钣金件三维工艺设计方法及标准研究

钣金件三维工艺设计方法及标准研究

程五四 1 曾祥宇2
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)
(2.上海湃睿信息科技有限公司，上海 201101)

摘要:根据钣金件三维工艺设计关键技术，总结提练出3项电子行业标准草案，并详细阐述 了标准的主要技术内容。通过标准的应用，实现在三维模型上的电子装备钣金工艺信息的表达，确保基于模型定义的钣金工艺信息表达的规范性、通用性，有效保障和促进基于模型定义的三维钣金工艺设计技术的快速发展。

关键词：钣金件；三维工艺设计；标准

       钣金件因其质量轻、强度高、成本低等优点，在机电产品中得到了广泛应用。 钣金工艺设计具有经验依赖性强、成形过程不可控、成形方法多样化、工艺路线制定南等特点，目前采用粗放式二维工艺设计方法，一般只提供给车间工人工艺过程卡和工艺附图(展开图和弯形图 )，详细的工艺参数需要靠车间工人经验来确定，不利于工艺知识的积累和传承，且二维工艺设计也与三维结构设计相脱节，设计信息的获取及转换需依靠手工操作，数据的一致性和完整性得不到保证，无法统一数据源。
       目前，三维数字化工艺设计已逐渐成为国内研究的热点，它是企业实现真正“甩图纸”的必要手段。众多企业在传统的机加工工艺、装配工艺等方面进行了研究和探索，并形成了一系列技术成果。钣金工艺作为产品加工制造过程中的重要环节，通常仍需要编制二维工艺规程卡。MBD技术的出现，很好地解决了该类问题。MBD技术是指用集成的三维模型来完整表达产品定义信息的方法，即将原来定义在二维图纸上的几何形状信息、尺寸与公差以及工艺信息等产品信息，集成定义在三维实体模型中[1]}。多态模型为钣金零件制造过程提供统一、完备、准确的零件信息，直接传递到成形评估、工艺指令设汁、工整设计、工艺参数设计等各个制造环[2]。钣金件三维工艺设计是基于多态模型，以工艺规程设计为核心，将工艺信息加载其上形成面向加工制造的工序模型。其中钣金件三维工艺设计需要解决工艺模型构建、工艺信息表达、工序模型构建、工艺规程设计等一系列关键技术。基于三维模型来表达钣金工艺信息，目前没有可以直接采用的标准，如何规范化表达既是钣金三维工艺设计面临的难题之一，也是基于模型定义的钣金工艺规范表达的关键技术内容。
      由于图形符号具有交流性强、通用性好、易于理解等优势，利用圆形符号来表达钣金工艺方法能够很好地解决这些问题，但由于现阶段没有规范钣金工艺方法的图形符号，无法直接应用于三维钣金工艺设计。因此，本文将针对《饭盒工艺方法图形符号》、《基于模型定义的钣金工艺表示法》和《基于模型定义的三维钣金工艺设计通用要求》3项标准进行研究。
1 电子装备钣金工艺标准研究
1.1  《钣金工艺方法图形符号》
       该标准草案规定了电于装备常用钣金工艺方法图形符号的表现形式、绘制规则和示例。主要内容包括电子装备常用钣金工艺方法图形符号的表示，如折弯、折边、滚弯、旋压、引深等。钣金工艺方法常用图形符号见表1 。   

湃睿科技，三维工艺

1.2  《基于模型定义的钣金工艺表示法》
       该标准草案规定了电子装备基于模型定义的钣金工艺信息内容的范畴、表达规则和方法、钣金工艺信息图形符号构成，并给出表达示例。主要内容为电子装备基于模型定义的钣金工艺信息内容的界定，包括工艺方法、工艺参数、模具参数、刃量具及设备的型号、参数等信息，并给出了相应内容的表达规则和方法，还给出了钣金工艺信息图形符号的组合构成。本标准适用于在电子装备三维CAD模型上表达钣金工艺信息。钣金工艺表示法采用图形符号的形式将信息标注在三维模型上，型式如图l所示。

