n k , s e c t i o nf e a t u r e ，a u t o c a d i i 华中科技大学硕士学位论文 i 绪论 本章概述了开发板金零件毛坯展开系统的目的和意义，综述了板金零件毛坯展开 算法的发展概况、存在的问题及发展方向，最后，介绍了作者的研究工作和意义。 1 1 引言 模具工业是国民经济的基础工业之一，它作为许多工业部门生产的基础工艺设备， 直接制约着产品的质量和新产品的开发。冲压模由于它的高生产率，在轻工业、电子、 汽车和航空航天等行业中得到越来越广泛的应用。随着制造业及高新技术的不断发展， 以及高科技产品不断涌现，上述行业中各类板金零件的形状越来越复杂，质量和精度 要求越来越高，更新换代速度也越来越快。因此，如何提高板金零件的设计效率、缩 短板金零件的制造周期，已日益成为相关企业的一个紧迫课题。将计算机辅助技术应 用到板金零件的设计与制造中无疑能大大缩短了相关产品的开发周期、增强了企业的 r 1 0 1 市场竞争力。 毛坯形状作为冲压成形的一个重要参数，直接影响到成形零件的质量。合理地选择 板金零件的毛坯外形，除可以提高板料的可成形性，还可以提高材料利用率，减少成 形后的修边工作量。毛坯外形的确定问题早于上世纪5 0 年代就己提出。3 ，许多研究者 提出了多种板料成形毛坯计算方法。但是这些方法在实际使用中仍然存在一些问题， 因此。结合冲模c a d 系统的开发，需要进一步研究更加快捷、简便的展开方法。 1 2 板金零件展开方法综述 板金零件是由平板毛坯成形而得到的，采用恰到好处的毛坯不仅能节省原材料， 减少成形后的修边工作量，而且是改善成形条件和提高成形质量的有效手段。人们对 确定板金成形件的毛坯外形在某些方面( 如平底压延件的展开) 取得了良好的进展。 但由于毛坯外形的确定涉及到材料的流动规律等复杂因素，特别是几何形状复杂的 华中科技大学硕士学位论文 ( 非轴对称旋转体或非平底压延等) 板金零件，要完全精确地测算其毛坯形状是极其困 难的。迄今为止，还没有一种精确的、通用的计算方法。毛坯外形的确定是板料成形 技术发展的一项不可或缺的技术，也是工艺设计的一个重要环节。不同毛坯外形的确 定方法是以适应不同形状零件的需要而提出的，早期提出的有查图和查表法、实验逐 次逼近法、拼合法、滑移线场法和几何映射法，近期提出的方法有有限元法。这些计 算方法各有差异，反映了人们对毛坯展开计算方法研究的不断深入过程。随着计算机 应用和计算机辅助技术的迅速发展，板金零件展开毛坯的计算也由传统的经验图解法 发展为计算机辅助完成的计算法。 1 2 1 逐次逼近法 该方法最早由f i n c h ”。提出，主要用于盒形件的毛坯外形确定，步骤为：首先取 一印有坐标网格的一定形状的毛坯作初始毛坯，将其压延成适当高度的零件，观察凸 缘外边缘处材料，分析判断出多余材料的位置，在下一次毛坯上将该部分切除，接着 用经过第一次切除的毛坯外形作为本次毛坯的初始形状，重新压延，观察并切除余料， 如此循环往复，直至获得满意的结果。从其步骤可知，该方法人力和物力消耗大，而 且应该切除的余料部分，难于定量把握，使用该方法效率低。 1 2 2 拼合法 拼合法在1 9 4 7 年由b h 3 b o p o h o ”。提出，最初主要是为了确定方矩形件的毛坯外 形，毛坯各部分的面积是根据压延件相应部分面积相等的条件确定的。其展开原则为： 直边部分按弯曲变形展开的长度进行计算，圆角部分按四分之一圆杯压延变形展开计 算毛坯半径，然后用圆角光滑棱角，连接过渡区即得到毛坯形状。拼合法对压延过程 中凸缘材料流动的非连续性组合假设和整体转移假设，使得此方法要得到较高的准确 度，就必须假设对应的零件尺寸尽可能地缩小，而这种假设与实际是不相符的。 1 2 3 滑移线场法 滑移线法是5 0 年代前苏联的楚达列夫“1 提出来的，它的提出第一次给毛坯的求算 找到了理论依据。滑移线场法是利用滑移线的物理意义，即与主应力迹线成4 5 。