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来源 e-works
一、概述
随着CAD技术的发展，为了提高设计质量与效率，越来越多的企业都采用了三维CAD软件。SolidWorks就是一种具有代表性的基于特征的参数化、全相关的三维设计软件，而且也是基于Windows平台的强大功能，易学、易用，在企业和科研机构中应用非常广泛。
在冲压模设计中，既有冲压工艺方面的计算，又有模具结构方面的设计。设计者往往只考虑到CAD软件几何造型方面的强大功能，而主要把它放在零件造型方面的应用，而忽略了其他方面的应用，比如冲压件排样设计、压力中心和冲裁力的计算、毛坯尺寸计算等。如果能够把CAD软件巧妙地应用在这些方面，可以收到事半功倍的效果，极大地提高设计效率与质量。
二、SolidWorks在冲压工艺计算中的应用
1.排样设计及利用率计算
在冲压模设计中，排样的设计是很重要的内容。合理的排样是提高材料利用率、降低成本、保证冲压件质量及模具寿命的有效措施。如果采用传统的方法来设计，势必非常繁琐，但是利用SolidWorks所提供的测量等功能，可以很快地求出排样的材料利用率。
图1为某止动片的工件，板料厚度为1mm。下面利用SolidWorks比较两种直排的排样方案的材料利用率。
图1 止动片的工件
方案I如图2所示。根据工件材料和厚度，确定工件与板料边缘的搭边值为2mm，工件间的搭边值为1.5mm，假设使用长为900mm、宽为24mm、厚度为1mm的条料，送料步距为66.5mm。
图2 排样方案I
具体方法为：根据假设的条料尺寸，先利用“钣金”工具【基体-法兰/薄片】生成条料的三维模型，利用【工具】、【测量】命令，求出条料的面积为21600mm2。
再在条料上利用【拉伸切除】和【线性阵列】命令生成冲裁掉工件后的板料模型（如图3所示），同样可以求出冲裁掉工件后的条料面积为8496.14mm2。
图3 排样方案I在SolidWorks中的模型
最后可以求出该排样的材料利用率：n=(21600-8496.14)/21600=60.67%。
方案Ⅱ如图4、图5所示。使用长为900mm、宽为69mm、厚度为1mm的条料，送料步距为21.5mm。同理可以求出，条料的面积为62100mm2，冲裁掉工件后的条料面积为20772.44mm2，则该排样的材料利用率：n=(62100-20772.44)/62100=66.56%。
图4 排样方案Ⅱ
图5 排样方案Ⅱ在SolidWorks中的模型
显然，比较两种方案，方案Ⅱ较为合理。
2.压力中心与冲裁力的计算
传统方法计算压力中心是利用理论推导出来的解析公式来求，比较复杂。在误差允许的条件下，冲裁件的几何中心可以近似地认为就是模具设计时要求的压力中心。基于这样的理解，可以用SolidWorks辅助来求。对于简单规则的工件，用手工的方法也许还容易算出，但对于复杂形状的工件，则运用SolidWorks中的功能可达到事半功倍的效果。利用SolidWorks提供的【质量属性】功能，可以非常方便地求出零件的几何中心。利用【测量】功能，则可以方便地求出工件的轮廓线长度，再结合材料的厚度和剪切强度，就可算出冲裁力了。
以上面止动片为例，根据工件尺寸，建立一个工件三维模型。通过【工具】、【质量属性】功能，得到其特性对话框（如图6所示）。其中显示了体积、表面积、重心和质量等属性，重心坐标即为该工件的几何中心，也可以近似地认为是模具设计时的压力中心。
图6 工件特性对话框
冲裁力的计算关键是求出轮廓线的周长，在工件三维模型中，用【工具】、【测量】功能求出该工件轮廓线的周长，进而利用公式F=KLtτ求得冲裁力的大小。
