第 8 章　冲压级进模具cad系统及其开发

第 8章　冲压级进模具 CAD系统及其开发8.1　概述8.2　级进模 CAD系统的组成与实现8.3　级进模 CAD开发中的关键技术8.4 级进模 CAD系统的结构与功能

陈泽中 1上海理工大学材料科学与工程学院

8.1　概述

8.1.1　级进模的发展趋势8.1.2　级进模 CAD系统的开发状况及发展趋势


级进模• 级进模

– 是在压力机的一次行程内，在模具的不同工位上完成多道冲压工序。

• 级进模设计– 工艺设计

• 工艺性分析– 毛坯展开、毛坯排样、压力与压力中心计算

• 条料排样设计– 冲压件每道加工工序性质、形状、尺寸设计与计算– 冲废料形状的设计与计算– 工序的排列与布置– 载体形式选择与尺寸计算

– 模具结构设计• 模具总体装配设计

– 送料、卸料、托料、导向、定位方式的选择– 辅助装置（安全、保护、限位）的设计

• 零件设计– 凸模、凹模形式选择（整体、镶块、拼块）与尺寸计算

陈泽中上海理工大学材料科学与工程学院 3

8.1.1　级进模的发展趋势

•1.随着加工零件形状复杂化、大型化，级进模的结构及设计过程更加复杂

–70%~80%的汽车内部结构件

–手机、相机等电子数码产品的自由曲面外壳

–计算机机箱（图 8-1）：模具长达 4m

•2.加工零件的小型化、高精度，要求级进模制造更加精密–电子芯片、集成电路引脚：几十微米（图 8-2）

•3.级进冲压的高速化–＞ 1200 次 /min，最高＞ 4000 次 /min


图 8-1　计算机机箱冲压零件


图 8-2　电子芯片的引线框架


8.1.2 级进模 CAD系统的开发状况及发展趋势• 级进模 CAD系统的分类– 1）在通用 CAD系统基础上开发的增强型模块（主流）

• 功能强大、开放性好，可直接利用通用 CAD系统的功能– 基于 UG NX 的 PDW– 基于 PRO/E: PDX– 基于 SOLIDWORKS: 3D QuickPress, logoPress3D

– 2）专用的级进模 CAD系统（较少）• 以几何图形运算引擎（ Parasolid, ACIS)为基础，由它们提供简单的造型功能

• 速度快、性能好、但功能有限– TopSolid– VisiCAD


级进模 CAD系统的发展趋势

•1.级进模 CAD和 CAM的结合日益紧密•2.CAE技术在级进模设计中的应用不断深入

–1）对复杂形状的零件进行展开和中间工序形状设计

–2）对模具结构进行运动模拟和干涉检查

•3.知识重用技术的应用日益迫切•4.协同设计的需求不断增加


8.2　级进模 CAD系统的组成与实现

8.2.1　级进模 CAD系统的功能8.2.2　级进模 CAD系统的组成结构8.2.3　级进模 CAD系统的实现技术


8.2.1　级进模 CAD系统的功能•(1)产品模型建立　

–建立基于特征的几何模型，将冲压产品几何信息输入到计算机内，以便计算机识别产品几何形状，并提供后续工艺和模具设计所需要的几何与非几何信息，以满足工艺、结构设计的需要。

