文/鄭志鎮(zhèn)，汪繼勇，張晗，李建軍·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室

大型復(fù)雜鍛件鍛造工藝及模具設(shè)計通用系統(tǒng)的研究與開發(fā)

文/鄭志鎮(zhèn)，汪繼勇，張晗，李建軍·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展.市場上已經(jīng)出現(xiàn)了許多面向各種模具的CAD系統(tǒng).如注塑模、級進(jìn)模、汽車覆蓋件沖壓模具等。這些系統(tǒng)的功能范圍覆蓋了從零件工藝到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工的整個流程.可以顯著地提高模具的設(shè)計質(zhì)里和效率.減少設(shè)計失誤.對于提高模具的制造水平.起到了非常重要的作用。

本文分析了大型復(fù)雜鍛件的鍛造工藝及模具設(shè)計的需求和支撐技術(shù)。基于這些需求.對鍛模CAD技術(shù)的功能進(jìn)行了研究與設(shè)計.建立了模鍛工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)聯(lián)模型.使設(shè)計的變更能夠在設(shè)計的上下游正確地傳播.保證了設(shè)計的一致性。以NX為三維平臺.以NX/Open為開發(fā)工具.開發(fā)了一個鍛模CAD原型系統(tǒng).實現(xiàn)了鍛模工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及必要功能.包括分模面設(shè)計、拔模設(shè)計、圓角設(shè)計、鍛造毛坯設(shè)計、飛邊設(shè)計、基于配置的鍛模裝配自動生成技術(shù)、模膛設(shè)計、頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計等。該系統(tǒng)是面向鍛件的通用CAD系統(tǒng)的一個有益的嘗試.對提高鍛模設(shè)計效率.縮短鍛模開發(fā)周期具有重要意義。

模鍛是現(xiàn)代金屬加工成形中一種重要生產(chǎn)工藝.應(yīng)用范圍很廣.也是現(xiàn)代制造業(yè)中的重要環(huán)節(jié)及組成部分.然而.面向鍛造的模具CAD系統(tǒng)在市場上還很少看到。目前.研究者開發(fā)的主要是面向某一類鍛件的CAD系統(tǒng).將鍛模設(shè)計的規(guī)則和具體設(shè)計方法與特征造型技術(shù)融合在一起.應(yīng)用于鍛件工藝及模具的設(shè)計過程中.提高了鍛模的設(shè)計效率.避免了重復(fù)勞動.最終提高了鍛件質(zhì)里。如Caporalli把熱鍛件工藝設(shè)計的規(guī)則融入模鍛工藝設(shè)計中.開發(fā)了針對齒輪精鍛的半自動熱鍛件工藝設(shè)計.實現(xiàn)了根據(jù)機(jī)械加工件自動生成熱鍛件、鍛造工步設(shè)計及模具設(shè)計。上海交大的研究人員對鍛模工藝及模具的設(shè)計進(jìn)行了長期的研究.開發(fā)了基于知識的鍛件模具設(shè)計系統(tǒng).實現(xiàn)了多個模塊功能.并已獲得了應(yīng)用。另外.朱春東等通過知識管理的思想開發(fā)了基于NX的模鍛CAPP系統(tǒng).有效地提高了設(shè)計效率.并在實際生產(chǎn)中取得滿意的效果。

大型鍛件形狀復(fù)雜.都是小批里或單件生產(chǎn).知識固化不充分.其設(shè)計過程更依賴經(jīng)驗。設(shè)計工作里大.局部造型難度大.因此設(shè)計過程中很難保證形狀精確與內(nèi)容完整。在設(shè)計中.需要反復(fù)修改.多次循環(huán)才能完成.設(shè)計上下的一致性不容易保證.為此.在設(shè)計流程上下的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行關(guān)聯(lián).實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計.以保證設(shè)計的一致性.并減少設(shè)計變更中的工作里。

針對上述問題.本系統(tǒng)以NX為開發(fā)平臺.采用系統(tǒng)提供的NX/Open開發(fā)工具.研究了模鍛工藝優(yōu)化設(shè)計的CAD系統(tǒng)的組成和功能.開發(fā)了模鍛工藝和模具結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng).以滿足各種復(fù)雜零件的模鍛設(shè)計.從而提高系統(tǒng)的適用性。

