1、这个设计工具是在个人电脑上建立，并且集成了SolidWorks CAD系统。本文以家电电机铁芯级进模设计作为一个实际的例子来验证这个设计工具的有效性。结果表明，它可以极大的提高设计质量，以及节省时间和成本。关键字：冲头和冲模，结构组件，级进模，计算机辅助设计第一节 介绍在级进模中，一个工件经由多个工序而得以生产。板料在一个工位可进行一个或多个工序如：冲孔，开槽，落料，冲制，整修，绘图和成型。结果是每一次冲压成型都是一个完整的工件1，2.由于他们富有竞争力的生产率和性能，用级进模大批量生产金属板类零件已经被广泛运用于航空航天，电子，机械工具，汽车，制冷等。然而，级进模结构复杂，设计周期长。自从上
2、个世纪70年代，为了提高模具设计效率，世界各地的研究人员花费许多时间和精力去开发计算机辅助设计和制造的冲压工具。在早期的研究工作中，计算机主要用于提高绘图的效率和进行特殊的设计计算和数控编程。多数重要的决定，如冲头形状的设计，成形性的评估以及排样设计仍然是由用户决定的3. 在上个世纪80年代末90年代初，人工智能技术在工业应用中开始腾飞，这给级进模设计自动化系统的研究和发展带来了新视角1.Cheok 和 Nee 在1998年之前提出了一份关于金属冲压件自动化设计工具的研究和发展报告，并提出了一个用于辅助模具设计师综合规划和设计的基于知识的有两个独立数据库和知识库的框架。第一级包括教材信息，组件
3、制造商目录等，而第二级包含公司具体的设计规则，参数和模具组件1.自上个世纪90年代以来，自动化设计系统的发展是建立在知识工程和智能工程研究的基础上的。Ismail 概述了两种方法用于发展基于特征的系统，这个系统被用来支持在AutoCAD中级进模冲压工具的详细设计 3. 江等人提出了一个复杂而灵活的镶件表达方案，并分析了镶件和模具组件之间的复杂的装配和约束关系。4. 王博等人在Auto- CAD的技术基础上做了级进模装配设计的相关研究 5. 印度工程学院的Kumar 和Singh开发了级进模自动建模的智能系统，并提出了利用在AutoCad中基于规则的系统方法来自动排样设计的专家系统 69. 釜山
4、国立大学的研究人员开发了一个基于AutoCAD 中的AutoLISP语言编写的可用于实现排样设计和模具布局的系统，以及在PC机上用于建模和后处理的SMARTCAM软件工具包1012. 他们还开发了一个用于弯曲和拼接操作的电气产品系统 13. Tor等人提出了一个基于知识的用于级进模冲压工艺规划的黑板框架。 14. Li 等人用C+ 和AutoCAD的软件包ObjectARX开发了一个用于级进模弯曲操作的集成建模及加工工艺过程规划的系统15. Farsi等描述了一种确定级进模弯曲顺序的两阶段方法。16. Chang等人通过使用AutoCAD绘图工具建立了一个用于解决级进模工序排序问题的遗传算法
5、17. Pilani等提出了一种基于模面成型参数，利用神经网络优化自动生成最优的模具型面设计方法。 18. Tang 等人通过对装配模型的约束关系树和和层次模型的集成建立了一个基于层次结构的装配约束模型。19. 上述大部分设计系统属于二维模式。 3, 515, 17, 18.近年来，由于计算机技术和三维CAD软件的飞速发展，三维CAD软件已被越来越多地应用于级进模设计。Ghatrehnaby 和 Arezoo 根据最低废料战略为级进模开发了一个自动排料和倒料的系统20. 周盛等人讨论了基于UG软件的UDF在冲裁凸模结构设计中的应用21. Lin 等人在台湾国立高雄第一科技大学基于三维画图软件P
