基于功能件的级进模凸模和冲模结构的计算机辅助设计
摘要 冲床和模具是实际的操作部件，在进模设计过程中占很大一部分。本文提出了一种基于功能部件的电机铁芯级进模凸模结构设计工具。凸模和凹模组成的描述性模型，建立了包含三个方面的信息、几何信息、装配关系约束属性和孔板相关信息。基于分类与三维建模方法，建立了冲模和冲模零件库，并建立了相应的模型。详细讨论了冲模和冲模零件的建模和数据管理方法。提出了一种用于电机铁芯级进模的模具，可完成五类凸模的设计，并自动产生孔。这个设计工具是构建在一个电脑上，并集成了一个SolidWorks的CAD系统。以家用电器汽车为核心的级进模设计为例，验证了设计工具的有效性。结果表明，它可以显着地提高了设计质量，可以节省时间和成本。
关键词冲模。功能组件：级进模。计算机辅助设计
1 引言
在一个顺序冲模中，工件在数个步骤中产生。在每一工序，一个或多个模具操作，如冲孔、切口、落料、压印、剃须、绘图、成型，在金属带材进行。结果是一个完成的工件在每一个冲程[ 1，2 ]。由于其具有竞争力的生产能力和性能，级进模在大批量的板材零件的生产中，已被广泛应用于各种行业，如航空航天，电子，机床，汽车和制冷。然而，一个级进模的结构是复杂的，设计周期长。
自70年代以来，为了提高模具设计的效率，世界各地的研究人员花了大量的时间和精力，试图开发计算机辅助设计和制造系统的新闻工具。在早期的研究工作中，计算机主要用于提高绘图效率，并执行特定的设计计算和数字控制编程。最重要的决定，如冲压形状的设计，评估的成形性和带状布局的发展，仍然由用户交互方式[ 3 ]。当人工智能技术在工程设计中的应用开始起飞，级进模设计自动化系统的研究与发展在20世纪80年代末和90年代初，得到了一个新的维度。 在1998之前，Cheok 和Nee对金属冲压件提出了一个回顾研究和金属冲压件的设计自动化工具的发展，并举例说明了一个以知识为基础的框架，开发一个有2个独立的数据和知识库的集成的规划和设计援助的模具设计。第一层包含从教科书一般信息、零部件制造商目录，等等，而二级包含公司的特定的设计规则，参数和模具零件[ 1 ]。
自20世纪90年代初，自动化设计系统的发展是基于知识工程与智能工程的研究人员。伊斯梅尔概述了两种方法为基于特征的系统的开发，这是用来支持进步新闻工具对AutoCAD的详细设计。江等人提出了一个灵活的、完整的表达方案，并分析了插入件和组件之间的复杂装配关系和约束关系[ 4 ]。王波等人为基于关联技术的级进模装配设计，对装配设计做了一定的研究。来自印度的印度工学院库马尔和辛格开发了一个智能系统，生产上采用基于规则的专家系统方法在AutoCAD，为级进模自动建模和专家系统为生产板布局设计过程自动化。釜山国立大学的研究人员开发了一个系统用AutoLISP对AutoCAD和模排样布局并对用电脑建模和后处理软件SMARTCAM工具包[10–12]。他们还发明了一种用弯接头操作电子产品系统[13]。Tor等人。提出了一种以知识为基础的冲压工艺设计中的黑板框架设计[14]。李等人为级进模使用C 和ObjectARX开发AutoCAD规划弯曲操作开发了一个集成的建模和工艺规划系统[15]。波斯语等人描述了一种在级进模中确定弯曲顺序的两阶段方法[16]。常等人建立了一个针对排名在级进模中使用AutoCAD作为绘图工具的工作步骤的问题的遗传算法[ 17 ]。Pilani等人。提出了一种基于神经网络的模具型面成形参数自动生成优化设计的方法，并利用神经网络 [18]。唐等人建立了基于层次结构的约束关系树和层次模型组件模型的集成约束装配模型[19]。上述设计系统大多属于二维模式[ 3，5，17，18，15 ]。
近年来，由于计算机技术和三维计算机辅助设计软件的快速发展，三维计算机辅助设计软件已越来越多地应用于进行模具设计中。 ，Ghatrehnaby 和 Arezoo 对三维软件SolidWorks按最低报废策略开发了一个自动化的嵌套和驾驶系统级进模[ 20 ]。 ZhouSheng 等人讨论了基于UG软件的UDF在冲裁凸模结构设计中的应用[ 21 ]。
台湾的国立高雄第一科技大学的林等人，发展了结构设计系统的三维模具基于Pro/E和CATIA软件的功能[ 22，23 ]。林等人还开发了在三维软件手机镁合金外壳集成RE/RP / CAD / CAE / CAM系统[24]。贾等研究相关部分和板孔之间的孔的关系和介绍了一种自动化的孔型设计系统开发SolidWorks的级进模 [25]。