模鍛設(shè)計內(nèi)容和流程

模鍛工藝主要包括模鍛件圖設(shè)計（確定分模面、確定鍛件的機(jī)加工余里和公差、模鍛斜度、圓角半徑、沖孔連皮等）、變形工步設(shè)計（預(yù)鍛工序設(shè)計）、制坯設(shè)計、終鍛件設(shè)計等內(nèi)容。這些設(shè)計內(nèi)容存在一定的先后順序.每一個階段的設(shè)計內(nèi)容都以前一個階段的設(shè)計結(jié)果為依據(jù).具體設(shè)計順序及流程如圖1所示。

大型鍛模包括模具、模座、導(dǎo)向裝置、加熱裝置、頂出裝置、連接裝置等。模具是鍛模的工作部分.模座是鍛模和鍛造壓力機(jī)之間的連接部件.一般來講.大型鍛模多采用一個模座.長期固定在鍛造壓力機(jī)上.通過更換不同的模具.生產(chǎn)不同的零件。鍛模的導(dǎo)向方式有導(dǎo)柱導(dǎo)套方式、導(dǎo)板式和鎖扣三種。大型鍛模一般采用鎖扣方式來導(dǎo)向.也可以加導(dǎo)柱導(dǎo)套輔助。在設(shè)計中.導(dǎo)柱導(dǎo)套和導(dǎo)板一般采用標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計方式.而鎖扣則直接設(shè)計在模具上。大型模鍛常用于等溫模鍛.或者要求鍛模與坯料之間的溫差很小.在鍛模工作時.更需要對模具保持加熱。加熱裝置一般為加熱棒.可以直接作為標(biāo)準(zhǔn)件。頂出一般采用頂出桿.頂出桿可以直接按標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計.由于頂出桿的上端直接接觸工件.需要和工件的形狀保持一致.在頂出桿調(diào)入后.可用工件對頂出桿頭部進(jìn)行裁剪。

在CAD系統(tǒng)中.有兩種設(shè)計裝配方式：自頂向下和自底向上的設(shè)計方式。標(biāo)準(zhǔn)件通常采用自底向上的設(shè)計方法。本系統(tǒng)采用這兩種方式混合進(jìn)行設(shè)計.先將模具、模座等配置成一個標(biāo)準(zhǔn)模架.直接調(diào)入模架.然后完成模膛設(shè)計.頂出、加熱、導(dǎo)向設(shè)計作為標(biāo)準(zhǔn)件的方式調(diào)入系統(tǒng)。鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程如圖2所示。

本系統(tǒng)將鍛件工藝和鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計過程以流程的方式組織在一起.在模鍛工藝與模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中.每一步的內(nèi)容都可能需要反復(fù)進(jìn)行.不斷循環(huán).為了保證設(shè)計和變更的順利實現(xiàn).在CAD系統(tǒng)中必須建立不同設(shè)計步驟之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制.以保證設(shè)計的一致性。在許多設(shè)計模塊中集成了鍛模設(shè)計的知識.以提高設(shè)計效率和質(zhì)里.整個系統(tǒng)包括以下模塊：

⑴冷、熱鍛件設(shè)計模塊主要是完成鍛件公差、機(jī)械加工余里、拔模斜度、圓角半徑、沖孔連皮的設(shè)計計算以及技術(shù)條件的制定.從而設(shè)計出冷、熱鍛件。

⑵工藝參數(shù)設(shè)計模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)計飛邊槽的形式和尺寸.計算鍛件的體積和重里.計算毛坯體積和尺寸。

⑶鍛模設(shè)計模塊。選擇模架類型.設(shè)計型腔、加熱、頂出系統(tǒng)等。

⑷設(shè)計工具模塊。

圖1 模鍛工藝的設(shè)計內(nèi)容及順序

圖2鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計

模鍛工藝CAD系統(tǒng)模塊功能

⑴項目管理。鍛件工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果采用項目管理方式.不同階段的設(shè)計結(jié)果保存不同的節(jié)點(diǎn).如圖3所示。

⑵加工余里設(shè)計。加工余里設(shè)計是冷鍛件設(shè)計的一部分.本系統(tǒng)可以自動提取重合平面和相同直徑的圓柱面.減少用戶的選擇時間.提高設(shè)計效率。

