SolidWorks的鈑金設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)

一、鈑金的計(jì)算方法概論

鈑金零件的工程師和鈑金材料的銷(xiāo)售商為保證最終折彎成型后零件所期望的尺寸，會(huì)利用各種不同的算法來(lái)計(jì)算展開(kāi)狀態(tài)下備料的實(shí)際長(zhǎng)度。其中最常用的方法就是簡(jiǎn)單的“掐指規(guī)則”，即基于各自經(jīng)驗(yàn)的算法。通常這些規(guī)則要考慮到材料的類(lèi)型與厚度，折彎的半徑和角度，機(jī)床的類(lèi)型和步進(jìn)速度等等。

另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)與普及，為更好地利用計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的分析與計(jì)算能力，人們?cè)絹?lái)越多地采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的手段，但是當(dāng)計(jì)算機(jī)程序模擬鈑金的折彎或展開(kāi)時(shí)也需要一種計(jì)算方法以便準(zhǔn)確地模擬該過(guò)程。雖然僅為完成某次計(jì)算而言，每個(gè)商店都可以依據(jù)其原來(lái)的掐指規(guī)則定制出特定的程序?qū)崿F(xiàn)，但是，如今大多數(shù)的商用CAD和三維實(shí)體造型系統(tǒng)已經(jīng)提供了更為通用的和強(qiáng)大功能的解決方案。大多數(shù)情況下，這些應(yīng)用軟件還可以兼容原有的基于經(jīng)驗(yàn)的和掐指規(guī)則的方法，并提供途徑定制具體輸入內(nèi)容到其計(jì)算過(guò)程中去。SolidWorks也理所當(dāng)然地成為了提供這種鈑金設(shè)計(jì)能力的佼佼者。

總結(jié)起來(lái)，如今被廣泛采納的較為流行的鈑金折彎算法主要有兩種，一種是基于折彎補(bǔ)償?shù)乃惴ǎ硪环N是基于折彎扣除的算法。SolidWorks軟件在2003版之前只支持折彎補(bǔ)償算法，但自2003版以后，兩種算法均已支持。

為使讀者在一般意義上更好地理解在鈑金設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程中的一些基本概念，同時(shí)也介紹SolidWorks中的具體實(shí)現(xiàn)方法，本文將在以下幾方面予以概括與闡述：

1、 折彎補(bǔ)償和折彎扣除兩種算法的定義，它們各自與實(shí)際鈑金幾何體的對(duì)應(yīng)關(guān)系
2、 折彎扣除如何與折彎補(bǔ)償相對(duì)應(yīng)，采用折彎扣除算法的用戶(hù)如何方便地將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到折彎補(bǔ)償算法
3、 K因子的定義，實(shí)際中如何利用K因子，包括用于不同材料類(lèi)型時(shí)K因子值的適用范圍

二、折彎補(bǔ)償法

為更好地理解折彎補(bǔ)償，請(qǐng)參照?qǐng)D1中表示的是在一個(gè)鈑金零件中的單一折彎。圖2是該零件的展開(kāi)狀態(tài)。

圖1

折彎補(bǔ)償算法將零件的展開(kāi)長(zhǎng)度(LT)描述為零件展平后每段長(zhǎng)度的和再加上展平的折彎區(qū)域的長(zhǎng)度。展平的折彎區(qū)域的長(zhǎng)度則被表示為“折彎補(bǔ)償”值(BA)。因此整個(gè)零件的長(zhǎng)度就表示為方程(1)：

LT = D1 + D2 + BA(1)

圖2

折彎區(qū)域（圖中表示為淡黃色的區(qū)域）就是理論上在折彎過(guò)程中發(fā)生變形的區(qū)域。簡(jiǎn)而言之，為確定展開(kāi)零件的幾何尺寸，讓我們按以下步驟思考：

1、 將折彎區(qū)域從折彎零件上切割出來(lái)
2、 將剩余兩段平坦部分平鋪到一個(gè)桌子上
3、 計(jì)算出折彎區(qū)域在其展平后的長(zhǎng)度
4、 將展平后的彎曲區(qū)域粘接到兩段平坦部分之間，結(jié)果就是我們需要的展開(kāi)后的零件

