（机械制造及其自动化专业论文）利用ug软件开发液压成型管件cad系统.pdf

摘要 摘要 管件液压成型技术作为一门新型的金属成型技术，伴随计算机控制技术和高压液 压系统技术的进步，在过去的十年间取得了长足的发展，同时伴随汽车工业的迅猛发 展，液压成型产品的应用也越来越广泛。为实现液压成型产品快速设计，开发液压成 型产品的计算机辅助软件具有重要的现实意义。 本文针对液压成型管件成型过程和技术的特点，探讨开发其专用的c a d 系统的必 要性；运用软件工程的方法论证了c a d 系统开发的可行性；分析c a d 系统的要求，提 出系统实现的方案并进行细化；基于v c 开发平台和u g c a d 平台，研究系统功能实 现的方法和途径；最后，开发了液压成型管件专用的c a d 系统并给出了应用实例。在 本课题中，作者主要进行了如下研究工作。 首先介绍了管件液压成型技术，包括它的发展和应用、液压成型系统、液压成型 过程和该技术的特点等。然后介绍了c a d 系统建立过程的图形学知识，包括实体造型 理论、参数化造型技术和特征造型技术。深入研究u g 二次开发方法，获取u g 二次开 发的完整实施进程，包括基于v c6 0 开发平台的u gn x l 0 应用程序接口、主菜单 m e n u s c r i p t 及工具菜单u s e rt o o l s 用户定制、对话框u g o p e nu i s t y l e r 可视化设 计应用、实现多种用户界面接口、u g o p e l ia p i 程序应用研究等。 在u g 二次开发研究的基础上，运用软件工程方法和知识，提出液压成型管件c a d 系统的设计方案，研究了方案实现的方法，建立和开发了液压成型管件c a d 系统。 本课题的研究不仅能为u g 软件用户本地化，提高工作效率；还为开发针对具体 产品的基于u g 系统的专用c a d 软件提供了良好的思路。 关健词：液压成型 c a du g 二次开发 i 摘要 a bs t r a c t a san e wm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g y , t u b eh y d r o f o r m i n gt e c h n o l o g yh a sm a d eg r e a t p r o g r e s si nt h el a s tt e ny e a r s 、析t l lt h ea d v a n c e m e n ti nc o m p u t e rc o n t r o la n dh i g h - p r e s s u r e h y d r a u l i cs y s t e m s a n d 、 r i m t h ef a s t d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h e h y d r o f o r m i n gp r o d u c t sh a v e b e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y i no r d e rt or e a l i z et h ef a s t d e s i g no ft h eh y d r o f o r m i n gp r o d u c t s ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oc a r r yo u tt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to nc a ds y s t e mf o rh y d r o f o r m i n gt u b e a i ma tt h eh y d r o f o r m i n g p r o c e s sa n dt h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s o ft h e h y d r o f o r m i n gt u b e ，t h ep a p e rd i s c u s s i n gt h en e c e s s a r yo ft h es p e c i a lc a ds y s t e m s d e v e l o p i n g ，p r o v i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec a ds y s t e m sd e v e l o p i n gb yu s i n gs o f t w a r e e n g i n e e r i n gm e t h o d ，b r i n gf o r w a r dt h ed e s i g no ft h es y s t e mr e a l i z a t i o nb ya n a l y z i n gt h e r e q u i r eo ft h ec a ds y s t e m ，s t u d y i n gt h em e t h o da n dr o u t eo ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e r e a l i z a t i o nb a s eo nt h ed e v e l o p i n gi n t e r f a c eo fv ca n du g c a d ，d e v e l o p i n gt h es p e c i a l c a ds y s t e mo ft u b eh y d r o f o r m i n ga n dg i v i n gt h ea p p l i c a t i o ne x a m p l ea tl a s t t h em a i n r e s e a r c hw o r ki sm a d ea sf o l l o w s t h et u b eh y d r o f o r m i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gi t s d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n , h y d r o f o r m i n gs y s t e m , h y d r o f o r m i n gp r o c e s s a n di t s c h a r a c t e r i s t i c s t h e ni ti n t r o d u c e dt h ek n o w l e d g eo fg r a p h i c si nt h ep r o c e s so fc a ds y s t e m f o rh y d r o f o r m i n gt u b e ，i n c l u d i n gc o m p o s i t em o d e l i n gt h e o r ya n dp a r a m e t e ra n df e a t u r e m o d e l i n gt e c h n o l o g y t h ep a p e rs t u d yt h ed e v e l o p i n gm e t h o do fu gt h o r o u g h l ya n d r e a l i z et h ew h o l ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t , i n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c eo f u gn xi 0b a s e dv c 6 0 t h ec u s t o m i z a t i o no fm e n u s c r i p ta n du s e rt o o l so fu g n x1 0 ， t h ev i s i b l ed e s i g na p p l i c a t i o no fu g o p e nu i s t y l e ro fu gn x l 0 ，t h er e l a t i o no fd i f f e r e n t c u s t o m e ri n t e r f a c eo fu gn x1 0a n du g o p e na p ip r o g r a m so fu gn x 1 0 o nt h eb a s i so ft h es t u d yo ft h eu gd e v e l o p m e n t ，t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h e m a s t e rd e s i g no fs p e c i a lh y d r o f o r m i n gt u b ec a db yu s i n gs o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o d a n dk n o w l e d g e ，s t u d i e st h em e t h o do ft h es y s t e mr e a l i z a t i o n , a c c o m p l i s h e sa n dd e v e l o p s t h es p e c i a lh y d r o f o r m i n gt u b ec a ds y s t e m t h es t u d yo ft h i st h e s i sn o to n l yl o c a l i z i n gu gs o f t w a r ef o rt h ec u s t o m e r sa n d i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y , b u ta l s og i v i n gag o o di d e a lf o rd e v e l o p i n gt h es p e c i a lc a d s y s t e mb a s e do nu ga i m i n ga tr e a lp r o d u c t k e y w o r d s ：h y d r o f o r m i n g c a du gd e v e l o p m e n t i i 一、 引言 第一章引言 c a d 是计算机科学与工程设计学科结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有 影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分。