渐进设计通常包括两个阶段，冲压工艺设计和模具结构设计。大部分的工作都集中在计算机辅助工艺规划[ 6，18 ]。与计算机辅助工艺设计中所做的大量工作相比，在结构设计方面做了大量的工作。贾等人提出了渐进式死亡的结构相关性的关系模型[ 26 ]。江等人讨论了插入设计自动化，提出了基于特征方法的使用面向对象的插入表示方法[ 4 ]。 王波等人讨论了在精密级进模设计AutoCAD装配关联技术[5]。在参考了在SolidWorks标准件库的建设方法和建模方法的冲头和冲模等[27, 28]。赵等人讨论了相关设计CAD系统中标准件对AutoCAD的级进模[29]。周等人讨论了基于UG软件的UDF冲裁凸模结构设计中的应用[ 21 ]。贾等人根据其结构类型和相关部件与板孔之间的关系，给出了板孔的分类。利用预先建立的设计知识和标准件数据库，他们开发了一个系统，它可以产生相关
基于SolidWorks的模具主要板孔。但该系统只适用于标准或参数化零件孔的设计或组装如螺钉、销、升降器组装等等[ 25 ]。
近年来，一些商业级进模设计系统在市场有售，如PDW（级进模）NX，PDX（模具专家）对Pro/ENGINEER，logpress SolidWorks，TopSolid /Progress等。上面提到的软件包含模具设计教材和课程材料所提供的“通用”的设计规则，可以简化设计过程，并与基本的模具设计相比，在一定程度上是可以简化的。然而，每一个模具公司都集中在几个类别的模具，并拥有自己公司的具体设计规则，参数和模具组件。此外，模具公司把设计知识和经验建立在多年的知识产权，他们不愿意与别人分享。因此，开发设计工具的冲床和模具是必要的，特别是对那些有自己特定的组件库和内部设计规则的公司。
在级进模设计中，可以根据边缘轮廓来确定一些凸模和模具，并可作为功能特点。每个功能特征838 j的制造技术（2011）54:837–852被视为一个设计单位。一旦选定一个功能性的功能，就决定了一套功能性的冲模和冲模的组成部分。然后确定冲压模具部件的各个位置、尺寸、约束和孔，并按其设计标准和标准进行设计。因此，功能组件是一个组件组成的冲床和模具，其中包括关系，参数，约束和孔，根据他们的设计标准而标准。本文介绍了如何处理功能组件，如何结合的设计知识与装配。
为了使模具的设计更加灵活和高效高质量，本文提出了一种计算机辅助设计工具和模具冲头结构基于功能组件在SolidWorks软件。根据我们的合作伙伴的设计规范和标准零件库，是一个本地级进模公司的专业级进模电机核心，一个描述性模型的冲床和模具组件的设计标准和功能特点，这说明如何表达的位置，约束，尺寸和孔的选定的功能部件。基于组织良好的模具设计知识库和组件库和集成的三维计算机辅助设计环境，该工具能够满足设计的冲床和模具，和孔的主要板块的一个级进模，如上模鞋，下模鞋，冲板，冲压板，模具板等。在用户输入的带状布局，选择模具组，选择的轮廓上的条形布局，冲床和模具被插入到模具装配和相应的孔板的自动构造。该工具已在基于特征的参数化CAD系统的实现，SolidWorks。提供一个例子来证明在进行模具设计的有效性。
论文的其余部分组织如下。第2节介绍了电机铁芯级进模的设计与制作。第3节解释了对冲床和模具的功能部件的描述模型。第4部分详细介绍了基于功能构件的冲、模和相应的孔的设计方法。第5节提供了一个进步的电机核心作为一个例子来演示设计程序，通过使用该工具的一个例子。第6节给出结论。
2级进模电机铁芯的设计与制作
交流电动机的主要功能是产生转矩，由在定子中产生的磁场和转子线圈中的电流之间的反应产生转矩[ 30 ]。电机铁芯因为他们对电机性能有很大的影响，所以在许多电磁器件中发挥重要的作用。如图1所示，电机铁芯通过层压多个硅钢薄在一起，增加电机的电磁效率的制备。
图1电机定子铁芯和转子铁心图
传统的电机核心的生产过程是非常复杂的。通常的程序包括三个步骤。首先，冲压件由若干个复合模具制造，然后将冲压件进行分类整理，最后通过铆接和焊接在专用设备上进行定子和转子的堆芯。该方法效率低、误差大，且难以控制芯的质量。