夹 2 华中科技大学硕士学位论文 角的方向，绘出每点的两个最大剪应力方向并作包络线，则可得到两组互相正交的， 表示最大剪应力方向的迹线，这样的两组曲线在x 、y 平面上形成一个曲线网称为滑 移线，如图卜1 所示。当物体处于屈服状态时，各点的最大剪应力达到k 值，塑性变 图i - 1 滑移线法求解毛坯图 形就沿着这些曲线进行滑移。加拿大麦克麻斯特大学( m c m a s t e ru n i v e r s i t y ) 开发了 按滑移线场理论计算毛坯外形的计算机程序。使用该程序时，先定义由若干段圆弧、 直线构成的平底外形，计算机将平底外形和滑移线场显示在屏幕上，再向计算机输入 压延高度参数，程序自动计算并显示出毛坯形状”1 。此计算方法在平底零件或拉深高度 相等的情况下可取得很好的效果。滑移线场法有一定的力学理论依据，利用滑移线的 物理意义进行计算，易于计算机实现，简便快捷，值得在实践中推广使用，但其适用 范围的狭窄。由于滑移线场法仅适用于理想刚塑性体的平面应变问题及主应力互为异 号的平面应力状态问题”。( 板料成形的凸缘部分) ，故只适用于乎底零件和弯曲或拉深 高度相等的情况，对于更复杂的非平底件或拉深高度不等的情况无法处理。另外，与 板料成形中计算机辅助的其它环节缺乏有机的联系，而显得比较单一。各国学者都在 不断地完善此方法，文献“对具有任意突缘的拉伸件，利用滑移线法的改进方法，以 克服此方法的局限性。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 4 物理模拟法 模拟法是8 0 年代出现的一种求算毛坯的方法，它是在一定的假设条件下，通过 相似理论，采用其它物理介质构成的模型来模拟板料凸缘的金属流动，模拟法适应任 何边界形状问题，比较有代表性的方法是电模拟法、热模拟法和势流场模拟法“。 电模拟法假设拉延成形的金属薄板为不可压缩的平面各向同性刚塑性体，拉延成 形中，突缘变形区材料在径向拉伸应力的作用下向凹模模腔内塑性变形流动，理论上 能证明：突缘变形区材料的这种流动与相似区域、相似边界条件的纯粘性流动或电流 的流动是相似的。因此，可用电模拟法确定出形状复杂的拉延成形零件的展开坯料形 状。 热传导模拟法假设以下几点成立：1 ) 薄板材料在塑性变形过程中厚度不变。2 ) 材料各向同性。3 ) 不考虑摩擦对材料变形的影响。4 ) 材料为理想刚塑性体。在上述 假设条件下，拉延成形坯料的突缘金属塑性流动满足下列的变形协调微分方程2 t = 0 ，传热学中，二维无内热源稳态热传导微分方程是2 om = o ，两式具有相同的数学 表达式，根据相似理论，只要使两者几何相似和边界条件相似，就能够用热传导温度 场来模拟薄板拉延成形中突缘金属流动的平面应力场，从而确定毛坯的初始形状。 势流场模拟法假设坯料拉延成形中的突缘变形区处于平面应力状态，材料在板平 面内各向同性并具有线性应力应变关系。根据这些假设可得到突缘变形的金属流动与 势流场流动的相似性，用势流场模拟法确定出形状复杂的平底拉延成形件展开坯料形 状。以上三种物理模拟法的基本原理是：运用有关的模拟和相似理论，加之对突缘变 形区材料的应力应变分析等，建立对应于不同模拟方法的坯料展开形状及尺寸的计算 方法或实验手段。此类方法简化了金属塑性变形问题，利用相似性进行计算模拟，优 点是易于编程实现，进行计算机辅助模拟，所获结果比较准确，易于在生产中推广使 用。但其缺点是适用范围的局限性，只适用于各向同性板料的平底零件坯料确定，对 其它类型的板料零件无法展开。 1 2 5 几何映射法 g e r d e e n 和s o w e r b y 在1 9 8 2 年提出和发展几何映射法是根据投影原理，遵从面积 4 华中科技大学硕士学位论文 不变原则，将置于零件表面的空间曲面三角形展开在平面上，以近似确定坯料外形及 尺寸”。此方法利用参数双三次样条曲面描述板金零件，特别是对复杂形状零件的曲 面描述，即给定空间m x n 个点，样条曲面由( m 一】) ( n 一1 ) 块曲面片构成。