近年来，以微机平台、 w i n d o w s 操作系统以及i n t e r n e t 网络技术为特征的新一代企业信息化体系正在深刻 影响和指导c a d 技术的应用发展，c a d 理论研究与软件开发成果日新月异。本章将简 要介绍c a d 技术发展历史及发展趋势，并阐述了本课题的研究背景意义及主要研究内 容。 1 1 c a d 技术发展历程 c a d 技术起步于二十世纪5 0 年代后期。6 0 年代c a d 开始迅速发展，它是以二维 绘图为主要目标的算法，占据绘图主场主导要位的是a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件。 进入7 0 年代，飞机和汽车工业的蓬勃发展，在制造中遇到大量的自由曲面问题；此 时法国人提出了贝赛尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行；在此基 础上先后出现c a t i a 、c a d a m 、c a l m a 、c v 、i d e a s 、u g 、s u r f 、p d g s 、e u c l i d 等三 维曲面造型系统，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解 放出来，实现以计算机完全描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发有 了现实的基础，曲面造型系统为人类带来了第一次技术革命。 7 0 年代到8 0 年代初，由于计算机技术的大踏步前进，c a e 、c a m 技术也开始有了 较大发展。s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界第一个完全基于实体造型技术的大型 c a d c a e 软件一i - - d e a s ，应用了能够精确表达零件的全部属性的实体造型技术， 在理论上有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，它带来了惊人的为方便性，实体造 型技术的普及应用标志着c a d 发展史上的第二次技术革命。 进入8 0 年代中期有人提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法一参数 化实体造型方法。从算法上来说，这是一种很好的设想，它主要具有以下特点：基于 特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。以此新技术成立的参数技术公 司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p p t c ) ，开始研制命名为p r o e n g i n e e r 的参数化软 件。在8 0 年代末，获得了迅猛发展。目前，p t c 在c a d 市场份额排名己名列前茅，参数 化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三技术革命。 为适应这个标准，9 0 年代前后c a t i a 、c v 、u g 、e u c l i d 都在原来的非参数化模型 基础上推出自己的参数化技术，宣布采用复合建模技术即把线框模型、曲面模型及实 体模型叠加在一起，但它并非完全基于实体，难于全面应用参数化技术。只有s d r c 公 司在对现有各种造型技术进行充分分析和比较之后，以参数化技术为蓝本，提出一种 一、引言 比参数化技术更为先进的实体造型技术一变量化技术。并将软件全部重新改写于是 1 9 9 3 年推出全新体系结构的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。变量化技术既保持了参数 化技术的原有优点，同时又克服了它的许多不足之处，为c a d 技术的发展提供了更大 的空间和机遇。 综观c a d 技术的发展历史，不难看出，c a d 技术基础理论的每次重大进展，都带来 了c a d c a e c a m 整体技术的提高以及制造手段的更新，促进了工业的高速发展。 1 2c a d 技术发展现状及趋势 当今，计算机软硬件水平的不断提高为c a d 技术的发展提供了必要条件，全球化 激烈的市场竞争为c a d 的普及应用提供了动力。在目前及可以预见的将来，c a d 技术 研究有如下状况及趋势：1 ) 、微机化；2 ) 、集成化与智能化；3 ) 、网络化与并行化； 4 ) 、规范化。 1 3 本课题研究背景、意义和主要内容 同冲压、焊接等传统的成型技术相比，液压成型技术是一门新型的金属成型技术， 目前已广泛应用于具有封闭横截面、形状不规则的结构管件。