基于CATIA的钣金零件展开

刘学杰，田玉艳，王亚丽

（中国飞行试验研究院 改装部，西安 710089）

0 引言

钣金零件因具有结构简单、外廓尺寸大、加工成本低等特点，广泛应用于航空及机械工业。但钣金零件的展开方式仍以近似解析计算为主，零件成形后需要修复尺寸，这种方式不仅浪费人力物力，而且精度差，易使工件报废，不能与当前先进的加工方法及设备适应。

CATIA 是由法国达索公司开发的三维制图软件，提供强大的钣金模块，可以实现钣金零件的设计、加工等。基于CATIA 的钣金零件展开法是指通过把三维模型钣金零件展开，将其转换成二维工程图,实现钣金零件的平面展开。本文从展开原理上将其与其他两种展开方法进行对比，寻求一种比较合理的钣金零件展开方法，以适应当前先进的加工方法与设备。

1 钣金零件的传统展开法

1.1 钣金零件的传统展开法［1］

钣金零件弯曲过程中长度不变的中间层，即为中性层。求解钣金零件展开尺寸的过程，其实就是确定中性层长度的过程。

当弯曲变形程度不大（r/t 很大）时，可以认为中性层位于板料厚度中间，其曲率半径为：

当弯曲变形程度很大（r/t 很小）时，中性层的曲率半径为：

其中：r为弯曲件内角半径；k为中性层位移系数；t为弯曲材料厚度，mm。一般认为，k 与厚度t 及折弯半径r 等有关，其对应关系见表1。

表1 板料弯曲中性层位移系数

图1 弯曲件截面图

一般钣金零件（包括板及圆杆类）的展开如图1 所示，整个毛坯的展开尺寸等于弯曲零件各直线单元长度与各弯曲单元中性层展开长度的总和：

公式中的中性层位移系数k 不仅与厚度t 及折弯半径r 有关，还与材料特性、加工设备及加工方式等有关，所以这种展开方式只能应用于一般钣金零件的展开。

对于锥形、天圆地方体及其他不规则零件的展开，需要使用到解析法展开，不仅工作量大，公式繁琐，精度不高，易出废件，而且有的不规则零件可能无法按传统的方法展开。

1.2 钣金零件的AutoCAD 展开法

对于规则折弯类零件，AutoCAD 的展开方式与传统展开方式一样，这里不赘述。对于某些不规则的零件，利用AutoCAD 展开方法是先将钣金零件的特征曲线绘出，利用影射关系确定零件展开后的一系列具有代表性的特征点，然后利用光滑曲线将各个特征点连接起来，组成封闭的曲线轮廓即被认为是零件的展开图形。

图2为某斜口管类零件的展开图。零件按1∶1 比例绘出，将圆按12 等分，然后绘制长度2πr 的线段，亦将其12等分，将零件的径向尺寸映射在线段等分点处的垂线上。将各个映射点连接与开端末尾处的垂线段成封闭的轮廓，即为斜口管类零件的展开图。根据精度要求，可以将其24、36 等分以获得更高的精度。

图2 斜口管类零件展开

由上例可以看出，钣金零件的AutoCAD 展开法是传统展开方法的升级，使用AutoCAD 绘图软件将钣金零件按映射的规律对其展开尺寸进行求解，对于某些特殊钣金零件同样无能为力。

2 钣金零件的CATIA 展开法

钣金零件的CATIA 展开法与传统展开方法有本质的区别，CATIA 展开方法是一种参数化、智能化的三维建模过程，完全由程序模拟钣金实际成形加工过程运算。使用CATIA 展开法需要完成钣金零件的三维建模。首先按要求设置钣金参数，它主要包括展开方程、材料数据和表数据的编辑确定。然后建立钣金件的三维模型，将模型转化为二维工程图。

2.1 钣金零件的参数设置

钣弯件的厚度及缺省弯曲半径在钣金参数设置对话框内直接修改即可。钣金件展开长度的计算如下：

如图3 所示，CATIA 软件将钣金零件展开后分成两部分：直线部分和弯曲部分。则尺寸L 可以用下式求解：

其中A、B、R、α、W、T 如图3 中定义，α 单位为弧度，W为弯曲允许宽度，可以用下式进行计算：

其中，K为中性层位移系数，在缺省状态下，根据DIN 标准将其处理成R 与T 的函数，则有：

也可以不激活这个公式，使用Knowledge advisor 工作台对该公式进行修改，还可以根据需要给K 赋一个特定的值（见图4）。

图3 钣金零件展开长度计算示意图

图4 K 因子赋值

2.2 基于CATIA 的钣金零件的展开过程

CATIA 的钣金件建模过程中需要对钣金件加工中的工艺裂缝、折弯圆角等工艺参数进行设置。在进行零件建模设计时，如有不符合实际加工的结构或工艺性问题，CATIA 软件将对其进行报错处理，提示设计人员进行修改，直到满足要求。设计完成后，应用展开命令，即可按设置的弯曲参数自动生成精确的金属平板模型，利用工程图模块中的视图投影功能将平板模型转化成二维图，保存为DXF、DWG 等格式的文件，以便输出至具备处理CAD 文件能力的数控设备（数控冲床、数控切边机等），进行零件精确下料。

3 实 例

注意：绘制“地方”草图时，需在4 个直角处加工适当大小的圆角，以防止进行金属墙弯曲成形时报错（因棱角处不连续）。

图5 天圆地方体钣金零件展开过程

图5（d）中虚线部分为按传统解析法展开视图，下端的“地方”开口处轮廓被处理成直线，上方圆口为多段弧线，为方便解析，这些元素都是按近似曲线展开的，降低了下料难度，零件成形后需要对零件进行修形以满足使用要求。而由CATIA 展开的尺寸图则根据零件的外形按其实际加工过程成形，然后再反推展开投影而成，更加接近零件的真实外形尺寸，可以按照其轮廓进行下料，一次加工成形。

基于CATIA 钣金模块的一般钣金零件的展开比较简单，这里不再实例介绍。

4 结语

本文从原理部分介绍，并进行了钣金零件的几种展开方式的对比。应用CATIA 软件中的钣金模块进行钣金零件的展开，与用传统展开方法相比，效率及展开精度极高，能降低钣金加工过程中因展开尺寸不合适原因而造成的返修率。基于CATIA 钣金模块展开的图形数据可以与钣金数控设备直接进行数据交换，能适应现代数控钣金设备加工特点，为钣金零件设计及加工的方式提供一种新的思路。

［1］翟平.飞机钣金成形原理与工艺［M］.西安：西北工业大学出版社，1995.