李 麗，武照云

(1.河南職業(yè)技術學院 汽車工程學院，河南 鄭州 450046； 2.河南工業(yè)大學 機電工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

超硬磨具是用超硬磨料(人造金剛石或立方氮化硼)所制成的磨具，是磨具中的一大系列[1]。超硬材料磨具可以分為兩大類：超硬材料固結磨具和超硬材料涂附磨具。隨著機械加工技術的發(fā)展及各種新型材料的不斷涌現(xiàn)，零件加工精度要求也不斷提高。由于超硬磨具有硬度超高、導熱率好、耐磨性好、使用周期長等優(yōu)勢，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、陶瓷加工、寶石切割、硬質合金等領域得到了廣泛應用[2]。

如今在國內，特別是中小型磨具制造加工企業(yè)，仍然采用比較“原始”的人工收集和填寫相關磨具制造加工參數(shù)和數(shù)據(jù)，這造成了大量勞動時間的浪費和設備利用率低下，嚴重制約了企業(yè)的發(fā)展空間。CAD/CAM系統(tǒng)被廣泛應用在眾多工業(yè)領域，CAD/CAM系統(tǒng)將設計與生產(chǎn)結合起來，具有參數(shù)化、變量化的特點，它同時將設計技術和制造技術相結合，提升了設計精確性和效率。在整個CAD/CAM系統(tǒng)設計過程中，通常以樹狀分支法來梳理邏輯流程，同時以模塊化來使整個系統(tǒng)更加簡單和明確，再將各模塊銜接并進行二次開發(fā)，從而一步步設計出滿足設計要求的CAD/CAM系統(tǒng)[3-4]。

筆者所開發(fā)的超硬磨具CAD/CAM系統(tǒng)以計算機輔助技術為手段，將超硬磨具的設計與加工工序流程以計算機可執(zhí)行程序的形式進行呈現(xiàn)，實現(xiàn)磨具設計與加工制造信息的可視化和智能化。

雖然不同類型的超硬磨具由于其不同的磨料、結合劑和濕潤劑，或因特殊的需求和設備，其加工制造工藝流程也會有不同之處。但主要加工制造工藝流程為：磨料、基體、結合劑和潤濕劑按一定配方配料→混料→成型→干燥→燒結→精加工[5]。根據(jù)中小型超硬磨具制造企業(yè)生產(chǎn)工序和各工藝特點，超硬磨具CAD/CAM系統(tǒng)包含5個主要的模塊：原材料選擇模塊，成型料配制模塊，成型模塊，燒結模塊和精加工模塊。通過對超硬磨具加工制造流程的模塊化設計，使得系統(tǒng)人機交互界面友好，設計制造流程清晰明了。即使中小型企業(yè)員工流動性大，技術熟練程度一般，也會很容易掌握超硬磨具制造工藝及參數(shù)選擇，有效保證了產(chǎn)品質量，使磨具的設計與生產(chǎn)制造更加簡單化、高效化和智能化。

1 系統(tǒng)功能模塊設計

本文開發(fā)的超硬磨具CAD/CAM系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)層、應用層和界面層的三層體系架構原則[6]，以超硬砂輪磨具為典型對象，對系統(tǒng)的總體結構進行了設計。其主要功能模塊包括：原料選擇模塊、成型料配制模塊、成型模塊、燒結模塊、精加工模塊等。

1.1 原材料選擇模塊

超硬砂輪磨具主要是由磨料、結合劑、濕潤劑和基體構成，在這一模塊里，需要選擇出所需要的磨料、結合劑、濕潤劑和基體材料等組成成分。超硬磨料主要有金剛石和立方氮化硼兩種；金屬結合劑按其合金類型大致可分為四大類，即青銅結合劑、鈷鎳結合劑、鎢合金結合劑以及硬質合金結合劑；濕潤劑常用種類有蒸餾水、聚乙烯醇水溶液以及含3%左右的硼砂水等；基體可以選用鋼基、銅基或鋁基。