多工位级进模采用全自动叠合、叠加，可大大提高工作效率，保证叠片层间结合强度，满足大批量的要求。因此，用于电机铁芯的级进模越来越多。这种模具可执行操作，如冲孔、切口、落料、冲孔、切边压花，堆积在一个单一的设置，可以直接形成定子铁芯和转子铁芯。
图2显示了一个用于家用电器的电机铁芯的原理图。每片的厚度为0.5毫米，50片层。第一片芯的一小部分被刺穿，而相应的部分的后续纸成为突出在开槽或压印过程结束，变形成凹–凸形。在层压过程中，通过将凸部的一部分的凸部接合到另一片的凹部中，将2片接合在一起。此层压过程是重复的，直到50片已全部加入。根据复合部分的几何图形，有四种类型，L型、V型、圆型、长方型，如图3所示。图2分别给出属于L型和长方型的复合型转子铁芯和定子芯。
(a)转子铁心
（b）定子铁芯
图2家用电器的一组电机铁芯
V型复合 圆形层压 L型复合 矩形层压
图3电机铁芯采用的四种叠压方式
级进模设计过程分为两个阶段，操作（冲压工艺）设计和模具结构设计。图4显示了图2所示为核心的相关条形图。十站是用于生产的核心，①–⑤主要为转子和导孔；⑥复合转子芯；⑦空站；③，⑧，⑨主要用于孔⑩层压定子铁心定子。
（a）空白布局
（b）条带布置
图4 显示图2所示为核心的空白布局和条形图
电机铁芯多工位级进模结构设计如下：（1）根据带状布局的尺寸，确定了模具的设置，并概述了模具的总体结构；（2）设计包括定位和定位孔，然后插入、打、模等成形件的设计；（3）根据具体情况，辅助设备插入等试点销、喷射器、螺钉、销钉、弹簧、标准件等。级进模结构设计成本约3 / 2设计周期时间。图5显示了一个典型的连续模的基本结构。
图5 一个典型的连续模的结构 注意：有些部分是隐藏的，有些是在透明状态下才能清楚地说明
冲压模设计是模具结构设计中的一个重要课题。本文的目的是开发一个自动化设计工具冲头和模具基于功能组件的电机铁芯模具。利用良好的模具设计知识库，由冲头组件的组件库和模具，我们的工具是能够输出三维冲床和模具以及工程图纸自动，孔还用于定位和避免冲头和冲模在级进模板产生的主要。
3电机铁芯级进模冲压模零件的描述模型
3.1功能部件的定义
要开发一个自动化程度，灵活性和准确性高的级进模设计系统，从最初的建模到最终输出，对相关对象和过程有系统的表示是必不可少的[ 4 ]。
冲床和模具是确定工件的几何形状、尺寸和精度的主要工作部件。由于不同的冲压工艺的特殊性，冲压模具有各种各样的数字和结构形式。对于一套多工位级进模生产电机芯，可对工作区进行总结，并将其列为冲压件、冲压件、冲压件、冲压件、分压器、压模、冲裁模和转子、定子带模等。冲模的各个组成部分是在板上的板形和一系列孔上对应的边缘轮廓。
功能部件由功能和结构组成。功能是对构件的描述，揭示了其具体的用途和特点。几何结构是功能的体现。因此，功能组件是功能和几何结构的完整性。因此，设计人员可以把每个功能部件作为设计单元。
例如，图6显示了凸模的圆形边缘轮廓的2种类型。圆的直径大于6 mm时，采用圆形凸模型，组成如图6A。安装组件的相关板块的孔，如图6B。圆的直径小于6 mm时，采用B型圆凸模的改进强度、构件如图6C。因此，安装组件分离支撑板和卸料板孔是多种多样的，如图6所示。
- 冲模的组成部分—A型 (b)冲床上安装组件的相关板上的孔—A型
（c）冲模的组成部分—B型 （d）冲床安装组件的相关板孔—B型
图6冲压模的2种类型
3.2冲模零件的描述模型
如图6所示，冲床和模具组件定义了一个组件实际上是凸模和凹模。为了实现冲压模具的自动化设计，首先建立模具零件的描述模型。在本文中，冲压模具组件的描述模型包含三方面的信息：（1）几何信息；（2）装配相关的约束属性；（3）在板上的孔相关信息，如图7所示。
图7 用于电机铁芯级进模的凸模和模的描述模型
1.几何信息包含表示图形切割或成形的边缘轮廓，冲压模具的三维零件，还包括诸如材料的类型、硬度要求、描述等相关的属性，以及冲模和冲模的一组尺寸参数。
2. 装配相关约束属性是由双重交配信息组成。内部的配合信息是一系列的约束，为冲压和模具，确保正确的位置。外部的配合约束是通过将组件安装在模集上的可交配关系或变参数的方程。
3.板上的孔的相关信息提供了轮廓和挤压或旋转操作所产生的孔的深度值。例如，组
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