3.冲压件毛坯尺寸的计算
计算冲压件毛坯尺寸通常是冲压工艺计算中比较复杂繁琐的工作。如果充分利用SolidWorks本身的功能，有时会很方便地求出某些形状的弯曲件和拉深件的毛坯尺寸。
对于弯曲件，可以通过钣金件的展开图求得毛坯形状和尺寸。首先在SolidWorks中利用钣金设计工具建立弯曲件模型（如图7所示）。然后在默认情况下，零件处于折叠状态时，平板型式特征是被压缩的，因此完成后在FeatureManager设计树中将最后的特征“平板型式1”解除压缩，即可得到其展开图（如图8所示）。此展开图就是该弯曲件的毛坯件，通过查询可知其尺寸。
图7 弯曲件的模型
图8 弯曲件的展开
对于不变薄的圆筒形拉深件，则可使用“中面”工具，先求出中面，再使用【测量】功能求出中性面的面积，由此求得毛坯的尺寸。首先，根据圆筒形拉深件的形状与尺寸，在SolidWorks中利用【旋转凸台/基体】建立圆筒形拉深件的模型（如图9所示），然后建立圆筒形拉深件的中面特征。具体方法为：选择【插入】|【曲面】|【中面】命令，在【中间面】的PropertyManager中，分别选择凸缘、筒壁、底部及两个圆角的内外两个面，单击【确定】按钮，完成中面建立；把圆筒形拉深件旋转特征隐藏起来，即可见到中面（如图10所示）。再选择【工具】|【测量】命令，选上全部中面，得到5803.44mm2，此即为圆形毛坯件的面积。最后，可用面积公式计算出毛坯的直径大小。
图9 拉深件的模型
图10 拉深件中生成的中面及测量的表面积
三、结语
从以上实例可看出，在冲压模具设计中，如果完全采用传统方法来完成冲压工艺计算，显然是非常繁琐的，而充分利用SolidWorks的有关功能，可以大大地简化计算工作，提高设计效率和质量。此方法也为CAD技术的应用提供一种有益的借鉴。
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一、概述
随着CAD技术的发展，为了提高设计质量与效率，越来越多的企业都采用了三维CAD软件。SolidWorks就是一种具有代表性的基于特征的参数化、全相关的三维设计软件，而且也是基于Windows平台的强大功能，易学、易用，在企业和科研机构中应用非常广泛。
在冲压模设计中，既有冲压工艺方面的计算，又有模具结构方面的设计。设计者往往只考虑到CAD软件几何造型方面的强大功能，而主要把它放在零件造型方面的应用，而忽略了其他方面的应用，比如冲压件排样设计、压力中心和冲裁力的计算、毛坯尺寸计算等。如果能够把CAD软件巧妙地应用在这些方面，可以收到事半功倍的效果，极大地提高设计效率与质量。
二、SolidWorks在冲压工艺计算中的应用
1.排样设计及利用率计算
在冲压模设计中，排样的设计是很重要的内容。合理的排样是提高材料利用率、降低成本、保证冲压件质量及模具寿命的有效措施。如果采用传统的方法来设计，势必非常繁琐，但是利用SolidWorks所提供的测量等功能，可以很快地求出排样的材料利用率。
图1为某止动片的工件，板料厚度为1mm。下面利用SolidWorks比较两种直排的排样方案的材料利用率。
图1 止动片的工件
方案I如图2所示。根据工件材料和厚度，确定工件与板料边缘的搭边值为2mm，工件间的搭边值为1.5mm，假设使用长为900mm、宽为24mm、厚度为1mm的条料，送料步距为66.5mm。
图2 排样方案I
具体方法为：根据假设的条料尺寸，先利用“钣金”工具【基体-法兰/薄片】生成条料的三维模型，利用【工具】、【测量】命令，求出条料的面积为21600mm2。
再在条料上利用【拉伸切除】和【线性阵列】命令生成冲裁掉工件后的板料模型（如图3所示），同样可以求出冲裁掉工件后的条料面积为8496.14mm2。
