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基于功能特征研究级进模板孔的相关设计方法

摘要：级进模有很多用来安装插件，装配，作为基准的孔，本文根据其结构类型和关联零

件与板孔的关系对板级进模孔板进行分类并描述了一个用于级进模的自动设计孔的系统。这个系统预先赋予了设计知识和标准件数据库，它能够根据插入的零件或者主要组件在级进模主要板块上产生相应的孔 。一个描述性模型的建立，该功能库技术用于开发板孔的设计功能，从而可以提高效率，缩短设计周期。这个孔设计系统是建立在SolidWorks的基础上，利用其内置的模块，包括零件，装配和绘图优势。我们以利用级进模制作电机铁芯为具体实例来证明系统的优越性。实验结果表明，该系统不仅可以提高设计质量，而且降低了设计时间和 成本。 关键字：

级进模。孔。相关设计。库功能

1简介

级进模是用于各种大量生产金属冲压部件的行业，比如航空航天，电子，汽车，以及电器。由于级进模可能包含很多工序，比如冲裁，弯曲，翻孔等，它一直被认为是复杂的，需要大量的专业知识才能搞懂。通常情况下，级进模的设计过程包括两个阶段，即工艺（冲压过程）规划和模具结构设计。冲压工艺规划是用来生产金属冲压模型的平面格局，然后规划冲压工艺来获取条料布局。模具结构设计的过程如下：（1）根据条料布局的大小确定模座和模具整体结构；（2）然后设计插件，冲压设备，冲模数，以及有定位孔的其他成型零件；（3）根据具体情况，插入辅助设备，比如导料销，顶杆，螺钉，定位销，弹簧， 标准件等。级进模结构设计通常要占整个设计周期的2/3时间。级进模上有许多用于安装插件、装配体、 和标准件的孔，孔设计繁琐，费时，而且容易出错。这项研究主要集中在对板块相关孔设计。

由于自动化的发展，世界各地的研究人员对基本知识和智能设计系统进行了研究，

并提出了用Cheok 和 Nee提供1998年之前对金属冲压刀具自动化设计的研究和设计报告，

于级进模的智能设计系统的框架[1]。王 等在AutoCAD上对精密级进模装配设计的相关技术进行了研究[2]。Kumar等开发了一种用于级进模自动建模的智能系统[3]。他们还介绍了一个在AutoCAD对条料布局过程自动化的专业系统，这个系统是产生式规则人工智能化的专业系统[4]。Choi等利用AutoLISP语言在AutoCAD上对条料排样和模具设计开发了一个系统，同时利用个人计算机在SmartCAM软件上为建模和后处理开发一个工具包[5–7]。基于以知识为基础的规则，Kim

等利用个人计算机在AutoCAD上用AutoLISP

语言对电子原件的弯曲和接合工艺开发了一个系统【8】。Tor等人考察了黑板框架对在级进模设计中的冲压工艺规划的适用性【9】。Li 等人采用以功能和规则为基础的方法，利用AutoCAD的C + +和ObjectARX 语言为级进模中的弯曲工艺规划开发了一个集成建模与工艺设计系统[10]。Farsi 和 Arezoo描述了一个用两个阶段确定级进模中弯曲顺序的方法[11]。Chang等人以AutoCAD为绘图工具，建立了一个用传递算法来解决级进模中工作顺序的排列问题[12]。Pilani等人根据网络和计算机辅助设计（CAD）软件的优势 ，提出了一个基于模具表面成形性能参数的自动生成最佳的模具表面设计的方法【13】。Singh 和 Sekhou以金属板材加工为基础，建于AutoCAD上使用AutoLISP语言开发了一个冲床选择的专业系统【14】。Jiang等人提出了一个灵活的而完整的计划并分析了插件与组件的复杂装配和约束

关系【15】。以上所述的设计系统几乎都是二维模式的。

在2D模式检查干扰，修改相关图纸时不容易发现缺陷，三维软件和计算机技术的发展使得我们可以分析零件实体造型，极大地帮助解决上述问题。该技术已逐渐成为设计界的主流工具。

近年来，越来越多的系统是建立在三维软件基础上而开发的。Ghatrehnaby和Arezoo以最低废料战略用SolidWorks三维软件为级进模开发了一个自动排料和导料系统【16】。Roh 和 Lee在 C + +和CAD三维软件的基础上为船舶设计开发了一个船体结构建模 系统[17]。Chu等人用CATIA为三维轮胎模具生产开发了一个参数化的计算机辅助设计系统【18】。Kong等人基于SolidWorks 用Visual C + +开发了一个Windows自带三维注塑模具设计的系统【19】。Lin等人基于Pro / E和CATIA软件的功能特征，在高雄第一科技大学科技为三维拉伸模开发了一个结构设计系统【20，21】. Lin 和 Kuo等人还利用三维软件开发了一种用于手机镁合金外壳的RE/RP/CAD/CAE/CAM 集成系统【22】。