1.2 成型料配制模塊

在這個模塊中，需要計算出所選原料的用量。通過設定砂輪的外徑、生產(chǎn)數(shù)量、砂輪厚度、金剛石層厚度和非金剛石層厚度，計算出金剛石層體積、非金剛石層體積、以及基體外徑(見圖1)。再選擇所用的金剛石濃度，通過查閱金剛石濃度與質量、體積的關系可以算出金剛石的用量。選擇成型方法后，通過成型密度可以算出金剛石層及非金剛石層中結合劑的用量。設定砂輪內徑，并由此計算出基體體積，并根據(jù)所選基體密度來確定基體的用量。

圖1 體積計算界面

1.3 成型模塊

成型過程是把成型料在磨具內壓制成為擁有一定強度、尺寸、形狀的半成品的過程。金剛石砂輪的成型磨具，通常是由磨套、芯體、芯棒、壓環(huán)及底板等部分組成。在這個模塊中，需要確定成型方法(冷壓法或熱壓法)；再根據(jù)所選成型方法選擇合適的單位壓力，計算出壓制磨具所需的總壓力。根據(jù)計算出磨具的總壓力，通過對砂輪結構尺寸求得磨具各部分尺寸、選擇成型設備的型號。

1.4 燒結模塊

燒結工序是金屬結合劑金剛石制品磨具制造中重要的工序，它影響產(chǎn)品的最終性能。燒結過程是在溫度的作用下，物料間發(fā)生擴散、熔融、溶解、流動，收縮再結晶等一系列物理化學變化的綜合作用過程，使結合劑粉末顆粒之間產(chǎn)生強固的連接力，從而達到燒結制品的目的。

在這個模塊中，需要確定燒結相關參數(shù)。根據(jù)所選成型方法選擇合適的燒結設備(管式爐、井式爐或電阻加熱燒結壓機)，接著選定所選燒結設備的參數(shù)。根據(jù)不同的成型方式，點擊“查看曲線”按鈕可顯示“熱壓成型曲線”及“冷壓成型曲線”。根據(jù)每個界面選擇控制燒結溫度及燒結時間。

1.5 精加工模塊

金剛石磨具的精加工，包括車加工和磨加工，磨具的這種車磨加工，又稱全加工或后加工。幾乎所有的金剛石磨具都需要進行車加工。車加工主要內容是基體端面、外圓底面和外圓的精車和孔徑尺寸的精車，此外還有異型砂輪精車。磨加工可以分為砂輪端面的粗磨加工，外圓磨加工和端面磨加工。

本模塊中，需要確定精加工中車削加工所需的車床、卡盤及測量器具，接下來選擇磨削階段所需合適的加工砂輪的磨粒粒度及砂輪粒度。

2 系統(tǒng)開發(fā)與應用

基于上述系統(tǒng)功能模塊設計與分析，以 VS 2010 為系統(tǒng)開發(fā)平臺，選取C#為程序設計語言，以SQL Server 2008為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，設計并開發(fā)了超硬磨具CAD/CAM集成系統(tǒng)(運行界面如圖2所示)。該系統(tǒng)基于三層體系架構進行設計，按照MVC(Model View Controller，模型-視圖-控制器)模式進行開發(fā)，大大提高了開發(fā)效率。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在河南省某超硬磨具制造企業(yè)進行實際應用，使得該企業(yè)的超硬磨具生產(chǎn)過程實現(xiàn)了CAD與CAM的高效集成，極大的提高了企業(yè)產(chǎn)品設計與生產(chǎn)管理的信息化水平。

圖2 系統(tǒng)運行界面

3 結 語

基于C#的超硬磨具CAD/CAM系統(tǒng)，可以將超硬磨具產(chǎn)品設計與生產(chǎn)管理過程中的信息進行有機集成，從而提高企業(yè)工作效率和產(chǎn)品質量，降低勞動強度與企業(yè)運營成本，大大提高企業(yè)的管理信息化水平和生產(chǎn)自動化水平。