在液压成型过程中，标 准管件经过预弯、预成型后，在管内注入高压流体，使管件在封闭的模具腔内最终成 型。二十世纪八十年代，该项技术尚处于基础研究和初始试验阶段；九十年代初，批 量生产的液压成型产品才开始在国际市场上出现；而在过去的十年内，尤其是近几年， 依托于计算机控制技术和高压液压系统技术的进步，液压成型技术迅速发展，目前许 多结构件可以通过该技术大批量地加工生产。液压成型产品重量轻而质量高的优点尤 其符合汽车和飞机元件的要求，因此管件液压成型技术已广泛应用在汽车和航空领 域。但目前，液压成型技术作为一门新型金属成型技术，其生产设备昂贵，产品设计 和过程设计的相关知识缺乏，许多方面依赖于工程师的直觉和经验，因此从经济性和 机械加工角度出发，开发液压成型管件的c a d c a e c a m 系统具有非常重要的现实意义 和实用价值。 1 9 9 0 年，美国克莱斯勒公司首先在它的小型货车上使用了液压成型的仪表板支 架；1 9 9 4 年，美国福特公司开始使用液压成型的发动机支架；而现在液压成型产品 在汽车工业已得到广泛应用。专家预测，到2 0 0 5 年，将有5 0 的汽车底盘装配有液 压成型产品，而同时车身对液压成型产品的需求将是底盘的三倍。目前，各工业国家 纷纷开展液压成型技术的研究与应用，而德国和美国在液压成型技术的研究与应用方 面走在世界前列。美国俄亥俄州州立大学e r c n s m 中心的液压成型专家萨特指出： “由于液压成型过程是在高压环境下进行，新的液压成型产品的实物实验成本高，并 且耗时长，从经济性角度出发，在新产品投入生产加工前，进行计算机实体建模，计 2 一、引言 算机仿真研究是必须的。 通过对相关软件系统的调查分析发现，目前，液压成型系 统的实现大部分采用通用的建模、过程仿真和有限元分析的系统软件，而针对液压成 型技术通常中是调用这些通用软件相关函数来完成其功能，包括u g i i 、p r o e 、c a t i a 等世界知名商业软件系统在内众多系统，还未有针对液压成型技术的专用模块。 液压成型技术发展的广阔前景以及该项技术潜在的巨大商业利润，将促使液压成 型的商家和众多科研机构，投入更多的资金和人力物力开展该项技术的研究。而液压 成型的计算机仿真将在该项技术的研究中扮演越来越重要的角色。众多集成化的计算 机辅助系统软件公司，为适应这一新形式，必将推出各种类型的液压成型专业模块， 以满足市场的需求。 同捷科技股份有限公司作为e d s 在中国的研发中心，在液压成型管件 c a d c a e c a m 系统上进行了初步的研究。在此基础上，本课题探索了如何用u g 二次 开发液压成型管件c a d 系统。本课题研究的主要内容包括： 1 、针对发展中的管件液压成型技术，就液压成型的工艺、液压成型的过程及其 部分关键技术开展研究。 2 、介绍了c a d 系统建立过程的图形学理论。 3 、深入研究u g 二次开发方法，获取u g 二次开发的的完整实施进程。 4 、运用软件工程知识和方法，提出液压成型管件c a d 系统的设计方案。 5 、建立和开发了液压成型管件c a d 系统。并给出了应用实例。 3 二、管件液压成型技术的研究 第二章管件液压成型技术的研究 2 1 、液压成型概述 液压成型技术属于软工具成型技术中的流体成型技术，在成型过程中，油，水和 其它流体都可用作冲压或模具介质。依据成型的特征，液压成型技术可划分为： 1 、钣金件液压成型技术( 又称液压拉伸技术，参见图2 - 1 a ) 在该技术成型过 程中，管坯和流体被橡胶膜层隔开，不需要内凹模具，刚性冲杆下移进入流体室内， 管坯在冲杆和流体作用下被迫形成人们所设想的形状。该过程可用来生成箱体件和复 杂的钣金件。 橡胶 图2 - 1 a 钣金件液压拉伸成型图不 2 、管件液压成型技术( 或者称之为软冲压，参见图2 - 1 b ) ：在该技术成型过程 中，不需要冲压机，一种流体介质取代了冲压机的作用，通过同时控制轴向压紧力和 管内部的流体压力，管坯最终膨胀形成我们所期望的形状( 模具腔的形状) 。管件液 压成型过程中，压力要较其他液压成型技术中的压力高。按压力大小：管件液压成型 技术可划分为：( 1 ) 、低压成型，管件内部的最大压力值通常小于8 0 l o o m p a ，并且 管壁厚度变化一般小于5 ；( 2 ) 、高压成型，管内的最大压力通常达到6 9 0 m p a 的高 压( 最高压力可达到1 3 8 0 m p a ) ，因此密封技术已成为高压成型的关键技术。依赖于 计算机控制技术和高压液压系统技术的发展，该项技术在汽车和航空领域得到广泛应 用，并取得迅速发展。 4 二、管件液压成型技术的研究 冲 图2 - 1 b 管件液压成型图示 3 、钣金件液压一机械成型技术( 参见图2 一l c ) 在该技术成型过程中，当拉伸壳体 或杯体产品时，不使用橡胶隔膜，产品的生产率和拉抻极限较液压拉伸技术都得到显 著提高。 图2 - 1 c钣金件液压一机械成型图示 本文主要研究的是管件的液压成型，作为一门新型的金属成型技术，目前己广泛 应用于具有封闭横截面而形状不规则的结构管件。它的基本原理是：在液压成型过程 中，标准管件经过预弯、预成型后，在管内注入高压流体，使管状零件在封闭的模具 腔内最终成型。 2 2 、管件液压成型技术 2 2 1 、管件液压成型系统简介 管件液压成型系统由工件、模具、液压成型设备等组成。