•(2)产品工艺性分析　–检查零件的结构尺寸是否在冲压加工所允许的极限值内。

•(3)工艺设计　–在产品模型以及工艺性分析的基础上进行毛坯展开与毛坯排样，并完成条料排样，确定各种工艺参数，进行工艺力计算。

•4)模具结构设计和模具制造　–确定模具结构类型，进行模具总装设计，确定各模具零件信息及相互装配关系，绘制模具总装图和零件图，并为 NC加工制造提供必要信息。


8.2.2　级进模 CAD系统的组成结构

•(1)图形系统　–级进模 CAD系统的基础，为级进模 CAD系统提供造型功能支持。–类型

•基于通用的造型系统： AutoCAD 、 NX 、 Pro/E 、 CATIA 、 SolidWorks

•基于几何图形运算引擎： Parasolid 、 ACIS

•(2)应用系统　–级进模 CAD系统的主体部分，其他系统都围绕着它运行并为其服务。

•产品定义•工艺设计•模具设计•工程图样生成


8.2.2　级进模 CAD系统的组成结构•(3)信息系统　

–由数据库系统与文件系统组成，主要完成两种工作•1）存储应用系统中各子系统生成的设计结果信息和中间信息

–产品信息–工艺信息–模具零部件及结构信息–NC信息

•2）存储应用系统所需的–各种设计数据–标准化的模具结构和零件信息

•(4)辅助系统　–产品展开工具–标准件库–标准模架库–建库工具


8.2.3　级进模 CAD系统的实现技术

1.级进模冲压工艺设计2.级进模模具结构与零件 CAD


1.级进模冲压工艺设计• 级进模冲压工艺设计的技术路线类型– 1）以冲压钣金特征为中心（应用较少）

• 设计围绕钣金特征及其中间变形过程来进行• 毛坯展开、条料排样等都以特征为单位进行• 优点

– 概念清晰、工艺力的计算及子模设计较方便• 缺点

– 钣金特征难以脱离零件实体独立存在– 中间变形形状的描述不方便，功能受到限制

– 2）以零件整体为对象（当前主流级进模 CAD系统采用）• 每个工位的特征形状以零件整体的形式保存• 灵活性和功能大大增强


1.级进模冲压工艺设计

•(1)毛坯展开　–将钣金零件展成平面形状，并将其他相关联的特征变换到相应位置，从而

获得毛坯形状的过程。

•(2)级进模条料排样设计　–在毛坯排样的基础上，根据钣金零件的形状特点，确定逐步冲压成形的加

工工艺及顺序。

–可采用图 8-3所示的冲压工艺特征映射进行条料排样设计。


图 8-3　冲压工艺特征映射过程


2.级进模模具结构与零件 CAD

• 级进模模具结构的手工设计路线– 条料排样图– →总体结构– → 详细设计组成零件– 自顶 -----------------------------→向下

• 级进模模具结构的 CAD设计路线– 条料排样图– →模具总体结构– → 典型结构库中实例化一个典型结构图– → 详细零件 CAD– →零件装配– 自顶 -----------------------------→向下