与在计算机辅助工艺规划做的很多工作相比，在结构设计中所做的工作较少。大部分工作集中在计算机辅助工艺规划[1–4, 7–13, 16–19]. Jia等人提出了级进模中相关结构的模型关系【23】。王等人描述了在AutoCAD中精密级进模装配设计的相关工艺【2】。Jiang等人讨论了插入设计的自动化 [15]。他们提出了一个使用面向对象、基于特征的典型的插入方法。他们基于SolidWorks讨论了标准件库的建立方法和冲模的建模方法【24， 25】。华中科技大学的赵等人基于AutoCAD讨论了在CAD系统中级进模标准件和组件的相关设计【26】。

对模具结构设计，设计人员可以把每个功能特征当作一个设计单位[15, 20]，根据我们的合作伙伴级进模模具公司的设计规范和标准件库，这项研究描述了基于SolidWorks的功能特征的孔设计系统

有几个在市场上可用的商用级进模设计系统，例如 NX级进模向导，Pro / ENGINEER级进模专家，LOGPRESS on SolidWorks，TopSolid/Progress等等。当用户建立了自己的零件库和做一些制定时，这些软件包可以根据条件实现孔设计，由于模具企业主要为中小型企业，当地的刀具和模具行业的讨论表明，这些系统过于昂贵，超出了他们投资能力。此外，级进模的商业软件包包含模具设计教科书、课程材料、部件制造商的产品目录等

提供的“通用”设计规则。然而，每个模具公司都集中于几类模具并有具体的设计规则、参数和模具组件。因此，孔设计系统的开发是必要的，特别是有自己的具体组件库和室内设计规则的公司。为了使模具设计更灵活，效率更高且就被高质量，本文章根据一个本地级进模公司的一系列设计规则，基于功能特征提出了级进模板块孔的计算机辅助结构设计系统。本着模具设计基础知识的良好组织，标准件数据库，孔特征数据库和集成三维CAD环境的优势， 我们的系统能够输出级进模主要板块上孔结构相关设计 ，例如上模座，下模座，凹模板，垫板，固定板等。根据用户输入的条料布局，模具设备的选择，相关零件的设计信息，模具装配体的插入件，可以自动构造板块上的相关孔。一个与具有参数化和基于功能特征的CAD系统相连接的系统已经运行，有一个例子可以用来证明我们的做法，并显示其在级进模设计中的效率。

本文的其余部分组织如下: 第2节 描述了级进模设计过程，孔的分类，以及对级进模板块上孔设计的描述性模型；第3节解析了板块上孔的结构设计系统的体系结构并借助于库的详细特征处理了孔设计的构建过程；第4节讲解了采用提议的系统对电机铁芯级进模上孔的设计，结论在第5节给出。 2孔的分类和描述性模型 对于级进模

级进模的结构通常包括：一个上模座、一个下模座、一块凸模固定板、一个上模

垫板、下模板、凸模垫板、模具垫板、以及每个进程所需要的其他模具结构成分，如图一所示的冲床，冲模，导料销，升降机，导柱和导套等。

图1显示了一个典型的级进模结构，主要零部件上有许多孔，例如上模座，下模座，凸模固定板，上模垫板，凹模固定板，凸模垫板，模具垫板等，这些孔用于连接，定位和安装。这些孔在结构，功能，强度和配合各不相同。另外，对于不同种类的关联零件或者装配体，不同板块上的孔具有复杂的相关关系，例如冲床，模具，螺丝，导销装配，升降针组装等。当关联部件的参数或位置改变，其大小或位置也必须跟着改变才能适应，这些在一般的CAD三维软件的功能上是无法定义和获取的。因此，孔之间，关联零件（或装配）之间，以及相关板块之间在相关联的基础上进行研究。因此，在本文中，我们首先在结构上对板块上的孔进行分类，然后分析板孔和相关部件之间的关系以及提出了一种描述模型。 2.1 根据结构对孔进行分类

通过研究级进模结构，根据他们的结构对六种孔进行了总结。这些孔分别为通孔，台阶孔，盲孔，螺纹孔，矩形孔，结合孔。下面详细列出了不同类型的孔的特点。 2.1.1 通孔

这个孔穿过板块。如图2所示，导柱导套装配体用于使上模座、卸料板、下模座对齐，卸料板和下模座上的板都是通孔的 2.1.2 台阶孔

这类孔有一个或两个台阶。如图3所示，当两块板需要用螺钉和销钉进行连接和定位时，通常采用台阶孔。在图1中，为了是导板和固定板 ，上模座上的孔也做成台阶孔。 2.1.3 盲孔

这类孔是不通的，图4显示了槽型凸模通过一支撑板和一螺钉固定在固定板上。盲孔必须建立在以板卸料之下，以防止上模向下移动进行冲裁是发生碰撞。 2.1.4 螺纹孔

螺纹孔主要用于螺钉。如图3所示，螺纹孔做在连接板上。 2.1.5矩形孔

方孔主要用于非圆形冲床和模具。如图4所示，凸模上通向凸模固定板、卸料夹持板和卸料板的槽是利用电火花成型加工形成的， 这三块板上的矩形孔的轮廓形状与凸模槽轮廓形状相同，但是，他们的配合和形状各不相同。此外，当模具插入件的外形轮廓是非圆形时，模具固定板上的孔也做成如图5所示的矩形孔。 2.1.6 复合孔