6、ro/E 和 CATIA 为三维拉深模开发了一个结构设计系统22, 23. Lin等人还用三维软件开发了一种用于镁合金手机外壳的集成RE/RP/CAD/CAE/CAM的系统24. Jia等人研究部件和对应的板孔之间的关系，提出了一个基于Solidworks系统的自动生成级进模板孔的设计系统 25.级进模的设计通常分为两个阶段，冲压工艺设计和模具结构设计。大部分的工作集中在计算机辅助工艺规划阶段618. 与在计算机辅助工艺规划阶段所做的大量工作相比，结构设计阶段的工作更少。Jia 等人提出了级进模中相关结构的模型关系26. iang 等人讨论了镶件自动设计，用一种面向对象基于特征的方法提出了镶件
7、的表达方案4. 王博等人讨论了在AutoCAD中精密级进模装配设计的相关技术5. 他们基于SolidWorks讨论了标准件库的建立方法和和冲头的建模方法. 27, 28 zhao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29. Zhou等人讨论了基于UG软件的UDF在冲裁凸模结构设计中的应用21. jia等人根据板孔的结构类型及相关的零件和板孔之间的关系给板孔分类。利用预先建立的设计知识库和标准件数据库，他们基于SolidWorks开发了一种能够在级进模主要模板上产生相关孔的系统。但该系统只适用于标准化的或参数化的部件上的孔或用于组装的孔的设计如螺钉，销，升降器
8、组装，等等25.近些年来，在市场上可以找到一些商业级进模设计系统，比如PDW（NX级进模向导）,PDX（Pro/ENGINEER级进模专家）， LOGPRESS on SolidWorks, TopSolid/Progress 等等。这些软件包含了上述提到的由模具设计教科书和课程提供的通用设计规则，而且和基本CAD建模相比它在一定程度上可以简化冲头冲模的设计过程。然而，每个模具公司都集中于几类模具，有自己公司的具体设计规则，参数和模具组件。此外，模具公司把通过多年建立起来的设计知识和经验视为知识产权，不愿意与他人分享。因此，冲头和冲模设计工具的发展对那些有着自己特定的组件库和内部设计规则的公司
9、来说是特别必要的。 在级进模设计中，一些冲头和冲模可以由被视为功能特征的边缘轮廓所决定，每个功能特征可以被视为一个设计单元，一旦选择了一个功能特征，那么一套冲头冲模的功能部件也就被决定了。然后，每一个工位，尺寸，对冲头冲模组件的约束和孔也是确定的，它必须遵循设计准则和标准。因此，功能组件是根据自己的设计准则和标准，由冲头冲模组成的集合，还包扩组件之间的关系，参数，约束和孔。本文介绍了如何处理功能部件，如何将设计知识与组件结合起来。为了使模具的设计更加灵活和高效，本文在SolidWorks软件中提出了一种基于功能组件的级进模冲头冲模计算机辅助设计工具。根据我们合作伙伴的设计准则和标准组件库（合作
10、伙伴是指当地的一些专攻电机铁芯级进模的模具公司），通过把设计准则和功能特征结合在一起而建立了级进模组件的描述性模型，这些特征包括选择的功能组件的工位，约束，尺寸和孔。基于良好的设计知识库和组件库以及集成的三维CAD环境，这个设计工具就可以完成冲头冲模设计和级进模主要模板上比如上模座，下模座，凸模固定板，凸模垫板，凹模支撑板等等的孔的设计，根据用户提供的条料布局以及轮廓，选择的模具设备，只要把冲头冲模装配在模具上就能够制造出模板上的相关孔。该工具已在一个参数化的和基于特征的的SolidWorks 的CAD系统中实现，在这里提供一个例子来证明它在级进模设计中的有效性。本文的其余部分如下。第2节介绍