2.级进模模具结构与零件 CAD

•(1)级进模结构的装配模型　–级进模零件之间的层次关系（图 8-4）

•无法完整描述零件间的复杂约束关系

–级进模零件之间的约束关系（图 8-5）

•在层次模型的基础上，增加零件间的约束虚链，可有效描述零件间的约束和关联


图 8-4　级进模的层次结构


图 8-5　约束关系树模型


(2)总体结构及零件设计•级进模零件的分布区域（图 8-6）　

–工作区

–非工作区

•总体结构及零件设计–工作区内零件的交互设计–非工作区内零件及模架的标准化设计


图 8-6　级进模零件的分布特点


(2)总体结构及零件设计•1）模架设计–根据条料尺寸→从模架库中选择合适的模架模型→实例化处理→插入到相应的位置

•2）零件设计–标准件

•从标准件库中选择相应的零件→实例化处理→插入到相应位置–工作件

•采用交互式设计

•3）辅助装置设计–从辅助装置库中选择相应的装置模型→实例化处理→插入装配模型


8.3　级进模 CAD开发中的关键技术

8.3.1　级进模设计中的变更及关联技术8.3.2　钣金特征识别8.3.3　零件展开及中间工序的生成8.3.4　级进模结构协同设计技术8.3.5　级进模干涉检查


8.3.1　级进模设计中的变更及关联技术

1.中间工序形状的关联技术2.冲裁模具结构关联及变更


图 8-7　级进模设计中的变更

级进模设计上下游间的依存关系


2.冲裁模具结构关联及变更

•(1)冲模关联设计的实现　–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。

•(2)冲裁凸凹模结构的设计变更　–引起冲模结构发生变化的原因有原始冲压件改变、废料设计改变、条料变

化、模架参数调整以及冲裁部件自身的参数调整等，如图 9-10所示。


•1)冲裁模参数化模型库的建立：创建模型主要有两种方式。•2)废料与冲裁凸凹模的关联：废料的形状决定着凸模和凹模的主要形状，因此需要建立冲裁凸凹模与废料间的关联。•3)冲裁凸凹模长 (高 )度的确定：冲裁凸模的长度、凹模镶块的厚度以及凹模型腔和落料孔的高度都应与相应模板的厚度保持一致。•4)冲裁部件与废料的位置关联：台阶式凸模的基座、凹模镶块、下垫板和模座中的落料孔与对应废料没有形状关联，但是存在位置关联。•5)冲裁凸凹模的创建流程：对于标准凹模镶块，用户可以设置镶块形状及其他参数等。陈泽中 28上海理工大学材料科学与工程学院

图 8-8　凸凹模的结构形式与模型库的映射关系


表 8-1　位置 UDO定义

类　名 Positioudo

lindef ［ 0 ］冲裁部件

Lindef ［ 1~m ］废料

ints ［ 0 ］冲裁部件类型

doubles ［ 0~8 ］部件位置信息


表 8-2　队列 UDO定义

类　名 Queuudo

Lindef ［ 0 ］位置 UDO对象

doubles ［ 0~5 ］部件位置增量信息


图 8-9　冲裁凹模镶块设计流程


图 8-10　设计变更关系流示意图


图 8-11　从条料排样到冲裁部件 UDO关联更新流程


8.3.2　钣金特征识别

1.基于图的冲压零件特征表达2.冲压零件特征识别方法与过程


表 8-3　典型钣金特征的图描述

特征类型特征图参数说明

平板 E∶边P∶平面

弯曲 E∶边Cy∶圆柱面

异形孔 P∶基本特征上（下）表面E∶边F∶侧面


2.冲压零件特征识别方法与过程

•(1)实体模型的有效性检查　–在特征识别时，首先检查实体模型的合法性，实体模型除必须满足拓扑流

形的要求，即实体模型不能有悬边和悬面。

•(2)特征的识别　–基于图的特征识别方法的基本思想是通过将几何模型中的数据与预定义的

特征数据进行匹配，提取出零件特征，然后建立特征模型。

•(3)特征关系的建立　–钣金零件中的所有特征都被识别出来以后，还需要建立特征间的关系。


图 8-12　钣金特征识别流程


表 8-4　典型特征的识别算法

基本特征平板和弯曲特征　 1）选定一个面 ( 平面或者圆柱面）；　 2）搜索的对面′，匹配的条件是：′ ={F|F//, dir（ F）=-dir（）， dist（ F，）≤THICKNESS} ；　 3) 判断的类型，如果是平面，则记录该特征类型为平板特征；否则记录为弯曲特征

孔、槽及异形孔特征　 1）选择一个内环面，将添加到列表 List中；　 2）查找与该面相邻的内环面，如果为空，并且为圆柱面，则创建圆孔特征，否则如果不为孔，则将添加到 List中；　 3）判断列表 List中内环面的个数 n，如果 n=4，圆柱面和平面交替连接，且两个圆柱面的圆角半径相同，则标记该特征为槽特征，否则标记该特征为异形孔特征