图3 排样方案I在SolidWorks中的模型
最后可以求出该排样的材料利用率：n=(21600-8496.14)/21600=60.67%。
方案Ⅱ如图4、图5所示。使用长为900mm、宽为69mm、厚度为1mm的条料，送料步距为21.5mm。同理可以求出，条料的面积为62100mm2，冲裁掉工件后的条料面积为20772.44mm2，则该排样的材料利用率：n=(62100-20772.44)/62100=66.56%。
图4 排样方案Ⅱ
图5 排样方案Ⅱ在SolidWorks中的模型
显然，比较两种方案，方案Ⅱ较为合理。
2.压力中心与冲裁力的计算
传统方法计算压力中心是利用理论推导出来的解析公式来求，比较复杂。在误差允许的条件下，冲裁件的几何中心可以近似地认为就是模具设计时要求的压力中心。基于这样的理解，可以用SolidWorks辅助来求。对于简单规则的工件，用手工的方法也许还容易算出，但对于复杂形状的工件，则运用SolidWorks中的功能可达到事半功倍的效果。利用SolidWorks提供的【质量属性】功能，可以非常方便地求出零件的几何中心。利用【测量】功能，则可以方便地求出工件的轮廓线长度，再结合材料的厚度和剪切强度，就可算出冲裁力了。
以上面止动片为例，根据工件尺寸，建立一个工件三维模型。通过【工具】、【质量属性】功能，得到其特性对话框（如图6所示）。其中显示了体积、表面积、重心和质量等属性，重心坐标即为该工件的几何中心，也可以近似地认为是模具设计时的压力中心。
图6 工件特性对话框
冲裁力的计算关键是求出轮廓线的周长，在工件三维模型中，用【工具】、【测量】功能求出该工件轮廓线的周长，进而利用公式F=KLtτ求得冲裁力的大小。
3.冲压件毛坯尺寸的计算
计算冲压件毛坯尺寸通常是冲压工艺计算中比较复杂繁琐的工作。如果充分利用SolidWorks本身的功能，有时会很方便地求出某些形状的弯曲件和拉深件的毛坯尺寸。
对于弯曲件，可以通过钣金件的展开图求得毛坯形状和尺寸。首先在SolidWorks中利用钣金设计工具建立弯曲件模型（如图7所示）。然后在默认情况下，零件处于折叠状态时，平板型式特征是被压缩的，因此完成后在FeatureManager设计树中将最后的特征“平板型式1”解除压缩，即可得到其展开图（如图8所示）。此展开图就是该弯曲件的毛坯件，通过查询可知其尺寸。
图7 弯曲件的模型
图8 弯曲件的展开
对于不变薄的圆筒形拉深件，则可使用“中面”工具，先求出中面，再使用【测量】功能求出中性面的面积，由此求得毛坯的尺寸。首先，根据圆筒形拉深件的形状与尺寸，在SolidWorks中利用【旋转凸台/基体】建立圆筒形拉深件的模型（如图9所示），然后建立圆筒形拉深件的中面特征。具体方法为：选择【插入】|【曲面】|【中面】命令，在【中间面】的PropertyManager中，分别选择凸缘、筒壁、底部及两个圆角的内外两个面，单击【确定】按钮，完成中面建立；把圆筒形拉深件旋转特征隐藏起来，即可见到中面（如图10所示）。再选择【工具】|【测量】命令，选上全部中面，得到5803.44mm2，此即为圆形毛坯件的面积。最后，可用面积公式计算出毛坯的直径大小。
图9 拉深件的模型
图10 拉深件中生成的中面及测量的表面积
三、结语
从以上实例可看出，在冲压模具设计中，如果完全采用传统方法来完成冲压工艺计算，显然是非常繁琐的，而充分利用SolidWorks的有关功能，可以大大地简化计算工作，提高设计效率和质量。此方法也为CAD技术的应用提供一种有益的借鉴。
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