11、了电机铁芯级进模的设计与制造。第3节阐述了冲头冲模功能组件的描述性模型。第4节详细介绍了冲头冲模，以及基于功能组件的相关孔的设计方法。第5节以电机铁芯级进模为例，演示如何通过这个工具来进行设计，第6节给出结论。第2节 电机铁芯级进模的设计与制造交流电机的主要功能是通过转子绕组产生的电流在由定子产生的交变磁场中运动，从而产生转矩30. 电机铁芯在许多电磁器件中起着非常大的作用，因为他会极大地影响电动机的性能。如图1所示，该电机铁芯通过层压多个薄硅钢片，来增加电机的磁导率。图1：电机铁芯定子和转子图2：一组家用电器的电机铁芯首先，冲压片是由几个复合模制造的；接着，这些冲压片被分类打包；最后，铁芯的
12、定子和转子通过特殊设备铆接和焊接而堆叠在一起。这个过程效率低，误差大，而且难以控制铁芯的质量。使用多工位级进模可以自动层压和堆叠，这可以极大的提高效率，保证层压板之间的粘结强度以满足大批量的需求。因此，用级进模制造电机铁芯正在被越来越多地采用。这种模具可以执行许多操作，如冲孔，开槽，落料，压筋，堆叠，切边，再一个一个的安装，直接形成定子和转子铁芯。图3：电机铁芯的四种层压形式图4：图2中所示的铁芯排样图图2描述了家用电器电机的原理 。50块厚度为0.5毫米的钢板被层压在一起。在开槽和压筋过程中，电机铁芯的第一块冲片的一小部分被穿透，和它挨着的冲片就会突出，形成凹凸形。在层压过程，两个冲片通过把
13、其中一片的凸出部分安装到另一片的凹落部分而连接在一起。层压过程不断重复，直到50块冲片都被连接好。 如图3所示，根据层压部分的几何图形，有四种类型，L型，V型，圆型、长方型，图2给出的转子铁芯和定子铁心的层压类型分别属于L型和矩形。级进模设计过程分为两个阶段，操作（冲压工艺规划及模具结构设计）图4显示了图2所示的铁芯的条料分布。一共十个工位，工位15用于加工转子上的孔和导孔，工位6用于层压转子铁芯，工位7是空工位，工位3,8,9主要是加工定子上的孔，工位10用于层压定子铁芯。对电机铁芯多工位级进模的结构设计如下：（1）根据条料分布的大小，确定模具设备，概述模具总体结构（2）然后设计镶件，冲头，
14、冲模，和其他成型零部件及定位孔（3）根据具体情况，把辅助设备如导向销，顶针，螺钉，销钉，弹簧，标准件等装配好，模具结构设计时间占总设计周期的2 / 3 。冲头冲模的设计是模具结构设计中最重要的任务，本文基于功能组件为电机铁芯级进模冲头冲模提供了一个自动设计工具。利用良好的设计知识库，包含冲头冲模的组件库，我们的设计工具能够自动输出三维的冲头冲模和他们的工程图纸，以及自动生成定位孔以防止冲头冲模撞到级进模的主要模板。图5：典型的电机铁芯级进模结构。注意：为了清楚的显示结构，一些部件被隐藏，一些部件被透明化第3节 电机铁芯级进模冲头冲模的描述性模型3,.1功能组件的定义要开发一个自动化程度高，灵活
15、，精准的级进模设计系统，对相关对象和过程从初始建模到最终输出有系统性的描述是很重要的4.冲头冲模是决定工件几何形状，尺寸和精度的重要工作部件。对应不同的冲压过程，冲头冲模有不同的轮廓和结构。用多工位级进模生产电机铁芯，工作区域被概括分为一系列的冲头冲模组件，如：用于冲内孔的圆形冲头冲模；用于组件层压的矩形冲头冲模；用于组件层压的弯曲冲头冲模；用于转子定子冲压片落料的冲头冲模等等。每个冲头冲模都在条料上产生一个边缘轮廓，在主要模板上产生一系列的孔。功能组件由功能和几何结构组成。功能是组件的描述，揭示了特定的目的和特征。几何结构是功能的展示。因此，设计师可以把每个功能组件都当成一个设计单元。图6显
