文/袁文生·濟(jì)南瑞力得數(shù)控機(jī)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(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用

文/袁文生·濟(jì)南瑞力得數(shù)控機(jī)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(jìn)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(zhǎng)，成形設(shè)備噸位小等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越受到人們的廣泛重視。其中輥式楔橫軋機(jī)因占地少、結(jié)構(gòu)緊湊而備受青睞，但是輥式楔橫軋機(jī)模具形狀復(fù)雜，其設(shè)計(jì)、計(jì)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(jìn)一步推廣和發(fā)展的主要障礙。

近年來(lái)為了解決楔橫軋模具設(shè)計(jì)困難、加工制造效率低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)楔橫軋模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)，通常的解決方法是基于某些大型的三維CAD軟件進(jìn)行二次開發(fā)，如杜鳳山等基于SolidWorks系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了楔橫軋模具網(wǎng)絡(luò)化輔助設(shè)計(jì)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(jì)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠清楚地表達(dá)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(yùn)行時(shí)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(jì)系統(tǒng)對(duì)于大型三維CAD軟件的依賴，濟(jì)南瑞力得數(shù)控機(jī)械工程有限公司和山東建筑大學(xué)共同對(duì)楔橫軋模具的輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)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(jì)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(jì)效率低、三維幾何模型建立困難的問(wèn)題。本文著重介紹楔橫軋模具的輔助設(shè)計(jì)軟件在楔橫軋模具輔助設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用情況。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)介紹

楔橫軋模具集成輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了楔橫軋模具設(shè)計(jì)全過(guò)程的輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括軸類零件的輸入與計(jì)算模塊、模具設(shè)計(jì)計(jì)算模塊、模具設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出模塊、支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)模塊等功能模塊。

軸類零件的輸入與計(jì)算模塊，包括軸類零件輸入和軸類零件計(jì)算兩個(gè)子模塊。軸類零件輸入子模塊，主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)行描述，以軸段為單位進(jìn)行添加、修改和刪除，方便實(shí)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(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)零件坯料圖計(jì)算、原始棒料計(jì)算、熱鍛件圖計(jì)算，為模具設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

模具的設(shè)計(jì)計(jì)算模塊，包括楔橫軋?jiān)O(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(jì)算等模塊，分別完成模具設(shè)計(jì)計(jì)算的各個(gè)步驟。

模具設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出模塊，包括二維CAD圖紙輸出子模塊，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)與CAE軟件的接口；動(dòng)畫演示子模塊，實(shí)現(xiàn)了模具運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)畫演示，使用戶可以形象、清晰地觀察和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)模塊包括材料數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)子模塊、楔橫軋?jiān)O(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)子模塊及工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)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(jì)系統(tǒng)總體功能流程圖

設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用

零件的輸入

根據(jù)楔橫軋產(chǎn)品的特點(diǎn)，選用圓柱體、圓臺(tái)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(guò)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(gè)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(jì)算界面示意圖

軸類零件的計(jì)算

進(jìn)行軸類零件計(jì)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(gè)部分，如圖3所示。進(jìn)行軸類零件計(jì)算時(shí)，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(jìn)行計(jì)算?？梢缘玫皆寂髁系拈L(zhǎng)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(jì)模塊應(yīng)用

模具設(shè)置時(shí)需要進(jìn)行參數(shù)的選擇，包括楔橫軋機(jī)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(diǎn)擊模具設(shè)計(jì)即可進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算獲得各個(gè)楔形的參數(shù)。為了方便加工整個(gè)模具，一般分為多個(gè)模塊進(jìn)行加工，可以對(duì)整個(gè)模具進(jìn)行分割。

圖4 模具二維圖紙

設(shè)計(jì)結(jié)果輸出模塊

模具設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出模塊包括：二維CAD圖紙輸出子模塊，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)模具三維模型的輸出，如圖5所示；動(dòng)畫演示子模塊，實(shí)現(xiàn)模具運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)畫演示，使用戶可以形象、清晰地觀察和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 模具三維模型

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)新開發(fā)的楔橫軋模具的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)有一定的借鑒意義。

產(chǎn)業(yè)［分析］ Industry