稍有難度的部分就是如何確定展平的彎曲區(qū)域的長(zhǎng)度，即圖中由BA表示的值。很顯然，BA的值會(huì)隨不同的情形如材料類(lèi)型、材料厚度、折彎半徑與角度等而不同。其它可能影響B(tài)A值的因素還有加工過(guò)程、機(jī)床類(lèi)型、機(jī)床速度等等。

BA值到底從何而來(lái)？實(shí)際上通常有以下幾種來(lái)源：鈑金材料供應(yīng)商，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)以及一些工程手冊(cè)等。在SolidWorks中，我們即可以直接輸入BA值，提供一個(gè)或多個(gè)帶BA值的表，也可以使用另外的方法如K因子（后面將會(huì)深入探討）來(lái)計(jì)算BA值。對(duì)所有這些方法，根據(jù)需要我們既可以為零件中的所有折彎輸入相同的信息，也可以為每個(gè)折彎單獨(dú)輸入不同的信息。

對(duì)于不同的厚度、折彎半徑和折彎角度的各種情況，折彎表方法是最為準(zhǔn)確的讓我們指定不同折彎補(bǔ)償值的方法。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)每種材料或每種材料/加工的組合會(huì)有一個(gè)表。初始表的形成可能會(huì)花些時(shí)間，但是一旦形成，今后我們就可以不斷地重復(fù)利用其中的某個(gè)部分了。

三、折彎扣除法

折彎扣除，通常是指回退量，也是一種不同的簡(jiǎn)單算法來(lái)描述鈑金折彎的過(guò)程。還是參照?qǐng)D1和圖2，折彎扣除法是指零件的展平長(zhǎng)度LT等于理論上的兩段平坦部分延伸至“尖點(diǎn)”（兩平坦部分的虛擬交點(diǎn)）的長(zhǎng)度之和減去折彎扣除(BD)。因此，零件的總長(zhǎng)度可以表示為方程(2)：

LT = L1 + L2 - BD(2) #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

折彎扣除同樣也是通過(guò)以下各種途徑確定或提供的：鈑金材料供應(yīng)商、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、帶方程或表格的針對(duì)不同材料的手冊(cè)等。

四、折彎補(bǔ)償與折彎扣除之間的關(guān)系

由于SolidWorks通常采用折彎補(bǔ)償法，對(duì)熟悉折彎扣除法的用戶(hù)來(lái)說(shuō)了解兩種算法的關(guān)系就很重要了。實(shí)際上利用零件的折彎和展開(kāi)的兩種幾何形狀是很容易推導(dǎo)出兩個(gè)值之間的關(guān)系方程的。回顧一下，我們已有兩個(gè)方程式：

LT = D1 + D2 + BA (1)
LT = L1 + L2 - BD (2)

以上兩個(gè)方程右邊相等可以變化成方程(3)：

D1 + D2 + BA = L1 + L2 – BD(3)

在圖1的幾何形狀部分做幾條輔助線(xiàn)，形成兩個(gè)直角三角形，變?yōu)槿鐖D3所示。

角度A代表彎曲角，或者說(shuō)是零件在折彎過(guò)程中掃過(guò)的角度。此角也描述了表示折彎區(qū)域形成的圓弧的角度，在圖3中顯示為兩半組成。如果內(nèi)側(cè)彎曲半徑用R表示，用T表示鈑金零件的厚度。用一個(gè)直角三角形來(lái)幫助清楚表達(dá)各種幾何關(guān)系，如圖3中的綠色直角三角形。根據(jù)圖示的直角三角形各尺寸及三角函數(shù)原理，我們很容易得到以下方程：

TAN(A/2) = (L1-D1)/(R+T)

經(jīng)過(guò)變換，可得D1的表達(dá)式為：

D1 = L1 – (R+T)TAN(A/2)(4)

利用同樣的方法，利用另一半直角三角形的關(guān)系，可以得到D2的表達(dá)式為：

D2 = L2 – (R+T)TAN(A/2)(5)

