不规则曲面上异形孔的展开

本文主要建立了由焊缝和母材两个区域组成的含孔洞的焊接接头裂纹扩展仿真模型；研究了航空用6061铝合金焊接接头中孔洞形状、尺寸、位置对裂纹尖端应力强度因子的影响。

异形孔翻边可谓钣金展开中的难点。主流方法有中性层展开、三维软件钣金展开等，两者常用于典型成形件，对于不规则曲面就显繁琐，需后期优化，甚至可能无法实现。还有一种非常规一步成形展开法，属粗犷型，虽然快速、适用范围广，但尺寸偏差较大，一般仅作孔形展开的参考。

 公司新品8228网罩，其油槽孔为变角度、变宽度异形孔，基面为拉深曲面，常规方法展开困难、精度低。产品三维建模过程中，一种全新的方法隐约可见：何不利用一步成形的概念，划分异型翻边面为小片体，再用中性层法去展开呢？这种“小片细分展开”法，既留有前者的快速性，也不失后者的准确性。

常规展开的局限性

中性层展开局限性

异形孔由不同半径的凸圆弧、凹圆弧以及直线组成，各部分的受力状态与变形性质有所不同，直线部分可视为弯曲变形，凸圆弧部分可视为翻孔变形，凹圆弧部分可视为拉深变形。

8228网罩拉深腔顶为圆形，底为圆角矩形，油槽孔翻边与竖直方向成5°斜度，主要由两侧直线和两端凹弧组成。按常规展开，需要分别按各段弧形或直线对应的翻孔形式查找对应公式，再求得各段展开尺寸。

 理论算出来的各段展开线间的各接点一般都不会是光滑顺接的，所以还必须经过后期过渡处理，才能得到品质较好的展开线。整个过程相对比较复杂，花费的时间也相对较长。而且，如图1所示，8228网罩总计有52个这样的孔，按孔形一致性来讲，需要展开26个孔，也就需要计算26次。可见，整个油槽孔的展开，计算的工作量相当大。

图1  8228网罩产品三维图

另外，凹圆弧理论上需按圆孔翻边来计算，但翻查对应的公式，只存在3种情况，即（a）平件翻孔，（b）拉深件翻孔，（c）拉深后再翻孔。本例中，四角曲面上的油槽孔翻边也只能是相对近似，并没有具体公式准确的来计算。

所以，中性层展开有着一定的局限性。对不规则曲面上的异形孔展开来说，此方案不仅耗费的时间会很长，四角油槽孔翻边凹弧段也存在不适用之处，或需要后期完善、调整。

一般三维钣金展开局限性

以UG三维软件为例，三维钣金展开大致可以分为两类：有参数钣金展开和无参数钣金展开。不管是前者还是后者，都要求处理翻边展开的人员同时具备一定的专业钣金知识和三维建模基础。

有参数钣金展开，要求产品在三维建模过程中，必须在“钣金模块”下完成折弯、弯边等的一些操作。对建模人员的综合素质要求比较高，主要体现在其中涉及的一些具体参数的设置上。如果没有相关经验的累积，产品参数化钣金建模展开后的尺寸可能会有较大的偏差。

无参数钣金展开，对现有的三维产品要求没有那么苛刻，不需要有参数，也不用非得在“钣金模块”下生成。但同样需要有可识别的折弯边，才能识别并自动展开。

总体来说，三维钣金展开，一般在主面为平面的单段或多段折弯零件中更为实用。对于不规则曲面上的异形翻孔来说，难以单纯用三维“钣金模块”或者相应无参数展开功能得到其展开。

一步成形展开局限性

一步成形展开，一般属于粗略估计异形孔大致展开形状。真正操作过程中，其精度、运算时间等都与曲面虚拟网格划分的大小有直接关系。网格划分的越是细小，得到的展开线精度就越高，相应的运算时间也就会随之增加；反之，网格越大精度越低，速度就越快，各有弊端。

小片细分展开新方法

8228网罩的油槽孔翻边用以上种种展开方法都无法很好的实现，迫切需要研究一种新方法。那么，此油槽孔翻边是否真的可以简化成普通折弯来处理呢？直边段毫无疑问可以实现，但是两端的圆弧该如何处理，需要进一步深入思考。

