基于Pro／Engineer 钣金件展开的应用研究

1 引言
   
    人造卫星和航天飞船上使用大量的钣金成形零件，如有效载荷铝合金支架、飞船蒙皮桁条等。这些金属板制作的钣金件具有重量轻、组装简单、成本低等优点，成为航天飞行器的重要组成部分。钣金件的制造， 主要的是正确确定钣金件的展开图，即以1：1的比例放样。传统手工计算和图解法直观、方便，在航天制造工程中得到了广泛的应用，但是手工计算和图解法展开图精度低、误差大，存在着工艺路线复杂、效率低、浪费材料及加工质量不易保证等缺点。
   
    随着数控激光切割机、数控折弯机等精密钣金设备的广泛应用，钣金加工工艺方法也有了很大变化。从传统粗放低效成型后修准尺寸的工艺方法，到精确展开、直接成型的先进工艺方法是制造技术发展的必然趋势。Pro／Engineer Wildfire 2．0是美国参数技术公司推出的一套功能强大的CAD／CAM参数化软件系统，提供了零件设计、产品装配、NC加工、钣金件设计、模具开发、铸造件设计、自动测量、机构仿真和应力分析等多种功能，已经被广泛地应用于机械、汽车、航天、家电等行业。本文介绍了航天领域中基于Pro／Engineer Wildfire 2．0实现钣金零件的建立和展开的应用研究。
   
    2钣金件Pro／E加工特点
   
    传统钣金件加工先以近似展开尺寸放样落料，预留后续加工余量后进行折弯，折弯后再修准尺寸， 后加工工艺孔和槽。这种工艺方法加工效率低、浪费材料，并且加工质量不易保证，但不需要精确的展开图尺寸。而Pro／E钣金件加工工艺以精确展开加工为特点，先按展开图全部切割出外形及孔和槽，然后折弯成型，其加工流程如图1所示。这种工艺具有效率高、加工质量好、工艺路线简化等优点，但对钣金展开图的精度要求高。因此，Pro／E钣金设计模块成为钣金件加工中精确展开图的重要工具。
   

    同传统展开方法进行比较，Pro／E具有明显的优势，主要有以下几点：
   
    a．Pro／E加工实现了参数化，提高了展开效率；
    b．工艺路线简化、加工效率高、加工质量好；
    c．展开精度高，展开尺寸便于验证；
    d．能够自动生成折弯顺序表，表示出制造过程中的折弯顺序、折弯半径和折弯角；
    e．Pro／E展开可以进行圆管件、圆锥管构件以及它们之间任何方向的相贯件等复杂曲面零件的展开；
    f．从展开的立体模型可以直接生成数控切割设备需要的二维图形格式，与数控折弯机进行数据连接，从而能够实现钣金件的无纸加工。
   
    3钣金件Pro／E展开方法
   
    钣金件啪展开方法，能够适应图样的多样化和复杂化，程序是在完全模拟钣金加工过程的基础上进行钣金件展开的。与传统方法相比，主要是利用Pro／E的钣金展平功能，使钣金恢复为平整状态。展开的具体方法：在Pro／E的钣金模块中创建钣金件的三维立体模型，应用Pro／E的展平(Unbend)模块，点取零件基面及需展开的面后，软件即可按钣金实际折弯加工过程运算后自动生成展开模型。通过展开模型，Pro／E输出各种格式的二维图形文件，直接应用于数控钣金设备。展开方法流程如图2所示。
   

    3．1建模环境设置
   
    建模环境设置是利用Pro／E进行钣金件设计之前的一项重要内容。设置完成之后的Pro／E环境中的长度单位、视角标准等参数应与数控钣金设备所使用的一致，这样便于在Pro／E完成二维视图之后直接输出。Pro／E主要有三个配置文件，一是确定Pro／E的工作环境下建立各种模型的长度单位、公差标注方式等CONFIGPRO文件；二是定义工程图标准设定的PRO．DTL文件；三是定义图框的标准PROMAT．DTL文件。设置通常采用写字板编辑文本文件或通过Setup菜单进行设置。这样，我们就可以在一个标准化的环境下工作。
   
