三維楔橫軋模具輔助設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用

文/袁文生·濟南瑞力得數(shù)控機械工程有限公司

王忠雷，李兆東，程鋼·山東建筑大學(xué)

三維楔橫軋模具輔助設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用

文/袁文生·濟南瑞力得數(shù)控機械工程有限公司

王忠雷，李兆東，程鋼·山東建筑大學(xué)

楔橫軋工藝作為一種先進的金屬塑性成形方法，以其材料利用率高，生產(chǎn)效率高，模具壽命長，成形設(shè)備噸位小等優(yōu)點，已越來越受到人們的廣泛重視。其中輥式楔橫軋機因占地少、結(jié)構(gòu)緊湊而備受青睞，但是輥式楔橫軋機模具形狀復(fù)雜，其設(shè)計、計算及圖紙的繪制任務(wù)十分繁重，而且加工制造困難，這已經(jīng)成為楔橫軋工藝進一步推廣和發(fā)展的主要障礙。

近年來為了解決楔橫軋模具設(shè)計困難、加工制造效率低的問題，國內(nèi)眾多學(xué)者對楔橫軋模具的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)進行了研究。其中楔橫軋模具形狀的描述是系統(tǒng)的關(guān)鍵和難點，通常的解決方法是基于某些大型的三維CAD軟件進行二次開發(fā)，如杜鳳山等基于SolidWorks系統(tǒng)實現(xiàn)了楔橫軋模具網(wǎng)絡(luò)化輔助設(shè)計系統(tǒng)；楊宏青等基于Pro/E的接口，開發(fā)了楔橫軋模具CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)；趙靜等基于Pro/E的二次開發(fā)，推出了汽車半軸楔橫軋模具輔助設(shè)計系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠清楚地表達楔橫軋模具三維模型，并為后續(xù)的數(shù)控加工提供了極大的方便。但是這些系統(tǒng)運行時需要特定的CAD系統(tǒng)支持，增加了系統(tǒng)配置的困難，提高了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的靈活性。

為了擺脫楔橫軋輔助設(shè)計系統(tǒng)對于大型三維CAD軟件的依賴，濟南瑞力得數(shù)控機械工程有限公司和山東建筑大學(xué)共同對楔橫軋模具的輔助設(shè)計軟件進行了研究，開發(fā)了不需要任何特定CAD系統(tǒng)支持的楔橫軋模具三維輔助設(shè)計軟件，提高了軟件的靈活性，降低了成本，解決了楔橫軋模具設(shè)計效率低、三維幾何模型建立困難的問題。本文著重介紹楔橫軋模具的輔助設(shè)計軟件在楔橫軋模具輔助設(shè)計中的實際應(yīng)用情況。

設(shè)計系統(tǒng)介紹

楔橫軋模具集成輔助設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了楔橫軋模具設(shè)計全過程的輔助設(shè)計計算，主要包括軸類零件的輸入與計算模塊、模具設(shè)計計算模塊、模具設(shè)計結(jié)果的輸出模塊、支持數(shù)據(jù)庫模塊等功能模塊。

軸類零件的輸入與計算模塊，包括軸類零件輸入和軸類零件計算兩個子模塊。軸類零件輸入子模塊，主要實現(xiàn)進行楔橫軋成形的零件形狀的輸入，系統(tǒng)中的軸類零件采用軸段進行描述，以軸段為單位進行添加、修改和刪除，方便實現(xiàn)零件形狀的輸入，并可以輸出零件的圖紙。軸類零件的計算模塊，實現(xiàn)零件坯料圖計算、原始棒料計算、熱鍛件圖計算，為模具設(shè)計做準備。

模具的設(shè)計計算模塊，包括楔橫軋設(shè)備的選擇、成形模具工藝參數(shù)選擇、成形模具型孔布局、成形模具型孔計算等模塊，分別完成模具設(shè)計計算的各個步驟。

模具設(shè)計結(jié)果的輸出模塊，包括二維CAD圖紙輸出子模塊，實現(xiàn)模具設(shè)計二維圖紙的輸出；三維STL模型輸出子模塊（CAM接口），采用STL格式實現(xiàn)模具三維模型的輸出；有限元模擬前處理文件輸出接口（CAE接口）子模塊，利用模具和坯料的三維模型，直接生成DEFORM－3D的前處理文件，實現(xiàn)與CAE軟件的接口；動畫演示子模塊，實現(xiàn)了模具運行過程的動畫演示，使用戶可以形象、清晰地觀察和驗證實驗結(jié)果。

支持數(shù)據(jù)庫維護模塊包括材料數(shù)據(jù)庫維護子模塊、楔橫軋設(shè)備數(shù)據(jù)庫維護子模塊及工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫維護子模塊。

系統(tǒng)總體的功能流程如圖1所示。

圖1 輔助設(shè)計系統(tǒng)總體功能流程圖

設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用

零件的輸入

根據(jù)楔橫軋產(chǎn)品的特點，選用圓柱體、圓臺體、圓弧回轉(zhuǎn)體作為構(gòu)造軋件的基本單元體，軸類零件的編輯通過基本單元體的添加、修改和刪除完成。包括基本單元體的類型選擇、數(shù)據(jù)輸入、操作功能、示意圖形和軸類零件圖等幾個功能區(qū)域，如圖2所示為零件輸入的主界面及輸入的典型軸類零件的示意圖。

圖2 軸類零件輸入界面示意圖

圖3 軸類零件計算界面示意圖

軸類零件的計算

進行軸類零件計算的界面包括輸入?yún)?shù)、原料參數(shù)、顯示圖形類型、控制區(qū)和圖形顯示區(qū)等幾個部分，如圖3所示。進行軸類零件計算時，首先設(shè)置軸向和徑向的熱膨脹系數(shù)，然后設(shè)定軸向和徑向的加工余量，并選擇原始坯料的直徑進行計算?？梢缘玫皆寂髁系拈L度、體積和重量等參數(shù)，并獲得坯料圖、熱軋件圖和原料圖。

設(shè)計模塊應(yīng)用

模具設(shè)置時需要進行參數(shù)的選擇，包括楔橫軋機的類型、軋輥中心距、成形角和展寬角等，還需要選擇開始軋制的軸段。然后點擊模具設(shè)計即可進行設(shè)置，計算獲得各個楔形的參數(shù)。為了方便加工整個模具，一般分為多個模塊進行加工，可以對整個模具進行分割。

圖4 模具二維圖紙

設(shè)計結(jié)果輸出模塊

模具設(shè)計結(jié)果的輸出模塊包括：二維CAD圖紙輸出子模塊，實現(xiàn)模具設(shè)計二維圖紙的輸出，如圖4所示；三維STL模型輸出子模塊（CAM接口），采用STL格式實現(xiàn)模具三維模型的輸出，如圖5所示；動畫演示子模塊，實現(xiàn)模具運行過程的動畫演示，使用戶可以形象、清晰地觀察和驗證試驗結(jié)果。

圖5 模具三維模型

結(jié)束語

本文對新開發(fā)的楔橫軋模具的輔助設(shè)計系統(tǒng)進行了總結(jié)分析，展示了楔橫軋模具三維建模系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的應(yīng)用方法，對企業(yè)的實際生產(chǎn)有一定的借鑒意義。

產(chǎn)業(yè)［分析］ Industry