基于逆向工程的金属材料模具设计研究

孔藤桥

（共青科技职业学院，江西 九江 332020）

1 逆向工程技术简介

随着计算机技术的快速发展，CAD技术已经成为产品设计开发人员必不可少的技术之一。而在产品的开发设计过程中，设计人员所需要的技术资料通常是无法从产品的实物模型中直接得到的，需要设计人员通过一定的途径把实物模型转换成CAD模型。在这个过程中，逆向工程就发挥了其重要的作用。

逆向工程技术，又可以称作反求工程或反求设计，指的是借助一定的测量手段，对实物或模型进行全面的测量，测量之后依据测量所得到的数据进行模型的重建。传统的正向工程是将未知的设计理念通过工程师的努力和劳动变成人类需求的实物的过程。而逆向工程则是以产品原型为基础，通过测量手段获取产品的三维数字模型，以便能够通过测量数据获取更多关于产品的信息。逆向工程技术包含广泛的技术方向，如形状反求、材料反求、工艺反求等，在工业领域中主要有以下几个方面的应用：对新产品进行改型设计或仿形设计；对已有的产品进行复制，明确原产品的设计意图；对磨损的零件进行还原；对模型进行数字化检测，便于模型间的对比分析，如分析产品变形原因、检测焊接质量等。逆向工程加快了产品设计速度和制造速度，同时也为产品的设计制造提供了很好的技术支持，是当前制造业中进行信息传递的重要途径。

逆向工程的测量过程可以根据测量头是否与零件有接触而分为接触式测量和非接触式测量两种。其中，接触式测量所用到的三坐标测量机是一种具有很强柔性的大型测量设备，是20世纪60年底发展起来的具有高效率、高精准度的新型测量仪器，接触式测量由于测量头的不同又分为触发式测量和连续式测量，接触式测量通常用于材质较硬、形状简单、定位容易的实物测量；非接触式测量则由于采用的测量原理不同而被分为三角形法、激光干涉法、CT测量法、MRI测量法等，非接触式测量通常用于材质较软、已损坏以及超薄等实物的测量，如橡胶、油泥、人体头像等。

2 逆向工程技术的重要环节

2.1 环节一：准备工作

在利用逆向工程对金属材料模具进行设计开发的过程中，需要对原有模型的设计思想进行深入的研究，以便发现原有模型上存在的不足以及需要修复的地方。可以说，逆向工程设计并不是对原有模型的复刻，而是对原有模型的重新设计。因此在进行准备工作的时候，需要明确设计的整体思路以及模型构成形状的曲面类型。

2.2 环节二：数据采集

数据采集在逆向工程中是最基本的环节，能否采集到精准的数据直接决定了逆向工程技术的成功与否。在数据采集的过程中，需要获取原有模型上的三维数据点，这通常需要用到三坐标测量机、激光三维扫描、结构光测量等装置。

2.3 环节三：数据处理。

数据处理在逆向工程中是最重要的环节，具体的处理方法主要包括点云处理、曲线处理、曲面处理、误差分析等。其中，点处理过程主要分为多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。曲线处理过程是指在明确曲线类型的基础上，让曲线更流畅，同时也可以根据已有的点创建曲面。对于曲线的精确度、平滑度、连续度等方面应当进行检查，对存在的问题进行修改。曲面处理过程是指在明确曲面类型的基础上，让曲面更加精准或光滑。对于曲面的精确度、平滑度、连续度等方面应当进行检查，对存在的问题进行修改。数据处理的误差分析主要是对轨迹误差、测量误差、加工误差以及拟合误差等进行分析，使数据更加精准。

3 逆向工程技术在金属材料模具设计中的应用

在现代工业生产中，有超过六成的工业产品都需要模具，因此，模具的设计尤为重要。由于模具具有几何形状的特点，以及其独特的生产方式，所以逆向工程在模具设计制造中有着极其广泛的应用。具体体现在以下几个方面。