將方程(4)、(5)代入方程(3)可以得到以下方程：

L1+L2-2(R+T)TAN(A/2)+BA = L1+L2-BD

化簡(jiǎn)后可以得到BA與BD之間關(guān)系式：

BA = 2(R+T)TAN(A/2)-BD(6)

當(dāng)彎曲角度為90度時(shí)，由于TAN(90/2)=1，此方程可以得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

BA = 2(R+T)-BD(7)

方程(6)和方程(7)為那些只熟悉一種算法的用戶(hù)提供了非常方便的從一種算法轉(zhuǎn)換到另一種算法的計(jì)算公式，而需要的參數(shù)只是材料的厚度、折彎角度/折彎半徑等。特別是對(duì)SolidWorks的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，方程(6)和(7)同時(shí)提供了將折彎扣除轉(zhuǎn)換到折彎補(bǔ)償?shù)闹苯佑?jì)算方法。折彎補(bǔ)償?shù)闹导瓤梢杂糜谡麄€(gè)零件/獨(dú)立折彎，也可以形成一張折彎數(shù)據(jù)表。

五、K-因子法

K-因子是描述鈑金折彎在廣泛的幾何形狀參數(shù)情形下如何彎曲/展開(kāi)的一個(gè)獨(dú)立值。也是一個(gè)用于計(jì)算在各種材料厚度、折彎半徑/折彎角度等廣泛情形下的彎曲補(bǔ)償(BA)的一個(gè)獨(dú)立值。圖4和圖5將用于幫助我們了解K-因子的詳細(xì)定義。

圖5

我們可以肯定在鈑金零件的材料厚度中存在著一個(gè)中性層或軸，鈑金件位于彎曲區(qū)域中的中性層中的鈑金材料既不伸展也不壓縮，也就是在折彎區(qū)域中唯一不變形的地方。在圖4和圖5中表示為粉紅區(qū)域和藍(lán)色區(qū)域的交界部分。在折彎過(guò)程中，粉紅區(qū)域會(huì)被壓縮，而藍(lán)色區(qū)域則會(huì)延伸。如果中性鈑金層不變形，那么處于折彎區(qū)域的中性層圓弧的長(zhǎng)度在其彎曲和展平狀態(tài)下都是相同的。所以，BA(折彎補(bǔ)償)就應(yīng)該等于鈑金件的彎曲區(qū)域中中性層的圓弧的長(zhǎng)度。該圓弧在圖4中表示為綠色。鈑金中性層的位置取決于特定材料的屬性如延展性等。假設(shè)中性鈑金層離表面的距離為“t”，即從鈑金零件表面往厚度方向進(jìn)入鈑金材料的深度為t。因此，中性鈑金層圓弧的半徑可以表示為(R+t).利用這個(gè)表達(dá)式和折彎角度，中性層圓弧的長(zhǎng)度(BA)就可以表示為：

BA = Pi(R+T)A/180

為簡(jiǎn)化表示鈑金中性層的定義，同時(shí)考慮適用于所有材料厚度，引入k-因子的概念。具體定義是：K-因子就是鈑金的中性層位置厚度與鈑金零件材料整體厚度的比值，即：

K = t/T

因此，K的值總是會(huì)在0和1之間。一個(gè)k-因子如果為0.25的話(huà)就意味著中性層位于零件鈑金材料厚度的25%處，同樣如果是0.5，則意味著中性層即位于整個(gè)厚度50%的地方，以此類(lèi)推。綜合以上兩個(gè)方程，我們可以得到以下的方程(8)：

BA = Pi(R+K*T)A/180 (8)

這個(gè)方程就是在SolidWorks的手冊(cè)和在線(xiàn)幫助中都能找得到的計(jì)算公式。其中幾個(gè)值如A、R和T都是由實(shí)際的幾何形狀確定的。所以回到原來(lái)的問(wèn)題，K-因子到底從何而來(lái)？同樣，回答還是那幾個(gè)老的來(lái)源，即鈑金材料供應(yīng)商、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、手冊(cè)等。但是，在有些情況下，給定的值可能不是明顯的K，也可能不完全表達(dá)為方程(8)的形式，但無(wú)論如何，即使表達(dá)形式不完全一樣，我們也總是能據(jù)此找到它們之間的聯(lián)系。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