16、示了两种冲头冲模组件，他们的边缘轮廓都是圆形的。当圆的直径大于6mm时，应该用A类型的冲头，如图6a所示。相关模板的孔d 的装配如图6b。当圆的直径小于6mm时，应该用B类型的冲头来提高强度，如图6c所示。卸料板和卸料垫板上的孔的装配如图6d。3.2冲头冲模组件的描述性模型。图6：冲制圆孔的两种类型的冲头冲模如图6所示，本文中所定义的冲头冲模组件实际上是一个组件的冲头冲模。为了实现冲头冲模的自动设计，首先应该建立冲头冲模组件的描述性模型。在本文中，如图7.1所示，这个冲头冲模组件的描述性模型包括三个方面的信息：（1）几何信息（2）相关的装配约束属性（3）模板上相关孔的信息。几何信息包括代表切割
17、和形成物体的边缘轮廓和绘图相关的三维冲头冲模的属性，如：材料类型，要求的硬度，描述等等，还有冲头冲模的一组尺寸参数。图7：电机铁芯级进模冲头冲模组件的描述性模型1.几何信息包括被切割成型的部件的边缘轮廓和冲头冲模的三维部件（它包括一些拉深相关的属性，比如材料类型，要求硬度，描述等等，），以及冲头冲模的一组尺寸信息。2.装配关系约束属性由双重配合信息组成。内配合信息包括一系列的对冲头冲模的约束，以确保正确的位置。外配合通过约束和关系或可变的参数方程来使模具正确安装到设备上。3.通过拉深或旋转产生的孔的轮廓和深度。比如说，图6a，6b展示的A型的冲头冲模就会在组件上产生6个孔。他们分别是在凸模固定
18、板上的孔，穿过卸料板垫板的孔，卸料板上的间隙配合孔，凹模固定板上的过盈配合孔，凹模垫板和下模座上的漏料孔。在我们的冲头冲模组件的描述性模型中只考虑两个部分，即冲头和冲模。Jiang RD等人提出来一种插入对象的示意图，他由三个部分的属性组成：（1）绘图相关的属性（2）基本组件（3）装配相关属性约束。他们把冲头，螺钉，凸模固定板作为一个功能插入团组。因为有多种固定板以及和凸模板相关 的多种螺钉位置，所以我们在冲头冲模完成之后再解决这些问题。第四节 基于功能组件的级进模冲头冲模设计方法 为了实现对冲头冲模和相应的孔的设计自动化，必须建立冲头冲模组件库，决定参数数据管理方法。由于我们的工作是在我们的
19、合作伙伴的设计准则的基础上完成的，因此数据库的可维护性，开放性，以及可靠性必须考虑到未来的变化。所以我们的组件库和参数管理方法应尽可能的有利于编辑，添加和删除用户。电机铁芯级进模的冲头和冲模组件库包含在第三节提到的零件和组件信息。参数的管理，则是通过Excel文件来访问ODBC接口。4.1冲头冲模的分类根据我们合作伙伴（级进模公司）的设计准则，冲头冲模可分为3种类型，标准型，半标准型，非标准型。下面将详细的讨论设计方法。1.标准的冲头冲模标准的冲头和冲模具有固定的结构和尺寸，例如，冲制定位孔的冲头的标准如图8所示。定位孔的冲头直径有三种尺寸类型，分别是6.02mm,8.02mm.10.02mm
20、。图8：A型圆凸模图9：非标准型冲头冲模2.半标准冲头冲模半标准的冲头和冲模有固定的形状但尺寸可变。如图8所示，边缘直径D随着不同工件而变化。因此，冲头的尺寸D,d也发生相应的变化。3.非标准冲头冲模尽管大多数有着规则形状如圆形和矩形的最边缘轮廓可以概括和视为半标准的冲头和冲模，但是仍然存在着许多不规则的形状，他们的冲头和冲模需要特别的设计，例如，图9a显示转子和定子的冲压片，图9b,c,d分别是（定子，转子）槽孔和冲裁冲头冲模。4.2 冲头冲模的三维参数化建模实体建模有三种方法，分别是构造法，尺寸驱动法和编程法。第一种方法是最容易的，通过构造功能来建立模型。尺寸驱动法，首先为每种有着命名变量