每块曲面 片的方程为p ( u ，w ) = u ) t m b 蝴t w ) ，各曲面片的差别仅在于b 中各矢量值的不 同，再求出各曲面片的四条边界曲线。确定四条边界弧长，将边界曲线“拉直”，即依 据原来的首尾连接关系影射到平面上，该四边形实际是一个平面上的框架，其夹角可 变，并且四边形的面积也随夹角而变化，见图l 一2 。根据板料成形理论中面积不变的 y n k y n k jm x ( b ) l h 3 j 氏 p 2 口l 芝7 t j mx ( d ) y n k 】m x ( c ) ， p 2 、 p l p 3 、 圈1 2映射方法原弹 x 移m ( 华中科技大学硕士学位论文 基本假设确定平面四边形的最终形状。最后再将这些平面片按其在曲面上的拓扑关系 ( 即彼此间的邻接关系) 拼合得到零件的毛坯外形踟。此方法虽然也是近似方法， 可计算任意复杂形状的零件展开毛坯形状，又能与曲面描述方法和有限元分析结合， 有利于统一考虑和统一处理板料成形中的计算机辅助。但计算方法只考虑了面积不变 假设，如果对该方法进行更精确的修改，则要从有限元分析的结果中取出厚向应变， 再按变形前后体积不变的公式确定四边形的面积。虽然几何映射法比经验法的适用范 围要广，但由于未考虑到材料性能和工艺条件，所以计算精度较差。 1 2 6 增量有限元法1 3 】1 4 板料成形过程中金属的塑性流动受模具形状、润滑条件和毛坯形状等因素的影响， 而前述四种方法没有考虑模具形状和润滑条件的影响。增量有限元方法正是全面考虑 了各种因素的影响，因此也是最精确的方法。但是增量有限元方法需要很长的计算时 间，由于接触边界条件处理的困难，计算模型十分复杂，计算的收敛性受到很大的影 响。同时，增量有限元法必须先假定一个毛坯形状才能开始计算，然后根据计算结果 对毛坯形状进行修正，这更加长了设计周期。 1 2 7 有限元反向模拟法 反向法是从给定的最终零件的形状尺寸和过程条件出发，沿着与冲压成形过程相 反的方向求解毛坯形状。已知变量是最终状态的几何形状和初始状态的厚度，未知变 量是初始状态的形状和最终状态的厚度，目标函数为塑性势能函数，求得目标函数的 最小值即可求得未知变量值。反向法中的难点是目标函数的建立，国内外在这方面的 研究处于初期研究阶段，l e e 1 7 和b a r l a t 1 8 1 9 都在这方面进行过研究，两者都作 如下假定；采用三角形薄膜单元，大的弹塑性对数应变，厚向异性和塑性全量理论。 b a r l a t 方法是基于理想成形理论最优化总的塑性变形功，结果较为粗略。而l e e 的方 法中把摩擦力、压边力和拉延筋所做的功都考虑迸了目标函数中。但在l e e 和b a r l a t 提出的方法中都只采用了简单的三节点三边形薄膜单元，而且假定变形前后板料厚度 和面积都不变化，基于全量理论，这些与实际变形情况是不符合的，所以计算结果都 比较扭糙t 6 华中科技大学硕士学位论文 反向法( 即一步法) 是根据板料弹塑性成形理论来决定初始毛坯形状。从产品的 形状c 出发，将其作为变形终了时工件的中面，对其离散，通过有限元方法确定在满 足一定的边晃条件下工件中各个结点p 在初始平板毛坯c o 中的位置昂“。比较平板 毛坯和工件中节点的位置可得到工件中应力、应变和厚度的分布，由以上的分析可知， 通过反向方法可以得到离散了的工件上各个结点在毛坯上的位置，工件轮廓上结点在 毛坯上的位置也就构成了毛坯的轮廓。由于金属流动规律的复杂性及各因素相互之间 关系难以定量把握，且冲压成形的应力应变分析是涉及物理、几何和边界条件的三重 非线性复杂问题，要完全精确地计算毛坯形状还需要不断进行深入的理论研究。 1 2 8 板金零件毛坯展开算法研究存在的问题 随着计算机应用和计算机辅助技术的迅速发展，板金零件展开毛坯的计算方法在计 算速度、计算的准确性等方面有了很大的提高，但是上述计算方法或多或少的存在下 列问题： ( 1 ) 对零件的毛坯展开具有定的局限性，只能对某种零件适用：例如滑移线法 只适用于平底零件和弯曲或拉深高度相等的情况；物理模拟法只适用于各向同性板料 的平底零件坯料确定，对其它类型的板料零件无法展开。 ( 2 ) 假设的条件不成立或难以满足，例如拼合法对压延过程中凸缘材料流动的非 连续性组合假设和整体转移假设，使得此方法要得到较高的准确度，就必须假设对应 的零件尺寸尽可能地缩小，而这种假设与实际是不相符的。 ( 3 ) 计算复杂，消耗的时间长，例如增量有限元法。 ( 4 ) 上述方法除反向法外均用于拉深件毛坯展开，而反向法虽可用于弯曲件展开， 但对于多道工序成形的弯曲件目前还不能进行展开，同时需要应用三维软件进行构型。 由于还没有一个比较通用的方法能计算不同板金零件的毛坯，已有的方法由于对 材料的性能和边界条件考虑较少，所以得到的毛坯也是比较近似的。一个完善的毛坯 设计方法应具有以下的特征： ( 1 ) 通用性。应该不受制件形状的影响。 ( 2 ) 准确性。设计出的毛坯应该在相应的工艺条件下能加工出满足质量要求的制 件。因此，毛坯设计要和其它工艺和材料性能相结合。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题的目的、意义及主要研究内容 1 3 1 课题的目的、意义 随着冲压模在轻工业、电子、汽车等行业中越来越广泛的应用，其设计、制造周 期成为急需解决的问题。采用c a d c a m 技术是解决这些问题的一个重要手段。研究和 开发冲压模c a d c a m 系统对于提高模具设计制造水平、缩短产品周期、增强企业竞争 力都有很大的促进作用。 冲压模具c a d 主要由板金零件产品构型、冲压工艺设计、结构设计和标准件库四 部分组成。冲压工艺设计包括零件的工艺性分析、零件展开、毛坯排样、工序设计或 条料排样等部分。 对于拉深件来讲，求出其展开毛坯，是分析板金零件变形程度，设计工艺及拟订 工艺规程的前提。如果毛坯形状合适，变形沿毛坯分布不均匀的现象能够得到明显改 善，成形极限也可有所提高，并能降低突耳高度，减少切边余量“。此外，采用合理 的毛坯形状，往往能够使某些需要二次拉深才能成形的制件，用一次拉深便可达到制 件要求的高度。对于弯曲件只有计算出精确的毛坯形状才能保证获得精确的制件，而 对于不规则的板金零件，由于其形状复杂，不可能用解析法精确获得它的毛坯外形， 因此求解毛坯展开形状成为冲压工艺设计中的一个重要而亟待解决的问题。 前述的所有毛坯展开计算方法都是基于板金零件的三维模型。然而，目前大量的 冲压模具设计工作却仍是基于二维工程图纸。因此，研究如何直接在板金零件的二维 模型基础上展开板金零件，即是本课题的研究目的所在。 本课题是武汉市无线电器材厂国家产业化示范项目的一个重要组成部分。 1 3 2 本课题的主要研究内容 作者的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析现有板金零件的毛坯展开方法，研究基于二维工程视图的毛坯展开方法： ( 2 ) 针对板金零件形状特点，总结分类板金零件的形状特征： ( 3 ) 研究各类板金零件特征的描述方法，及其展开算法： i 盟基王趔! 堕业2 1 q q 的珏蕉壬鱼! 受剑五筮垂坯屋五蕉基! 暑 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 板金零件形状特征的分类 板金零件一般具有空间不规则性，难以用一组规则表面集经过并、交、差等布尔 运算来构造。即使用一般的几何造型方法完成板金零件的造型，不但造型过程复杂， 而且产生的三维零件模型展开处理也较困难。若能从二维模型直接生成零件毛坯图， 则可减少几何造型的过程。由于不同的变形特点，其展开方法亦有很大的不同，因此， 在研究板金零件展开方法之前，需首先对板金零件的形状特征进行分类。 2 2 板金零件的形状特点分析 板金零件一般是由平板或带料毛坯经过拉深、弯曲和冲切等加工工序加工而成。 对于一个复杂的板金零件，需要经过多次成形、冲切等加工步骤，才能逐步由毛坯加 工出零件。