表 8-4　典型特征的识别算法

附加特征过渡特征　在特征识别的过程中，不但要识别出每一个特征，而且每一个特征的类型也必须被标识出来。由于冲压零件中常有一些复杂过渡形状，这些过渡特征的表面往往是一些复杂的曲面，在基于 STEP的文件中，复杂曲面是通过 NURBS曲面来表达的，在特征识别过程中，对于那些复杂过渡曲面，首先提取出零件模型中 NURBS曲面的相关参数，然后记录下相关的特征和几何信息。对于这类特征的识别，可以通过手工识别的方式来进行，其过程是用户通过交互选择的方式，对属于过渡特征的几何平面进行标识，然后再自动添加相应的语义信息


8.3.3　零件展开及中间工序的生成

•1. 钣金零件的分类•2. 混合形状钣金零件展开的一般流程•3.直线弯曲多步展开技术•4. 混合形状零件冲压工艺设计实例


图 8-13　混合形状钣金零件的展开流程


3.直线弯曲多步展开技术

•(1) 弯曲面的分割方法　–级进模生产中，由于工艺条件的要求，许多直线弯曲的区域不是一次成形

的，而要分多步完成，为了完成这个过程，首先需要对多步成形的弯曲面

进行分割，将一个弯曲分为多个，然后分别展开。

•(2)分割工具面创建方法　–指定了弯曲面和分割的个数、角度后，需要创建通过弯曲面中心和指定方

向的平面，作为分割弯曲面的工具。


图 8-14　弯曲的多步分割


•1)求出选择的所有弯曲面的最大包围盒；•2)求出弯曲面的轴线方向；•3)对弯曲面轴线方向的三个分量求绝对值，选择绝对值最大的方向作为参考方向；•4)过最大包围盒的左下角点、右上角点，以上述参考方向为法线方向，分别求得两个平面；•5) 沿弯曲面的轴线方向创建一条无穷长的直线；•6)求此直线和两个平面的交点，以这两个交点为端点，创建一条直线段，作为拉伸的截面线，拉伸截面线的生成方法如图 9-15

所示。陈泽中 45上海理工大学材料科学与工程学院

图 8-15　拉伸截面线的生成方法


图 8-16　接插件零件的分区


4.混合形状零件冲压工艺设计实例

•(1)直线弯曲的多步展开　–该接插件的前端有两个 180°的弯曲，在级进模生产中，这种 180° 弯曲一

般分三步成形： 90° 弯曲，侧面推弯，最后压平。

•(2)自由形状的展开　–对于自由形状实体，采用有限元模拟算法，其展开过程如图 8-18所示。


图 8-17　 180°弯曲的展开过程a)拍平　 b)推弯　 c)90°弯曲　 d)毛坯


图 8-18　自由形状实体的展开过程a)原始实体　 b)展开的毛坯轮廓　 c)创建的毛坯实体


8.3.4　级进模结构协同设计技术

1.模具协同设计的层次2.级进模结构协同设计3.级进模结构协同设计实例


1.模具协同设计的层次

•(1)产品模型的协同　–电子化的产品信息模型是客户需求、设计意图、加工目标等的载体和直观

表达，所有具有不同知识背景或处于不同开发阶段的协同人员都以此为基

础，获取或添加必要的信息，推动设计工作的深入，实现共同的目标。

•(2) 业务流程的协同　–业务是与企业运营相关的一切活动。

•(3) 项目管理的协同　–协同设计平台通过网络将空间分布的企业集成在一起，形成物理上分布、

逻辑上集中的有机整体。


2.级进模结构协同设计

•(1)模型信息同步　–信息同步，即不同设计成员看到和访问的信息资源要保持一致。

•(2) 消息同步　–消息通信在级进模协同设计中起着桥梁的作用。


3.级进模结构协同设计实例

•(1)系统组成•(2)运行过程　

–在完成工程的初始化后，设计成员开始设计子模。


(1)系统组成

•1) 初始化工程。•2) 打开工程。•3)模型保存。•4)模型更新。•5) 消息查看。


图 8-19　模型保存后的信息和位置


图 8-20　模型更新的信息和操作


8.3.5　级进模干涉检查

•1.级进模结构的分解•2.级进模运动仿真系统工作流程•3.级进模运动仿真关键技术•4.系统实例


8.3.5　级进模干涉检查


2.级进模运动仿真系统工作流程•(1)建立模型　

–用造型模块建立三维零件模型，同时根据零件在模具中的作用，分别赋予各零件若干属性名、属性值并建立需要的表达式，通过属性名和属性值来记录该零件在这套模具中的位置和作用，而表达式则记录了这套模具的相关数据，为后面建立运动机构做准备；用装配模块完成模具组装，以建立整套模具的模型。