21、参数的实体建立一个固定的结构模型，然后通过程序修改参数的值，就可以得到新模型。第三种方法是通过编程来建模，程序包含规则，参数和属性约束。在本文中，尺寸驱动法用于标准和半标准的冲头和冲模建模。编程法则是为非标准的冲头和冲模建模。（1）.标准和非标准的冲头冲模的三维建模对于标准的有参数的冲头冲模，如图8所示的圆形导向冲头，将使用如图10所示的构造法为部件建模。图10：导正孔的凸模及其构建图11：A型圆凹模尺寸驱动法把Excel文件和编程结合起来驱动模型的更新。例如，图11是一个A型圆型冲模，参数化的程序如下。（a）首先建立如图11所示的模型，尺寸的名字d,D0，H需要改变；（b）建立一个Excel
22、文件，内容如表1，”和”（）”表示程序中预定义的值域和变量。（c）输入圆的直径，更新的参数值以产生相应的模型。（2）非标准型冲头冲模的三维建模虽然非标准的冲头冲模随工件的变化而变化，但是可以通过冲头冲模的设计准则概括得到它的结构特征。在用户选择了实体的边缘轮廓后，可以通过程序中“拉深”“切除”“旋转”功能来为非标准型冲头冲模建模。4.3冲头冲模组件库在级进模设计，采用硬质合金制造的冲头冲模通常被装配到Cr12制成的模板。在冲头冲模，模板和条料的边缘轮廓之间存在着复杂的约束。必须彻底的考虑冲头冲模组件之间的约束，如定位约束，尺寸约束和附着约束。根据冲头冲模组件的描述性模型，我们建立了五类冲头冲模
23、组件，分别是圆形的，矩形的，弧线形的，开槽型的和落料型的，如图12所示。圆形的，矩形的，弧线形的冲头冲模组件可以被当做标准件，他们的设计过程可以标准化。然而，用于开槽和落料的组件却因不同的电机铁芯而有所不同。这些组件的设计是复杂的，它可以像其他非标准件一样，通过编程的“拉深”，“切割”，“旋转”之类功能来得到。然而，所有的这五类组件，都显式或隐式的包括了描述性模型的信息。图12：五种类型的冲头冲模组件由于冲头冲模组件包含几何信息和功能信息，如何设置组件就成了一个把这双重信息（即几何信息和功能信息）结合在一起的重要问题。在SolidWorks软件中，特征管理设计树和所有的装配特征有关并且可被用户
24、程序访问。所以本文采用参数法建立了冲头冲模组件，并在在SolidWorks软件中用特征管理设计树来管理信息。在下文中，将以矩形冲头和冲模组件的建模过程为例，详细展示建模方法，如图13，14和15所示。1.模型的两个组成部分，对于矩形的冲头和冲模组件矩形的冲头和冲模组件是由“B19.1矩形冲计数”和“b12.3矩形的冲头计数”，如图12所示。凸、凹模半标准件，根据我们的合作伙伴设计规范。用于加载组件中的两个部分的模型，利用4.2中描述的方法建立。2添加组件的内配合关系如图13所示，在特征管理设计树的“mate”那一列，有六种冲头冲模的内配合关系属性。3.构建组件的几何基准 当组件被装配到级进模中
25、，需要通过几何数据使组件被固定在正确的位置。对于矩形冲头冲模组件来说，需要创建如图13所示的三个基准平面（配合平面L，配合平面S，配合面）来使得级进模装配中的相关平面或点的约束重合。而其他两个基准面（凹模板的上平面，凹模板的下平面）在级进模装配中，则通过驱动位置参数以实现开模和合模。4.构建板孔相关的草图矩形冲头冲模组件需要六个孔，他们分别是在凸模固定板，卸料固定板和卸料板上的三个孔，其他三个孔在凹模固定板，凹模垫板和下模座上。如图13b所示（注意，我们不考虑卸料板上的孔，避免垫板和螺钉相撞）。在开发程序中，孔是通过程序“给定草图-草图派生-拉深切割”得到的。因此，孔必须根据模具公司要求的正确