不同的加工方式会产生不同的形状。如果将板料的厚度抽象为零的话，则 可把板金零件看成是由一非封闭的有界表面集构成的，这些表面集一般包括平面、弯 曲面、拉深面等。板金零件上相关联的表面，由于加工工艺上的要求，一般必须圆滑 连接。此外，从板金零件的变形特点来看，弯曲变形及拉深变形是产生板金零件复杂 空间形状的主要变形方式，而其它变形方式一般只是在板面上产生凸起、凹陷、缺口、 孔等局部形状。板金零件的这些特点，是面向冲压加工，对板金零件的形状特征进行 分类的依据 2 1 2 2 2 引。 2 3 特征的定义 基于特征的设计，简称特征设计。特征的概念最初是从制造工艺中引出的，现已 广泛用于其它应用领域。特征可以贯穿于产品设计、工艺过程设计、夹具设计、n c 加 工、自动检测以及装配等全部开发过程2 引。在特征技术从无到有，发展至今的短短 9 华中科技大学硕士学位论文 2 0 多年历史中，由于学科领域和研究对象的差异，学者们对特征所下的定义也各式各 样2 1 2 副。迄今为止，特征在c a d c a m 范畴内仍然没有统一的严格定义，多数研究者 都是从特定的角度给特征作一抽象的定义。 从几何角度，有如下几种定义： ( 1 ) 特征是零件表面上的有意义的区域26 | ； ( 2 ) 特征是零件模型中具有特定含义的部分 2 7 ； 而从应用的角度，则有如下几种定义： ( 1 ) 特征是与基本机加工操作相对应的几何元素捌； ( 2 ) 特征是工件上一独特部分，它或者与特定的机加工工艺对应，或者与装配测量 要素相对应2 钔。 关于特征的更一般的定义有： ( 1 ) 特征是与零件描述相关的信息集合3 们； ( 2 ) 特征是用于设计、分析、评价的信息单元28 1 ： ( 3 ) 特征是用于设计和制造活动的某种功能形状 3 1 。 目前，将特征理解为形状与功能的组合3 副，可在一定程度上得到多数研究者的认 同根据对已有特征定义的分析可看出，特征术语自身包含三方面的涵义，即：1 ) 特征 是对象的一部分：2 ) 这个部分具有区别于对象其它部分的独特性质：3 ) 特征也可以出 现在各种对象中，并且对每一对象都具有特定的含义。以上给出的特征定义即是特征 这一术语在不同工程应用中的局部映射，是对产品定义数据的抽象。综合这些特征定 义，不难发现它们基本都包含( 或者部分包含) 以下三个方面的内容“。： ( 1 ) 特征可映射成抽象的形状要索，它是由一组几何实体按特定的拓扑关系组成 的形状要素，如孔等； ( 2 ) 特征具有特定的工程语义，如设计、分析、加工等语义； ( 3 ) 特征表达了语义与形状要素间的关系。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 从上述特征定义可看出，语义信息是特征的基本信息，是进行特征分类的基础， 同时它又依赖于形状要素而存在。由于无论是设计还是制造，形状特征都是人们所关 心的主体，而其它特征则是对形状特征或者由形状特征所构成零件的属性描述，它们 与形状特征的几何实体相关联。因此可以说形状特征是其它特征信息的载体。而其它 特征或依附于形状特征，或是对形状特征语义信息的进一步补充。 据此，作者给出的特征定义如下： 特征是零件上的具有特定形状和功能语义的组合实体。 本文将以这个定义为基础，对板金零件的形状特征进行相应的分类。 2 4 板金零件形状特征分类 对特征分类实际上也就是对产品信息的分类抽象过程。由于在产品生命期的不同 应用活动中，人们所感兴趣的产品信息是不同的，因而也就存在着不同的特征分类。 在形状要素层次上仅处理形状的分类，它可以按照造型方法或几何实体的拓扑结 构进行分类，而在语义层上则是针对各种应用活动作相应的语义分类。 在不同的应用活动中，人们所关心的形状要素是不同的。从机加工角度，设计者 所关心的是能实现某种工艺要求的形状；而从设计角度，设计者关心的是实现某种功 能要求的形状。因此，在进行特征分类时，应首先从语义角度对特征进行分类，然后， 根据语义分类结果，确定满足相应语义要求的形状要素及其分类结构。