•(2)建立运动仿真分析场景　–运动仿真分析场景是运动模型的载体，运动模型的全部数据都存储在运动场景之中。

•(3)建立运动仿真分析机构　–运动仿真分析机构 (Mechanism) 包括建立连杆 (Link)、运动驱动函数 (Driver Function)和运动副 (Joint)。


2.级进模运动仿真系统工作流程

•(4)求解运动分析场景　–调用通用求解器对建立好的机构进行求解。

•(5)后置处理　–读取前面生成的求解文件，根据读取到的数据生成动画、曲线和图表以

形象地看到仿真的结果。


图 8-21　运动仿真系统工作流程图


3.级进模运动仿真关键技术

•(1)模具结构的识别　–根据级进模的结构特点，对绝大部分的零件，一般至少要赋予两个属性来

记录它们的功能和层次，而有些需要赋更多的属性。

•(2)机构的建立•(3)建立运动副　

–在级进模运动仿真系统中，使用滑动副 (Slider Joint) 基本就可以满足要求。


(2)机构的建立

•1)建立连杆。•2)建立运动驱动函数。


表 8-5　级进模连杆分类表 (部分 )

连杆名称功能类别名包含零件运动规律说明

L0uppeplate

上模板　上模座，垫板，凸模固定板等

　上 (上模座上行到上顶点 )→停 (上模座静止，送料 )→ 下(上模座下行到闭合状态 )→停 (上模座静止，保持下压力 )

工作单元　各种凸模，也有例外，如 Bend

定位　导正销，侧刃等

导向　导套，小导套

连接　螺钉，销钉等



L0loweplate

下模板　下模座，垫板，凹模固定板等

　固定 ( 下模座固定不动 )

工作单元　各种凹模导向　导柱，小导柱卸料　固定卸料板连接　螺钉，销钉等



L0strippeplate

卸料板　卸料板，卸料板垫板等

　停 (卸料弹簧压力使得卸料板静止，下压条料进行卸料 )→上 (在卸料螺钉的带动下随上模一起上行 )→停 (随上模座保持静止 )→ 下 (随下模座下行，下压条料至闭合状态 )

卸料螺钉　卸料螺钉定位　小导柱工作　一些凸模，如 Bend

凸模连接　连接螺钉，销钉


图 8-22　 F0uppeplate函数曲线图a)速度 -时间曲线图　 b)位移 -时间曲线图


4.系统实例

图 8-23　级进模状态图a)级进模开启状态图　 b)级进模闭合状态图


8.4 级进模 CAD系统 (UG/PDW)的结构与功能• 8.4.1 级进模 CAD系统的总体结构• 8.4.2 级进模 CAD系统的功能模块• 8.4.3 级进模 CAD系统的数据流• 8.4.4 级进模 CAD系统的主要功能


8.4.1 级进模 CAD系统的总体结构• 级进模 CAD系统 UG/PDW的总体结构（图 8-24）– 毛坯展开– 毛坯排样– 废料设计– 条料排样– 模具结构与零件设计– 设计过程管理– 标准件与典型结构库管理– 工程图纸生成


