面向设计变更的级进模冲裁结构关联设计

    级进模设计制造领域中，三维软件在国外使用已经较为普遍，国内仍然大量采用二维软件。但是，三维软件以其直观、便于检查错误、界面友好等优点，逐步取代二维软件是必然趋势。级进模零部件众多、结构复杂，在设计过程中的修改、变更，由于设计更新的复杂性，简单的关联不足以设计更新所有要求，极容易发生更新失败或错误，经常需要重新进行设计。理想的设计工具，应使用户能够方便地修改已有的设计结果，实现智能地自动关联更新，方便用户实现模具的设计重用。

    冲裁是级进模中最常见的工艺，也是易发生变更的工艺。本文基于NX级进模冲裁结构三维设计，研究级进模设计过程中的设计变更，尤其是冲裁工艺的设计变更，运用NX二次开发技术，开发出了级进模冲裁结构关联设计模块，能够智能地实现设计变更的关联更新，极大地提高整副模具的设计效率。

1 级进模冲裁结构设计变更分析

    冲裁是级进模设计中最基本的工艺形式，良好的冲裁工艺及其结构设计，是保证整剐级进模的设计品质和设计效率的基础。冲裁工艺比其他工艺更易发生变更，在设计过程中可能要进行多次修改与调整。冲裁结构设计变更，主要体现在以下几个层次上：

    (1)冲裁结构本身的修改。废料形状、位置不变，仅冲裁凸凹模发生变化，如冲裁间隙修改、冲穿深度修改、模架参数调整引起凸凹模高度变化等。

    (2)工艺性修改。如步距、工位次序调整、废料设计修改等。

    (3)冲压件的修改。如冲压件的某些局部形状发生改变、局部尺寸发生变化等。

    (4)冲压件的替换。如把原始冲压件替换为与其相似的新产品。

    设计变更发生后，相关设计数据需要作出适应性调整，且应保证调整后设计结果的正确性和上下游设计数据的一致性。如改变步距、王位次序后，冲裁结构应跟随着移动到新位置，修改原始产品或直接修改废料设计，导致废料形状变化后，冲裁结构的形状也应发生相应变化。如果手动删除原有设计结果，重新进行设计，虽然能保证设计结果的一致性，但是增加了时间和人力成本；如果通过手动修改现有设计结果，则操作过程繁琐，且更新缓慢，极易产生不一致的情况，导致错误。

    为了使设计变更顺利进行，必须解决智能关联和快速更新的问题，保证当原始产品、废料、模架发生变化时，冲裁结构能及时、正确更新，本文引入关联设计方法来解决问题。

2 冲裁凸凹模结构关联设计的实现

    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。台阶式凸模分为与废料形状相关的刃口部分，和与废料形状无关的台阶基座部分，而直通式凸模形状与废料形状完全相关；整体式凹模，是直接在模板上开出型腔及落料孔腔；镶块式凹模，则是在模板上安装镶块，并在镶块上开出型腔。结合凸凹模的结构特点，把凸模设计分解为台阶基座设计和与废料形状相关部分设计两部分，凹模设计过程，分解为创建镶块和创建型腔及落料孔两步。创建模型，主要有两种方式：一种是整个模型从无到有全部由程序实现；另一种是基于参数化模型库，由程序调入库文件后修改参数更新模型。本文结合两种方式，先建立参数化的基本模型库，调入库模型后，先修改参数更新基本模型，再在基本模型基础上，完成后续建模过程，并在凸凹模设计过程中着重处理了以下问题。

    2.1 冲裁部件参数化模型库的建立

    根据凸凹模的结构特点，建立若干类参数化的库模型部件，每个部件对应一个EXCEL数据文件，存放模型文件的参数、属性及其他信息，用于调入库模型后，对模型文件进行更新，这些信息允许用户定制。每个库模型部件中，一般包含两种实体模型：

    一种标记为TRUE，代表凸模或凹模镶块的实际形状；另一种标记为FALSE，用于在模板或其他相关部件中开腔；两者不一定完全一致，但后者一般略大于前者。

    凸凹模的结构形式与库模型的对应关系见图1。其中，标准凸模库模型部件中，有参数化的台阶基座模型，这部分模型可由用户定制；直通式凸模的形状与废料完全相关，但其在模板上的安装孔不需要与凸模形状完全一致，对应库模型部件，只有方形或圆形的FALSE实体凹模镶块分为标准和自定义两种，前者一般是方形或柱形，后者由用户指定轮廓线后拉伸得到，前者的库模型部件中包含有方形或柱形的模型，后者的库模型部件中模型为空；型腔及落料孔库模型部件是一个装配，包括型腔部件和落料孔部件，型腔形状与废料相关，落料孔形状不一定与废料形状一致，因此，型腔部件模型为空，落料孔部件中包含有圆形、矩形等类型的落料孔模型，所有型腔及落料孔模型均为FALSE实体，用于在凹模镶块或模板中开腔。

图1 凸凹模与模型库的映射关系

    2.2 废料与凸凹模对应关系的建立

    废料的形状决定着凸模和凹模的主要形状，设计冲裁凸模和凹模，需首先建立冲裁部件与废料间对应关系，即某个凸模或凹模是为哪块废料设计的。条料排样图是冲裁结构设计的基础，废料以片体的形式分布在条料部件的不同位置上。本文采用NX的WAVE技术，把条料部件内的废料关联复制到对应的冲裁部件中，建立废料与凸模或凹模的对应关系。WAVE是基于装配环境的部件间建模技术，其将几何对象在同一装配的不同部件间进行复制，复制后的对象在形状和位置上，与源对象保持一致，源对象的修改，将会触发下游复本对象的更新。通过WAVE技术，把条料部件中的废料片体关联复制（或称作链接）到冲裁部件中，则可根据链接到冲裁部件中的废料片体的形状，来建立凸模或凹模模型，同时，由于WAVE的位置相关性，改变条料上废料的位置时，凸模或凹模模型的位置也会随之改变，从而实现关联。

    2.3 刃口及相关部分模型创建

    冲裁凸模和凹模型腔的刃口形状，应与冲裁废料的轮廓形状保持一致，一般用废料的轮廓线作拉伸得到凸、凹模刃口部分的模型。凸模和凹模之间，有一定的冲裁间隙，凹模型腔刃口之下的部分，常做成台阶式或锥角式，这些间隙、台阶或锥角，通过对拉伸废料轮廓线得到的模型的侧面，进行偏置操作或生成拔模斜度得到。若废料设计发生改变，则废料的轮廓线也相应改变，常会发生多边或少边的情况，使拉伸操作的输入异常，而造成后续模型失败。NX中的对象收集器，可以很好地解决这个问题。

    NX对象收集器，能通过种子对象及智能选择规则，自动侦测到一系列具有特定关系的对象，按所能侦测的对象类型分为线、边、面、体等类别，选择规则有相接线、相切线、面的边、体的面、相邻面等。用对象收集器作为输入来创建模型，能保证模型的正确更新。

    创建凹模型腔时，以废料的面为种子对象，创建选择规则为面的边的对象收集器作为拉伸操作的输入，并以拉伸得到的模型的底面为种子对象，创建选择规则为相邻面的对象收集器作为偏置操作或拔模操作的输入；当废料的形状变化时，对象收集器能侦测到变化后的废料轮廓，保证拉伸特征以及偏置或拔模特征的正确更新。自定义凸模和标准凸模的刃口部分，可采用类似的方法进行创建。