根据特征在产 品定义中的不同语义特点，特征可以进一步分为形状特征、精度特征及材料特征等“。 在板金零件毛坯展开过程中，作者主要关注的是其中的形状特征。 对零件的形状特征分类的目的是为了便于特征的识别、变换和管理。通过对板金 零件的特点分析可知，板金零件的形状特点实际上可由其变形特点所决定。因此，从 板金零件的变形语义角度对板金零件的特征进行分类，可以在不失分类的一般性的同 时，为板金零件的设计特征向冲压工艺特征映射提供一种实现机制。图2 1 所示，即 是从变形语义角度对板金零件特征进行分类的层次结构”。其中，主特征是板金零件 的主要结构，表示板金零件的总体形状；辅助形状特征是用于描述零件的局部形状特 壶! 星塑圭壁堑鲎堑堡垂塑二耋鳖堑：鱼堑塑垫鲎堡墨复金壁堑! 基主! 堕垫簦堑墨 华中科技大学硕士学位论文 对主特征局部形状的描述，复合特征是指附加特征按一定的方式组合而成的特征；连 接特征用于描述板金零件各组成部分之间的连接，也就是描述主特征间以及主特征与 附加特征之间的连接特点；截面特征则是表示板金零件在某一截面方向上的形状特点 的特征，它可用于确定其它类型特征的空间位置关系。这些特征还可以进一步分类出 相应的子类。 图2 1板金零件的特征分类 ( 1 ) 主特征 主特征是用于构造板金零件总体形状的一类特征，表达了板金零件的主要形状， 包括平板和成形面。其中，平板表示零件上的平面部分形状，成形面表示零件上由拉 深变形所产生的形状。 ( 2 ) 辅助特征 辅助特征是用于描述零件局部形状的一类特征，表达了板金零件的局部形状，是 对零件主要形状的补充，包括附加特征和复合特征。最简单和最常用的附加特征是孔， 其它的附加特征包括凸起( 包括筋、压印等局部成形) 、切口、翻边和卷圆等；复合特 征是由一组简单特征按一定结构关系组合在一起所构成的特征，有两种类型，一种为 不同种类的附加特征按一定的关系组合而成的特征，如压陷和孔的组合，另一种为相 同类型的附加特征形状特征按一定的阵列模式组合而成，如矩形阵列、圆形阵列等， 它们位于或者附加在主特征之上。合理地使用复合特征可以更明确地表示零件的变形 1 2 华中科技大学硕士学位论文 特点及其相关语义信息，且还可方便用户的操作，简化特征的描述。 ( 3 ) 连接特征 连接特征是用于将主特征和附加特征等特征连接在一起的一类特征。描述了板金 零件各组成部分之间的连接，也即描述主特征间以及主特征与子特征间的连接特点， 如弯曲连接和过渡连接等。 ( 4 ) 截面特征 截面特征包括弯曲截面特征、成形截面特征和分段变形截面特征。其中，弯曲截 面特征描述了零件弯曲变形特点的截面形状；成形截面特征描述了零件拉深变形部分 的截面形状：分段截面特征则描述了零件上邻接在一起具有不同变形特点部分的截面 形状。虽然，截面特征不是构成板金零件形状的特征实体，但它从某一侧面反应了板 金零件的形状及其变形特点。 引入截面特征主要是基于以下考虑： i ) 将截面特征和主特征、辅助特征、连接特征并列起来，是由于截面特征是从以 上几种特征中综合提取出来的，和上述特征相辅相成，能很好的表达上述特征在零件 中的变形特点和空间位置关系。它为实现基于二维模型的毛坯展开计算奠定了信息基 础。 2 ) 通过截面特征，板金零件在厚度方向上的形状变化或有关约束信息可得到恰当 的表达，因为截面特征不仅反映了自身的形状特征，也是定位其它形状特征的基准。 因此，通过截面特征能较好地描述板金零件的几何与约束信息。 3 ) 弯曲变形是导致板金零件复杂空间位置关系的主要因素之一，弯曲截面能很好 地描述这种复杂的空间位置关系。截面上的特征线素与上述特征间存在着一定的对应 关系，如弯曲截面上的直线与平面特征间的关系，见图2 2 。在拉深变形中，圆筒形 拉深截面上的直线与拉深直壁的关系，见图2 3 。特别是对于弯曲截面，其截面线的 展开可以得到毛坯在长度方向上的值，并通过该截面来定位其它的形状特征。