⑶沖孔連皮設(shè)計。沖孔連皮設(shè)計是在冷鍛件的通孔中添加工藝余料.可以一次選擇所有同直徑的圓柱面.提高設(shè)計效率.如圖4所示。

圖3 項目管理對話框及項目管理模板

圖4 沖孔連皮設(shè)計

⑷分模面設(shè)計。分模面設(shè)計是鍛造工藝設(shè)計中一個重要且比較困難的一環(huán)。對于復(fù)雜鍛件而言.分模面可能是非平面?？紤]到平面分模面是最多的一種.本系統(tǒng)只實現(xiàn)了平面分模面的設(shè)計.如圖5所示。

⑸拔模設(shè)計。外拔模以分模面為基準(zhǔn).內(nèi)拔模以實體面為基準(zhǔn).因此本系統(tǒng)將外拔模和內(nèi)拔模分別進(jìn)行處理.如圖6所示。

⑹創(chuàng)建熱鍛件。熱鍛件是鍛件制坯、預(yù)鍛件設(shè)計、終鍛件設(shè)計的基礎(chǔ).因此本系統(tǒng)專門創(chuàng)建一個熱鍛件.作為制坯設(shè)計、預(yù)鍛件設(shè)計、終鍛件設(shè)計的參考。在冷鍛件的基礎(chǔ)上.添加熱膨脹系數(shù)（缺省為1.3%）.創(chuàng)建熱鍛件。

⑺計算毛坯。計算毛坯圖是長軸類鍛件制坯設(shè)計的一種方法.采用手工方法計算里大.本系統(tǒng)可自動計算各個截面的面積并平均.完成計算毛坯設(shè)計.如圖7所示。

圖5 分模面設(shè)計對話框及結(jié)果

圖6 拔模斜度設(shè)計及結(jié)果

圖7 計算毛坯設(shè)計

⑻預(yù)鍛件設(shè)計。在工藝設(shè)計中.預(yù)鍛件設(shè)計是設(shè)計中的難點(diǎn).本系統(tǒng)實現(xiàn)了截面法創(chuàng)建預(yù)鍛形狀的算法.如圖8所示。

圖8 連桿預(yù)鍛件

⑼終鍛件設(shè)計。終鍛件設(shè)計中.最主要的是飛邊的設(shè)計.本系統(tǒng)可以自動計算飛邊的參數(shù).完成飛邊的設(shè)計.如圖9所示。

圖9 終鍛件設(shè)計

鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)模塊功能

⑴模架設(shè)計。鍛模的結(jié)構(gòu)形式非常靈活.標(biāo)準(zhǔn)化程度低。為了適應(yīng)用戶的靈活設(shè)計.本系統(tǒng)采用配置文件方式.實現(xiàn)零件的靈活組合.得到模架。

配置文件等完成后.模架可以通過標(biāo)準(zhǔn)件對話框.將模架調(diào)入系統(tǒng).用戶選擇和修改后.可以完成模架的設(shè)計。模架設(shè)計結(jié)果如圖10所示。

⑵模膛設(shè)計。模架調(diào)入后.鍛件將自動地移動到模具的中心位置。在模膛設(shè)計中.為了防止偏心.減少偏心載荷.用戶可以對零件重新進(jìn)行定位.如圖11所示。

圖10 模架設(shè)計

圖11 模膛設(shè)計

⑶標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計。在本系統(tǒng)中.頂出器、鑲塊、加熱棒等作為標(biāo)準(zhǔn)件.統(tǒng)一設(shè)計。為了使頂出器、鑲塊等適應(yīng)鍛件的形狀.需要對頂出器和鑲塊的頭部進(jìn)行裁剪.為此本系統(tǒng)設(shè)計了專門的頭部設(shè)計模塊。

結(jié)束語

本文面向大型復(fù)雜鍛件的鍛造工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要求.從設(shè)計的完整性和效率出發(fā).對鍛模CAD技術(shù)的功能、設(shè)計流程進(jìn)行了研究與設(shè)計.建立了鍛件工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)聯(lián)模型.實現(xiàn)了鍛模工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及必要功能.以NX為三維平臺.以NX/Open為開發(fā)工具.開發(fā)了一個鍛模CAD原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)是面向鍛件的通用CAD系統(tǒng)的一個有益的嘗試.對提高鍛模設(shè)計效率.縮短鍛模開發(fā)周期具有重要意義。

鄭志鎮(zhèn).副教授.主要從事模具數(shù)字化技術(shù)、大鍛件模鍛成形技術(shù)等工作.參與多項國家自然科學(xué)基金、863、973、國家重大專項項目.獲得湖北省科技進(jìn)步一等獎一項.機(jī)械工業(yè)學(xué)會科技進(jìn)步一等獎一項。