复合孔指孔的几何结构形状复杂并且可以看做是几个简单孔的组合体。例如，为了方便安装和拆卸，通常将四个钩螺螺钉安装在大板上，如上模座，下模座，卸料板，与螺钉配合的孔是如图6所示的复合孔。在级进模上，通常使用像导销组件和顶杆装置这样的典型零件，他们由螺栓、弹簧、圆柱销、导杆或挺杆组成。图7所示为导销装置和相关板块的孔。上模座上的孔是由通孔和螺纹孔组成的复合孔。 2.2根据相关零件与板块的关系对孔进行分类

根据相关观点，上面提到的各类孔与关联零件（或功能组件）和相关板块相联系。关联零件与板块的关系可以分为三类：即如图8所示的一对一，一对多，很多对。 2.2.1 一对一

一对一就是如图8a所示的一个关联零件对应一个关联板块。例如，当如6所示的带勾螺钉安装在上模座或者下模座或者卸料板上时，挂钩螺钉是关联零件，而上模座或者下模座或者卸料板是关联板块，挂钩螺纹孔是连接器。这种关系很简单。 2.2.2 一对多

一对多就是如图8b所示的一个关联零件对应多个关联板块。这种关系普遍存在，比如

螺纹紧固件与两个或三个板块连接，销钉与两块板连接。在相关的凸凹模结构中还有许多这样的例子。在图4中，带槽凸模由支撑板和螺钉固定。带槽凸模是与凸模固定板、卸料板夹持板、卸料板相连的关联零件，其与相关板块上的三个孔的配合各不相同。在图5中，有三个孔的凹模是关联零件，分别为凹模固定板、凹模垫板、下模座。凹模采用过盈配合安装在固定板上。凹模垫板和下模座上的圆形孔直径大于废料最大外形尺寸，以便于废料顺利下落 2.2.3 多对多

多对多就是如图8c所示的多个关联零件对应多个关联板块。在一套级进模中，导柱导套，导料销，顶料销是比较常见的组件，可以实现标准化。在图2 中，由十个部分组成的组装与三个零件有联系，三个零件分别为上模座，卸料板垫板和下模座。在图7中，导料销装配体包括堵头螺钉、弹簧、圆柱销、导向装置和调整垫圈。关联零件是上模座、凸模垫板、凸模固定板、卸料固定板、卸料板、凹模固定板。 2.3板孔及相关零件的描述性模型

根据对关联零件和关联板块关系的分析，我们可以看出，要实现板上孔结构的相关设计，必须满足两个条件：

1 关联零件上孔的大小取决于关联零件

2 当关联零件的位置被移动或者大小被改变，关联零件上的孔也跟着改变。 因此，我们建立一个将关联零件当作控制器的描述性模型，相关孔的模型关系定义如下： 相关孔的分类：

关联零件（一个零件或一个功能组件） 关联零件的定位点

关联板块（一个或多个零件） 孔相应的库功能（一个或一组）

3 级进模相关孔设计系统的构建过程

参数化模具设计将模具结构大小的改变作为参数，然后通过参数关系式改变模具结构的大小来实现设计目标。但对于级进模相关孔的设计过程，模具结构中，如导轨、凸模、凹模、挺杆和支撑板等零件的形状可能大不相同，所以只简单改变模具结构大小是不可能满足设计要求的。因此，在本文中，级进模主要零部件的各种结构中划分成不同的功能特征，相同功能的零部件划分到一个功能模块。由此产生的级进模板块上孔的功能模块结构图如图13所示。例如，标准凸模可分为三类：圆形，长方形，不规则形状。各种零件和组件通过它们的配置来表达。特征库技术用来完成孔结构的标准设计。

3.1 库功能的应用

库功能参照了SolidWorks软件提供的功能，该功能让通过采用用户定义的参数组成一个简单的特征组实现用户功能自定义。通过提取的特征参数，建立模板文件，用户可以实现对零件和装配体的可变设计。因此，用户可以快速且方便地建立自己功能库，需要时可以加载。用户自定义的库功能被视为像由SolidWorks软件提供的其他功能的一个简单功能。当库功能被添加到设计件的一部分，同样可以对其形状和位置进行参数化，扩大了基础功能特征模块造型的应用范围，有效地简化了建模过程。

在Solid-Works软件环境中进行级进模设计过程中，不同类型的孔通常采用“剪切挤出”或“孔向导”功能进行模拟。对于一些复杂的孔，例如复合孔，重复使用具有各种所需参数的“剪切挤出”或“孔向导”功能。因为板上有许多孔，一些孔要重复使用，建立可以用程序载入的各种结构的孔特征库很方便。总之，设计效率有了很大提高。

功能库的特点如下：