    3．2三维实体建模
   
    在Pro／Engineer Wildfire 2．O中建立钣金件有两种基本方式。
   
    a．首先利用Pro／E的Part实体模块，建立一个薄壁实体，然后利用Pro／E自带的钣金转换命令，将其转换成钣金件，这样用实体(Part)方法建立的零件就具备了钣金件应有的特征，然后可以在Pro／E钣金模块中进行展开；
    b．直接利用Pro／E的Sheetmetal钣金设计模块，建立一个钣金零件，利用钣金模块中的薄壁特征，同实体模块类似，有拉伸、平整、混合、旋转等命令，还可以通过折弯和成形的命令建立复杂钣金件。这种方法建立的零件直接具备钣金件应有的特征，不需要做任何转换就可以在Pro／E钣金模块中进行展开。
   
    3．3验证零件三维模型
   
    Pro／E钣金件的展开模型是以建立的钣金三维实体模型为基础，为保证展开模型的正确性，应对钣金件的立体模型进行验证。在Pro／E钣金模块中，可以应用分析(Analysis)菜单中的测量(Measure)，模型分析(Model analysis)等功能模块进行钣金零件立体模型各个要素的测量分析。
   
    3．4验证零件工艺性
   
    Pro／E的钣金件建模是完全按钣金件实际加工过程进行模拟运算的，因此零件建模过程中应考虑钣金件加工中的工艺裂缝、折弯圆角等工艺性问题。如果零件模型有不符合实际加工的结构工艺性问题，Pro／E将拒绝展开，因此我们对立体模型的结构工艺性必须进行验证。
   
    3．5钣金件展开
   
    在Pro／E软件中，使用展平(Unbend)命令展开时主要有三种方法：
   
    a．规则命令，此选项为Pro／E的默认选项，可以将一般的折弯面展开；
    b．过渡命令，此选项用以将转接面展开为二维平面，典型的转接面以混合的方式产生薄壁；
    c．剖截面驱动，用此选项展开钣金件时，先选取固定面再指定一条剖面线，来决定变形曲面展开的形状。此方式常用于展开具有不规则外形的薄壁。
   
    当折弯的钣金件在展开时，中性层外部材料会被压缩，即外部材料的长度会减小，其大小取决于材料的类型、材料的厚度、材料热处理状态和折弯的角度。在Pro／E软件中进行展开时，系统均会自动计算材料被拉伸或者压缩的长度，其计算的公式为：
   
    L=(0．5π·R+Y·T)·(θ／90) (1)
   
    式中：L--钣金件展开长度，t--折弯区的内侧半径，T--材料的厚度，θ--折弯角度，Y--Y因子。
   
    Y因子是指由折弯中心线的位置所决定的一个常数，是中性折弯线与材料厚度的比率。Y因子可由K因子计算出来，其计算公式为：
   
    Y=K*(π／2) (2)
   
    Y，因子的默认缺省值为0．50，可以通过修改Pro／E软件中的Config配置文件来修改。
   
    K因子是折弯内半径(中性层)与钣金件厚度的距离比。K因子使用公式K=t/T计算，如图3所示。
   

    3．6展开图形的输出
   
    在Pro／E软件中，展开后钣金零件的模型可通过Drawing模块转化成二维图。二维图能够显示钣金零件的尺寸、折弯中心线、折弯延伸区，以生成满足用户需求的图形。Pro/E具有良好的兼容性，能够支持的数据标准有：DRW、IGES、SET、DWG、DXF、STEP、TIF等，通过这些数据接口，Pro／E可以与几乎所有的CAD，CAM软件如AutoCAD、UG、SolidWork、Solidedge等软件进行转换，二维图也能以这些格式的多种图形文件格式输出，可以很方便地与数控设备进行图形文件的数据交换，从而达到直接输出编程的目的，实现无纸化加工。

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