受一步成形展开的启发，油槽孔曲面可以尝试细分成5份、10份甚至更多份足够小的片体。这样就可以无限近似成宽度极小的直边翻边，而直边翻边可以用中性层展开法得到较为准确的展开尺寸。

两侧直线的展开

已知油槽孔翻边虽然不规则，但两直线可以近似按翻边简化计算。根据以往网罩钣金展开的经验，可以简化成按内侧材料展开，再加补偿即可，无需查表、套用大堆公式。按角度来说，因为翻孔模具需要将孔向优化成竖直向上、孔夹角10°，所以由直线组成的两侧曲面其实是变角度曲面。具体展开过程如下： 

⑴将翻边外边缘沿折弯线旋转(图2橙色面)，再偏置0.12mm作补偿。

图2  两侧直线的简化展开局部图

⑵与基体拉深曲面求交，得一条相交曲线，即为直边展开。

⑶后期还需要将相交曲线与两头圆弧一起简化成直线段、圆弧。

直线部分的展开，总体来说算是常规的，有一般折弯展开经验的就能想到这样处理。实际上用AutoCAD在二维环境也能完成，不过在三维里操作要更方便、快速，也更直观、高效。

两端凹弧的展开

两端凹弧，其实是二次曲线，并不是圆弧，所以从严格意义上来说，之前介绍的中性层展开法并不适用。如果要用中性层展开的话，需要先将凹弧分段，近似成小段凹弧，再查表套用公式计算。得到的结果大致可以保证准确性，但操作太过复杂，可操作性不强。

这里采用“小片细分展开”新方法，划分两端凹弧曲面为无限段小片体，再等距提取其中的7个小片。因为片体足够小，可以理解这7个片体宽度为0，即为7条直线段。如图2所示，利用三维等分命令将两端凹弧折弯线等分出7个基准点，依次测量并记录这些点到翻边轮廓线的线段长。进UG草图，基准平面与冲裁方向垂直。刚才测量的线段长度对应的就是图3中虚线圆标注直径的半径值。这里按照工艺要求，对两头圆弧翻边高度做了负补偿处理，绿色细实线即为补偿后的位置。再利用样条曲线与各个圆弧做线切逼近，形成图3中橙色线，即为圆弧段展开线。另一头凹弧同样用此方案处理，得到最后完整的展开线。

图3  两端凹弧的简化展开图

展开线的后期优化

通过上面的处理，我们得到了直线、圆弧的展开线，但这些都是样条线。对于后期加工来说并不合理。以往的其他展开都是按冲裁方向将展开线投影至二维环境再逐个圆滑过渡成直线、圆弧的，其耗费的时间也不少。相比之下，对于即得的样条展开线，在UG三维软件中可以简单的用一个“简化曲线”命令来简化所有的样条为直线和圆弧，同时也是圆滑过渡的。

结论

目前这种“小片细分展开”新方法，已经在我公司近期的一些新品中正式开始采用。9100、8325等型号的网罩，其油槽孔均为不规则曲面异形孔翻边。用此方法得到的展开，试制得到的钣金零件都能符合设计要求。

从产品建模到钣金展开整个过程，只需在同一个三维环境下就能很好的完成。省去了软件间的互相转换，也没有庞大的计算量，整个过程清晰明了。

最重要的是，此法得到的简化后的线已经是空间上的展开线了，而AutoCAD环境下，只能在平面上处理展开，需要后期投影转换才能得到真实的展开线。此展开新方法有效避免了在转换过程中出现的一些不必要的错误，更容易保证展开线的质量。

相信在日益现代化，日趋高端化的钣金行业中，这种“小片细分展开”新方法必然形成一股新的趋势，引领未来的钣金零件的发展。 

姚臻

模具设计科副高级工程师，主要从事烟、灶、消、烤、蒸、微等家电钣金件的单工序模、复合模、连续模及自动线类冷冲压模具的开发工作，曾获杭州老板电器股份有限公司年度明星奖、年度十佳青年和公司级标杆员工等荣誉。

——摘自《钣金与制作》 2020年第1期