26、尺寸预先建立草图。例如，凸模板上的通孔用于安装冲头。孔的草图由冲头顶端得到。所以一个“凸模板上的孔”的草图就可以表达它。在卸料板上有两个孔用来减少冲头和卸料板的配合行程，上面的孔是圆形的，下面的孔是矩形截面的。所以要给出两个草图。“卸料板1上拉深切割得到的矩形孔草图。“卸料板2深度为4的孔”是一个深度4 mm的圆形孔的草图。六个孔的草图如图13a所示。图13：矩形冲头冲模组件5.设置装配的控制参数和特征尺寸的关系为了快速更新组件和简化编程工作，采用方程方法与内部控制参数相关联。图14显示了矩形冲头冲模组件的方程式。在这里，B = 3，H = 25，R = 3，长度为10，宽度= 8有五个控制参
27、数，参见图15B Width for punch and dieH Height of the rectangular die, it is the same as the height of the die plateR Radius of fillet of the rectangular dieLENGTHWIDTH图14：构建矩形冲头冲模组件的参数和方程表2：功能组件目录下面列出和冲头冲模的控制参数与特征相关的五个方程“HExtrude1B19.1 RectanglePunchforCounting. Part” = “B”“H1Extrude1B12.3 RecktangleDief
28、orCounting.Part” = “H”“D1Sketch1B12.3 RecktangleDieforCounting. Part” = “LENGTH”“D2Sketch1B12.3 RecktangleDieforCounting. Part” = “WIDTH”“B1Sketch1B12.3 RecktangleDieforCounting.Part” = “B” + 0.06方程“D1Hole on die plate 2 depth 5” = “LENGTH” + 1决定了凹模板上孔的直径以下四个方程是在组件被装配到模具上以后是用来确定模具的开合模状态“StripperPlat
29、e_BOTTOMPLANE” =10 “DiePlate_UPPERPLANE” =10 “TGB_BUTTOMPLANEBottom plane of stripper plate” = “StripperPlate_BOTTOMPLANE” “AGB_UPPERPLANEUpper Plane of die plate ”=“Die Plate_UPPERPLANE”因此冲头冲模的功能组件就是通过把结构信息，装配相关信息和孔的信息完美结合起来这样的方法来建立的。4.4冲头冲模组件的数据管理数据管理是非常重要的，它影响设计工具的框架和维护。在本文中，数据层次是采用了双重excel数据文件。第
30、一个层次是各功能部件的目录，如表2所示。表2各项目的意义如下：NAME:组件名称DATA_PATH: 组件xls的数据文件的路径名。DATA:组件xls的数据文件名MOD_PATH: 组件的sldprt文件的路径名。MODEL:组件的sldprt文件名DESCRIPTION: l对应板上的孔的草图的名称当选定具体的组件去设计时，第二层次的数据文件和组件文件将被通过目录中所显示的路径所访问。同时，我们以矩形冲头冲模组件为例来说明存储着表3中的对应参数的excel数据文件的格式。通常，功能程序被设计成这样读取excel文件（从“参数”到“结束”）冲头冲模的设计过程是交互进行的。真正的边缘轮廓由条料布局决定。