图 8-24 级进模 CAD系统的总体结构


8.4.2 级进模 CAD系统的功能模块• 1．设计管理模块

– 通过项目的方式，建立一个新的级进模设计任务或装载已有的设计任务，并以项目的方式统一管理设计结果。

• 2．毛坯展开模块– 根据钣金零件的模型，展开钣金零件上弯曲和成形部分的形状，创建相应的毛坯模型。

• 3．毛坯排样模块– 确定毛坯的排样形式（如单排或双排等）、毛坯的方位、排样步距及搭

边等，并自动计算材料利用率。• 4．废料设计模块

– 在毛坯排样的基础上，将毛坯间需切除的废料分割成一组简单的轮廓形状。另外，根据废料设计的需要，还应提供废料搭接处理的功能。


• 5．条料排样模块– 确定弯曲、翻边和拉深等成形工序，并布置工位，布置废料的分

割、切除工位。– 需要考虑多种复杂因素，故采用交互设计方式，由设计人员确定需成形的部件及其成形工序和成形工位，然后由系统自动在相应的工位上生成工序形状。

– 为了审核条料排样结果的合理性，还应提供条料的仿真结果。• 6．模具结构及零件设计模块

– 模架设计• 标准的典型结构，可从典型结构中选择。

– 凸凹模工作组件的设计• 因工序类型的不同而不同，设计功能也相应分类。

– 辅助装置设计• 通常都是一些标准结构，采用从典型绪构库中选用的方式进行设计。


• 7．标准件及典型结构库管理– 典型结构

• 是由一组标准件和常用件组成的具有一定功能作用的装配体。– 应将标准件和典型结构有效管理

• 设计引用• 增加库中的标准件或典型结构• 删除库中的标准件和典型结构

• 8．工程图纸的管理– 将三维设计模型转换为二维图纸模型

• 总装图• 零件图• 相关技术要求和图表


8.4.3 级进模 CAD系统的数据流


图 8-25 级进模 CAD系统的数据流

8.4.4 级进模 CAD系统 UG/PDW的主要功能• (1) 三维设计

– 以 UG为平台– 产品模型、工艺分析与设计、模具结构设计：三维造型– 数据的一致性，与 CAE/CAM等无缝连接。

• (2)基于特征的工艺设计– 使用基于特征的方法

• 实现工艺定义的自动化，实现关联设计。• 特征与对应的模具结构零件相关联

– 当特征移动或删除，其对应的零件也将被移动删除。

• (3)基于约束的模具结构设计– 所有的结构零件使用装配约束来装配和定位– 模具的镶件以组件库的形式提供。


• (4)零件冲压过程的仿真– 在条料排样结束后，可以进行成形过程仿真

• 检查条料是否在中间被切断，工步的顺序是否正常等，以帮助用户判断条料排样是否正确。

• (5)开放的标准库及镶件库– 提供了标准模架、标准件及镶件库– 可以进行选择、修改和定制等工作。

• 常见的Misumi（日本）、 Strack（德国）、 Danly（美国）等标准件都存在库中，供用户选择。

• (6)强大的辅助功能– 明细表的生成– 开孔– 二维图生成和显示管理– 钣金零件的识别

• 方便用户使用系统设计的零件。


图 8-26　 PDW所有功能模块

本章思考题• 1.级进模的发展趋势有哪些？• 2.级进模 CAD系统的功能一般包括哪些内容？• 3.在级进模的工艺设计中，为什么要设计中间工序形状？如何保证工序形状的正确性？

• 4.在冲裁模具结构的关联设计中应用了哪几种关联方式？各起什么作用？

• 5.在钣金特征识别中，为什么用图来表达零件特征的形状和特点？• 6.冲压零件的展开算法一般有哪几种方法？各有什么特点？• 7.在零件展开过程中，什么情况下进行直线弯曲面的分割？• 8.请通过调研，分析市场上有哪些软件可以完成自由形状的展开工作。• 9.什么是协同设计？试分析为什么级进模的设计过程需要协同设计？

如何开展？• 10.什么是运动仿真？级进模运动仿真系统的工作流程是什么？• 11. 解释如下名词：连杆、运动驱动函数、运动副。


第 8 章 冲压级进模具cad系统及其开发

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