3.1 依据原有金属样件制造模具

通常情况下，开发设计人员从上游厂商那里并不能直接拿到样件的数据模型，而是直接拿到实体物件，这时候就需要对原有的金属样件进行逆向工程，以便得到样件的CAD模型，可以对其具体的数据进行分析，从而对产品进行创新制造。首先根据样件的实体进行数字化点云，利用逆向工程软件建模，随后对模型数据进行分析和处理，得到合理的金属模具设计方案，最后在得到的CAD模型上进行完善并生产制造。

3.2 对金属材料模具进行修改定型

对于金属材料模具的设计和制造并不是一次成型的，因此需要通过反复的修改才能得到更加符合要求的模具。但是，模具外形的改变并没有直接体现在原始的CAD模型上，此时就需要借助逆向工程的表面数字化和CAD模型重建功能对金属材料模型进行修改。这个应用有效地减少了设计制造的时间，大大提高了金属材料模具的生产效率，同时还在很大程度上降低了金属材料模具的生产制造成本。

3.3 对金属材料模具进行二次创新

当拿到一个金属材料模具的样件时，我们首先需要对其引进技术的设计意图进行分析，在这个过程中通常是对模具进行三维扫描，利用逆向工程软件建立它的CAD模型，得到相关的分析数据，随后根据得到的数字化模型进行分析、消化和吸收，改善其存在的不足，分析其成型的结果是否与实际所需的情况相符合，再通过反复的试验和修改，对模具进行优化，从而达到取其精华去其糟粕的优化创新目的。在金属材料模具设计生产制造行业中很多会运用到逆向工程技术和仿真模拟技术的结合，这两种技术的结合不仅是技术创新的体现，同时也符合了国家长远发展的需求。这两种技术的完美结合在金属材料模具设计生产制造中的应用就充分体现了创新性，是我国发展模具工业自主创新的重要途径。

3.4 对损坏或磨损的金属材料模具进行还原

有很多结构尺寸较大、模具型面形状复杂的金属材料模具，由于具有很高的精度要求和质量要求，且其制造周期相对较长、制造成本相对较高，因此一旦发生损坏或者磨损就会造成很大的损失，鉴于此，修复技术就越来越被人们所重视。当前，在进行模具修复的过程中，大多用到的方法主要有热处理、激光焊接或刷焊、数控加工和表面工程等技术，这些物理修复由于指导方法以及评价标准的缺失，导致其修复成本高、周期长、质量差，更严重的甚至会导致模具的报废。利用逆向工程对损坏或磨损的金属材料模具进行还原是通过对损毁区域的特征进行识别与分析，建立完整的数据模型，运用方法进行冲压成型模拟和分析计算，且对修复后的数据模型进行质量的检测和评价，这个过程在很大程度上降低了模具的修复还原成本并且提高了修复的质量和效率。

3.5 检测金属材料模具的回弹与控制质量

在薄板的冲压成型过程中，回弹是避免不了的一种物理现象，导致这种现象产生的原因与模具的几何形状、材料特质以及接触摩擦等因素相关。目前，CAE技术通过迭代计算从而得到模具最终的补偿型面是检测金属材料模具回弹的主要方法。但是由于仿真技术并不能准确计算出冲压件的回弹程度，所以这种方法并不能保证所得模具的数据准确性。而逆向工程则为金属材料模具的回弹检测提供了新的途径，在得到实际冲压件的数字化模型之后，可以进行误差的计算和分析，检测金属材料模具的回弹，并以此来建立回弹仿真误差的补偿模型，从而对模型进行质量控制。

4 结语

随着我国制造业的快速发展，金属材料在质量和强度方面都有了很大程度的提高，其应用范围也在不断扩大，因此在金属材料模具的设计制造中融入逆向工程技术，将会改变传统的金属模具设计与制造的思路，不仅可以解决复杂的建模过程，同时还能形成一个集设计、制造、检测于一体的指导系统。可以说，逆向工程技术的加入，让金属材料模具的设计和制造具有更高的精度，以低成本、高标准的要求来优化金属材料模具制造，为金属模具开拓更加广泛的发展应用空间。