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 2 弯曲截面图图2 - 3 拉深截面图 4 ) 三视图是产品在三个视角方向上产品形状特征的反映。因此，毛坯展开可以根 据二维的三视图来进行，在三视图中，所有的截面特征是由截面线组成的。在毛坯展 开过程中，从二维工程图中提取弯曲件、拉深件的特征截面，是对其它非变形特征进 行拼合的基准。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 基于二维工程视图的板金零件展开方法 在第一章中，作者阐述了现有的毛坯展开计算方法，总结了这些算法的优缺点， 由于这些算法无法直接从三视图生成零件展开图，为此研究基于二维工程视图的板金 零件展开方法具有一定的意义。作者通过分析总结板金零件的形状特点，及其在二维 工程视图描述方法，认为通过板金零件的截面特征，可方便地获得板金零件的展开形 状。 3 2 板金零件的二维工程图描述特点分析 二维工程图通常是由某些方向的正投影图及相关的符号和文字组成。通过分析板 金零件的变形特点及二维图形的投影规则，可f x n - - 维工程图对板金零件的描述有如下 特点： ( 1 ) 弯曲、拉深等形状都是通过其截面形状来描述的。二维工程视图中的各个视 图是零件在不同视角上的投影，因此反映零件变形特点的拉深、弯曲等形状特点必在 某个视图上反映出来，该视图反映了弯曲、拉深形状的截面。图3 一l ( a ) 为一弯曲件 的右视图，该视图描述了弯曲变形的截面形状；图3 1 ( b ) 所示是一旋转体拉深件的 二维工程视图，该视图是任意通过拉深件轴心线的截面，该截面完整的表达了组成拉 深件的法兰、壁部和底部及材料厚度等拉深形状信息。可见，弯曲、拉深的形状都是 通过二维工程视图中的截面来描述的。 ( 2 ) 零件中每个特征的边界轮廓都在相应的视图中得到表示。根据投影规则可知， 在二维工程图中，每个特征的不同视图描述其不同方向的边界轮廓，它们可完整地描 述特征形状。1 ) 平面特征：在描述截面的视图中为一条直线段，但是在另外的视图中 则为平板特征的轮廓边界。如图3 1 ( a ) ，在侧视图中线段e f 是平板特征的截面描述， 它实际上确定了该平板特征的空间位置，或与其它特征间的关系。而俯视图则描述了 华中科技大学硕士学位论文 平板特征的边界形状。2 ) 拉深特征：对于旋转体拉深件，过中心轴的任意截面将完整 的表达零件的形状，其截面形状就是旋转体的母线，如图3 - 1 ( b ) ；对于盒形件，垂 直于主视图的截面的边界轮廓通过俯视图表示了出来，如图3 一l ( c ) 所示。 一诗一 斛 ( a ) r 亡= 刮 ( b )( c ) 图3 - 1 三视图的投影关系 ( 3 ) 特征的约束分成尺寸约束和拓扑约束两大类 3 6 】。尺寸约束用于描述几何元素 的形状、位置和方向等度量信息，如：角度、长度、半径等。拓扑约束则用于描述几 何元素之间的连接、相互位置等拓扑关系，如：相切、平行、垂直、对称等。通过这 些信息可以较好的确定各个特征在零件中的相对位置关系。 3 3 基于二维工程视图的展开方法 对于板金零件而言，主要是展开弯曲及拉深成形部分的形状，其它非变形特征和 小变形特征如平面特征、局部成形特征等，可通过截面展开结果将其变换到相应位置。 因此展开零件的弯曲、拉深特征是关键。在二维工程视图中，拉深、弯曲的形状特征 都是通过其截面形状来描述的。可见，要进行毛坯展开，首先要解决截面搜索问题， 然后再进行其它特征定位与拼合。为方便搜索截面形状并构造截面特征，特给出如下 基线和基视图的定义。 基线：基线是截面上的一条直线，是进行截面线搜索的基础，该基线在截面展开 1 6 印回 墒0 ，一 一 华中科技大学硕士学位论文 时，位置不变。基线的选取多凭经验决定，因为它实际上对应板金零件上的基准面， 该面在加工成形时贴在凹模面上。 基视图：基线所在的视图。它在展开过程中建立视图间联系时起到重要作用。 