湃睿科技，三维工艺

1.2.1  加工特怔数量
       此栏框格内容为工艺信息图形符号所表达的加工特征的个数。对于多个特征采用同一加工方法，仅标注一个工艺信息，且多个特征都应当与工艺信息栏保持查询关联性，“加工特征数量”栏宜用“1x”、“2x”等表示特征个数。当数量为1时，“1x”可省略，该栏也将不显示。
1.2.2  工艺方法
     此栏框格内容为钣金工艺方法图形符号，从钣金工艺方法符号库中获取。
1.2.3  设备
     此栏框格内容为设备名称或设备型号，应正确反映现实资源配备情况，并应与所造工艺方法相适应。
1.2.4  模具
     此栏框格内容为模具的参数及数值，从工艺手册以往工艺设计经验中获得。
1.2.5  量具
     此拦框格内容为量具信息，以文本和数值等形式表达，从企业资源库中获取。
1.2.6  工艺参数
     此栏框格内容为对应的工艺方法相关工艺参数及数值。
1.2.7  工步序列号
       指一个工序中的不同工步的先后顺序或当前工步在整个工序中的坐标位置。
当表示不同工步的先后顺序时，此栏框格内容为数字，用“①，②，③，…”等表示，且只有在不同工步中模型特征未发生改变、共用同一模型的情况下，才应当在标注工艺信息框格时添加工步序列号。当仅有一个工步时“①”可省略，工步序列号栏框格也将不显示。
1.2.8  变形方向符号
        变形方向符号包括变形方向箭头和变形顺序号，如图2所示。变形方向箭头指示变形面的变形方向；标注时垂直于变形平面；变形顺序号指示变形的顺序，采用阿拉伯数字“1,2，…”表示，但不需要表达变形顺序或者只存在唯一变形时，变形顺序号为“1”，可不显示。

湃睿科技，三维工艺

1.3  《基于模型定义的三维钣金工艺设计通用要求》
        该标准草案规定了电子装备三维钣金工艺设计的术语和定义、钣金设计模型要求、工艺模型构建要求、工艺规程设计要求、工序模型构建要求等。
1.3.1  钣金设计模型
       钣金设计模型应包含折弯和展平两种状态的模型并能展平，可通过族表件或者简化表示等形式来构建，并包含必要的工程属性，如零部件代号、零部件名称、产品代号、产品名称、折弯因子、折弯表、折弯顺序零部件类型、材料等。
      采用自顶向下设计时、骨架模型中的坐标系、基准平面、基准轴等信息应包含在钣金零件中，尺寸、公差、表面结构等设计信息应标注在设计模型上，折弯状态和展平状态的模型应具有不同数值的尺寸，且相互独立。对标注信息的有机组织和管理是通过组合视图的功能来实现的，即在三维模型空间中构建类似于二维模型的各个视图，在每个视图中添加属于该视图的标准内容[3]}。
    除此之外，还需考虑零件材料、变形特性等因素，建立毛坯和工艺模型的专用计算工具。为工装设计、工艺参数优化、数控编程等提供数据源，以满足零件精密成形的需要。
1.3.2  工艺模型构建
     以钣金设计模型为输入，能够获取数据模型的几何特征、基准信息、注释信息、属性信息（包括简化表示信息）等，包括能够表达完整工艺过程（工序/工步）的特征、注释、属性信息等，与模具具有关联信息的钣金件特征，能够实现通过特征信息获取相应的模具信息，包括模具尺寸、材质等，必要时可关联至工艺过程。
     对于落料和冲压工序的工艺模型，在无法重用设计模型特征的情况下，可单独产生独立模型，但应与该道工序保持关联关系，与其他工序应保持融合、独立、不影响基于工艺过程的工序模型的生成和发布。涉及成形特征的工序一般应最大程度利用设计模型上的特征来创建。对于折弯特征，应能识别折弯特征信息，通过调整折弯顺序快速构建面向各工序过程的工序模型。
1.3.3  工艺规程设计
     以工艺规程树的形式对工艺路线且信息进行管理，包括工艺、工序、工步、关联的特征、关联的标注集、关联的模型、设备资源和工装夹具等[4]。能对工艺规程数据进行全局搜索管理，通过工艺树上各工序、工步节点快速查询工序、工步属性信息。工艺设计过程中的制造资源信息从工艺资源库中族取，并保证工艺资源的实时性和有效性。
1.3.4  工序模型构建
     由工艺模型按照工艺规程树自动派生而成且保持关联关系。工序模型文件采用统一规则进行命名，一般包括产品代号、工序/工步号等。
1.3.5  模型管理
      在产品数据管理平台中进行管理，构建不同的物理或者逻辑存储地址。对于模型的审批流程，宜以三维钣金工艺设计的结果作为审批的直接展示对象，流程中包含了工艺模型、工序模型等随签对象。