例如，如果在某些手冊(cè)或文獻(xiàn)中描述中性軸（層）為“定位在離鈑料表面0.445x材料厚度”的地方，顯然這就可以理解為K因子為0.445，即K=0.445。這樣如果將K的值代入方程(8)后則可以得到以下算式：

BA = A (0.01745R + 0.00778T)

如果用另一種方法改造一下方程(8)，把其中的常量計(jì)算出結(jié)果，同時(shí)保留住所有的變量，則可得到：

BA = A (0.01745 R + 0.01745 K*T)

比較一下以上的兩個(gè)方程，我們很容易得到：0.01745xK=0.00778,實(shí)際上也很容易計(jì)算出K=0.445。

仔細(xì)地研究后得知，在SolidWorks系統(tǒng)中還提供了以下幾類(lèi)特定材料在折彎角為90度時(shí)的折彎補(bǔ)償算法，具體計(jì)算公式如下：

軟黃銅或軟銅材料：BA = (0.55 * T) + (1.57 * R)
半硬銅或黃銅、軟鋼和鋁等材料：BA = (0.64 * T) + (1.57 * R)
青銅、硬銅、冷軋鋼和彈簧鋼等材料：BA = (0.71 * T) + (1.57 * R)

實(shí)際上如果我們簡(jiǎn)化一下方程(7)，將折彎角設(shè)為90度，常量計(jì)算出來(lái)，那么方程就可變換為：

BA = (1.57 * K * T) + (1.57 *R)

所以，對(duì)軟黃銅或軟銅材料，對(duì)比上面的計(jì)算公式即可得到1.57xK = 0.55，K=0.55/1.57=0.35。同樣的方法很容易計(jì)算出書(shū)中列舉的幾類(lèi)材料的k-因子值：

軟黃銅或軟銅材料：K = 0.35
半硬銅或黃銅、軟鋼和鋁等材料：K = 0.41
青銅、硬銅、冷軋鋼和彈簧鋼等材料：K = 0.45

前面已經(jīng)討論過(guò)，有多種獲取K-因子的來(lái)源如鈑金材料供應(yīng)商，試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)和手冊(cè)等。如果我們要用K-因子的方法建立我們的鈑金模型，我們就必須找到滿(mǎn)足工程需求的K-因子值的正確來(lái)源，從而得到完全滿(mǎn)足所期望精度的物理零件結(jié)果。

在一些情況下，因?yàn)橐m應(yīng)可能很廣泛的折彎情形，僅靠輸入單一的數(shù)字即使用單一的K-因子方法可能無(wú)法得到足夠準(zhǔn)確的結(jié)果。這種情況下，為了獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)該對(duì)整個(gè)零件的單個(gè)折彎直接使用BA值，或者使用折彎表描述整個(gè)范圍內(nèi)不同的A、R、T的所對(duì)應(yīng)的不同BA、BD或K-因子值等。我們甚至還可以使用方程生成象SolidWorks提供樣表中所列的折彎表一樣的數(shù)據(jù)。如果需要，我們還可以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，修改折彎表中單元格的內(nèi)容。SolidWorks的安裝目錄下既提供折彎補(bǔ)償表，也提供折彎扣除表，還有k-因子表等，它們均可手工進(jìn)行編輯與修改。

六、總結(jié)

以上介紹的只是SolidWorks軟件中實(shí)現(xiàn)鈑金設(shè)計(jì)所用到一些基礎(chǔ)理論知識(shí)。實(shí)際上SolidWorks基于這些基礎(chǔ)理論提供給了廣大從事鈑金設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員方便快捷的設(shè)計(jì)手段和功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力。實(shí)踐證明，SolidWorks已經(jīng)成為或正逐漸成為設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行專(zhuān)業(yè)鈑金設(shè)計(jì)與計(jì)算的得力助手。