下面将以图例来说明如何在二维工程图中选取基线、基视图，以及如何确定截面 线元素与其它特征的关系。 如图3 - 2 所示，该图是个复杂的弯曲件，有两个方向的弯曲。其弯曲变形特点 是通过主视图上的截面线及两个剖视图来描述的。若将c 、d 两端点连接，并将该线 段作为基线，而后自动拾取h g c d k e f 为基线族。并给基线族分别添加与其绑定在一 起的图形数据，比如：在d k 线段上帮定a b g h d c ，在e f 上绑定e - f ，这样 在基线族展开时这些绑定的图形随对应的基线作相同的变换。由于d c t 随基线族变 换，则在展开i m j 截面时也非常容易确定其在展开图中的相对位置；同理，b b 截 面展开后也随e f 的定位而定位。 a b b b 图3 - 2 簧片零件的三视图 对于图3 3 所示三视图，则先确定俯视图为基视图。基视图中m g 垂直方向的长 度对应于侧视图中的截面线a b c ，根据投影关系，使点a 对应于点g ，以垂直m g 的方向展开截面线a b c ；同理，垂直于h n 方向的为以点d 为起点长度对应于侧视图 中的截面线e i f ，使点e 对应于点d ，e i f 的展开方向为垂直于h n 的方向。截面线 楚鎏避垄星五煎佥型鋈垫i 查圭塑圈史过廑笪蕉亘堡整叠! 螫亘垡g 垒墅座王：堕： 囱彬 华中科技大学硕士学位论文 虚线框中的图形，截面线e i 对应于“i ”虚线框中的图形，这些轮廓随截面线的展 开作相应的变换。 r l j 图3 - 3 汇流片零件的三视图 3 4 板金零件截面特征的提取方法 r f 通过对板金零件形状特征的分析，可将其组成特征分为平面类、弯曲类、拉深类、 及翻边类。前面三类是板金零件的主要形状特征，翻边类属于附加形状特征。附加形 状特征是用于描述板金零件的局部形状特点，是对主特征进行修正的一类特征，在求 零件毛坯的工程中，一些辅助特征( 如孔，压印等) 由于几乎不影响毛坯形状的求解， 故可以忽略。在二维工程视图中，上述特征主要是通过板金零件的截面形状( 截面特 征) ，来描述它们的空间位置、相互关系以及形状的。对于板金零件而言，截面特征的 截面线必须光滑连接，且不能封闭。 3 4 1 弯曲截面的提取 根据零件弯曲成形的特点。表示两个相邻板面的截面线间应是相切过渡的，故在 二维视图中，只需给出截面中的一条基线，并确定是零件的上表面还是下表面，而后 搜索与基线相切的截面线，并根据截面搜索的结束条件来判断是否已取得完整的截面 1 s 华中科技大学硕士学位论文 线，并将获取的截面线依次存放于链表中。 根据截面特征的有效性要求及弯曲变形特点，可采用如下方式提取弯曲截面的特 征： ( 1 ) 基线的选取：弯曲变形中保持方向不变的线段，多凭经验确定，同时指定该 基线是零件的上表面或者是下表面。 ( 2 ) 搜索的起点：截面搜索的起点分别是基线的两个端点，根据其坐标值x 的大 小分别定义为左端点、右端点；若x 值相等，则以y 值较大的点为左端点。 ( 3 ) 可选几何实体：以左端点为中心，选取与该端点相交的所有几何实体，设取 得的实体为n 个( 不包括基线在内) 。 ( 4 ) 选定的规则：由于投影关系，往往过某一点可能有若干个几何实体。由于截 面特征的截面线问应光滑连接，故采用相切的条件来判定被选取的几何实体是否属于 同一截面。将n 个几何实体逐个与基线作相切判断，若第i ( 1 = & 时为内径；若情况和前面所定的规则 不同，可用户手动修改。 2 ) 圆弧圆弧：两圆弧外切，若已知圆弧为内径，则所求圆弧为外径，否则反 之；两圆弧内切，若已知圆弧为内径，则所求圆弧也为内径，否则同为外径： 3 ) 圆弧线段圆弧：两圆弧中心点的连线和线段相交，若已知圆弧为内径， 则所求圆弧为外径，否则反之；若两圆弧中心点的连线和线段没有交点，若已知圆弧 为内径，则所求圆弧也为内径，否则同为外径； 若确定某一基线为“下表面”，截面线中的圆弧内外径判断法则和上述相同。 基线右端点的截面线搜索条件及方式同其左侧的搜索方式一样。 1 9 华中科技大学硕