2  应用
       钣金件三维工艺设计以三维模型为工艺信息的表达载体.井采用钣金工艺规程 (落料、气割、调平、折弯、整形等)来组织钣金工艺信且的表达，创建对应的工序工步模型。整体的设计思路按照《基于模型定义的三维钣金工艺设计通用要求》中规定的技术内容来执行。本文主要解决如何基于三维模型来表达钣金工艺信息。电子装备基于模型定义的钣金工艺表示法应用如图3和图4所示。钣金工艺图形符号通过指引线与三维CAD模型上对象相关联，并能高度显示。

湃睿科技，三维工艺


图3所示变形方向箭头符号表示在距离折弯线92mm处进行折弯操作，折弯方向向上，先折弯左侧，再折弯右侧。

湃睿科技，三维工艺

图4所示钣金工艺表示法表达了该钣金加工工序采用折弯工艺方法，加工特征数量为2处，左右两边均折弯，折弯角度90。折弯半径为8mm，采用ER60-800设备，选用上模半径为20mm、下模开口25mm的模具，折弯压力为20N进行折弯操作。钣金件最终要保证长、宽、高分别为200mm、230mm、100mm的尺寸精度。

3  结束语
       钣金件及其成形工艺的种类繁多以及成形过程的多因素性决定了钣金件的制造依赖于长期实践中积累的经验知识，钣金件工艺过程设计是知识需求密集的过程[5]}。本文通过对钣金工艺信息进行数字化定义研究，编写了3项钣金工艺标准草案，有效解决了三维钣金工艺设计过程中钣金工艺信息表达的难题。标准草案对钣金工艺方法图形符号、钣金工艺表示法和钣金三维工艺设计方法确立了统一的定义规则和要求，已成为基于模型定义的钣金件三维工艺设计技术的基础类标准。该3项标准草案针对现有钣金工艺设计先进技术总结提炼，随着技术的发展，标准的内容也会日益扩展，比如钣金工艺方法图形符号会随着新的钣金工艺方法的出现而不断添加。通过标准的研究和宣贯，以标准为导向，能够大力推动钣金件三维工艺设计技幸的发展与普及。



参考文献：
[1]   冯国成，梁艳，于勇，等.基于模型定义的数据组织与系统实现[J].航空制造技术，2011（9）：62-66.
[2]   冯冰.基于多态模型的飞机钣金零件制造模型数据管[M].西安：西北工业大学，2007.
[3]   程五四，陈帝江，张红旗.MBD技术标准化及应用研究[J].CAD/CAM与制造业信息化，2013（9）：14-16.
[4]   程五四，张红旗.MBD环境下机械产品数据组织方法研究[J].机械与电子，2014（11）：30-33.
[5]   王俊彪，刘闯，宋利康，等.钣金件数字化制造技术及其应用[J].航空制造技术，2011（9）：32-35.


Research on the methods and standard of 3 d technology design for sheet metal parts
CHENG Wusi1 ,ZENG Xiangyu 2
(1.No.38 Research lnstitute of CETC.Anhui Hefei. 230088，China)
(2.PISX (Shanghai) Co.，Ltd., Shanghai, 201101 China)

          Abstract: At present.,sheet metal technology information  expression by MBD (Model Based Definition) is the hot issue, But the standard is 8till in the blank. In view of the key technology of 3d technology design for sheet metal parts.it introduces the draft standard for electronic industry，expounds the main technical contents of the 3d standard in detail. The plication of standard can ensure the sheet metal technology information expression, and realize the effectively protect and the rapid development of 3d technology design for sheet metal parts. Key words: sheet metal part; 3d technology design;standard