模具和工件的表面状况、 5 二、管件液压成型技术的研究 成形区的塑性变形性能、润滑和摩擦、产品的质量要求、过程的经济性和外部环境等 对系统有较大影响。图2 - 2 显示了一个典型管件液压成型系统的组成。系统的每个组 成部分和影响系统的每种因素在液压成型的过程中都扮演着重要角色，直接影响到成 型过程的成功与否。以下因素应充分考虑：1 ) 、管材的选择，2 ) 、预成型的设计和预 成型的方法，3 ) 、液压成型件的焊接和装配，4 ) 、润滑剂的选择，5 ) 、快速成型技术 的发展。 目前管件液压成型系统主要有三种形式：自然液压成型系统、低压液压成型系统、 高压液压成型系统。 1 、自然液压成型系统：在某些系统中，首先对管件充液，然后合模并直接在两 端加压，这称为自然液压成型。在轴向压力的作用下，内压也不断增加，最终使坯料 成型。这种系统适合于简单件的生产； 2 、低压液压成型系统：即压力低于5 0 m p a ，工作变形小于5 的系统。在此系统 中，坯料下端固定密封，上端加轴向压力以使坯料最终成型。这种系统可形成坯料周 长不变、变形小于5 的复杂零件； 3 、高压液压成型系统：即压力大于6 0 0 m p a ，变形大于5 的系统。此系统的高压 需用增压器获得( 以下所涉及的液压成型均指高压) o 2 2 2 、影响管件液压成型系统的因素 在管件的液压成型过程中需要考虑以下诸多因素： l 、坯料必须切割或预成型。预成型包括弯曲、缩径等预加工工序。许多零件需 要进行多步预) j n - 7 处理。 2 、材料需要具有一定的延伸率以保证延伸、弯曲、胀形而不失稳。如果零件的 端部变形比较大，则可利用加大轴向压力的办法进行补料，以确保壁厚基本保持不变。 一般目前采用的是低碳钢和铝合金 3 、考虑材料特性参数，例如屈服极限、抗拉极限等，以保证其顺利成型。材料 的屈服强度和抗拉强度决定了成型所需内压，而零件的表面积和成型内压又决定了合 模力。另外，零件的过渡圆角半径小于壁厚的四倍或五倍时极难成型，需要特别高的 压力。 4 、当变形大于1 0 - - 1 5 时，或变形区发生具有弯曲、突起、凹陷的地方，胀形 的发生主要来源于壁厚的变薄。 5 、轴向补料对成型具有重要意义。当成型复杂零件时，精确控制内压和轴向压 力是成型的关键。 6 三：重壁堕堕堕墼堇查盟堡基 液 压 成 型 设 备 i斋f ，i _ 一。r - 一 一_ f 兰啊 燃。1 l 妇i ， i 一 图2 2 管件液压成型系统组成图 二、管件液压成型技术的研究 2 2 3 、管件材料的选择 影响管件液压成型材料选择的主要因素包括成型产品的性能、成型的过程、材料 的变形能力和成本，因此必须针对液压成型产品的实际情况，综合考虑各种因素来决 定要选择的材料。例如：硬化不锈钢在不牺牲结构件刚度的前提下可减轻结构件的重 量，但硬化不锈钢价格昂贵且不易变形，可是为了满足设计元件的特殊要求，在某些 情况下它又是唯一的选择。目前，车身和底盘件一般用低碳钢和硬化不锈钢；曲轴和 驱动轴一般采用表面经过硬化处理的钢；排气管一般采用不锈钢；车身和底盘的操纵 杆一般采用铝合金；而机架和t 型联接件一般则采用铜。 由于预成型管的质量对液压成型过程的成功与否起关键作用，所以同管材的壁厚 和直径一样，材料的组成、屈服极限、强度极限、延伸率和流动性等性质直接决定了 成型产品的性能。因此在加工的过程中，必须对材料的这些性质随时进行监控。设计 和制造液压成型产品的生产设备造价高，并且生产周期长，制造后不易改动，因此在 投入生产前，对受实验设备制约而不能由实验解决的一些液压成型问题，可通过计算 机仿真解决。 液压成型产品的最终几何形状的复杂性决定了液压成型时采用直管还是采用预 成型管。多数情况下，在液压成型操作之前，先将直管预弯曲成最终成型品的大致形 状。而管材不同角度的弯曲，不同的弯曲曲率半径增加了加工和设备的成本，因此在 产品设计阶段就应充分考虑液压成型的弯曲约束。 目前工业上通常采用张力实验来确定材料的性质。实验样品是取自管材的扁平圆 片。由于材料在被加工成为圆管和预弯曲操作过程中，其性质发生了变化，因此材料 的成型能力也发生了改变，所以在液压成型操作之前，必须进行管材性质的验证。 控制管材在模具腔内的成型过程中( 同时控制内压和轴向进给) ，管材可能发生 拉伸疲劳。由于管材的性质和成型能力决定了液压成型过程的成功与否，所以在液压 成型过程中也要随时监控管材的变形条件和疲劳强度以避免瓶颈、皱褶、挠曲等现象 的发生。通过分析计算和计算机仿真，估计成型期间的轴向进给、内压和反向压力控 制的关系可以缩短液压成型的时间。 2 2 4 、成型模具 成型模具是管件液压成型系统的主要组成部分之一，成型模具主要考虑几何形 状、表面粗糙度、刚度和在高压下的机械和热学性能等方面的因素。液压成型模具通 常为径向和轴向分模( 图2 3 、2 4 ) 。轴向分模模具成本一般比径向分模模具低，直 径尺寸易于控制，并且加紧力相对较小，然而，对有凹凸变化形状的工件必须用径向 分模模具。通常在可能的情况下，轴向分模模具应优先考虑。成型过程可以在闭模和 开模两种状况下进行。在闭模状况下，成型模具在成型过程开始前加紧( 图2 5 ) 。 8 二、管件液压成裂技术的研究 成型过程中，管壁在液压机轴向加压和管内压力作用下，变化沿模具表面进行，模具 表面成为管壁变化的导轨。这样，管壁的自由变化被限制在最小，减少了管壁扭曲、 发生皱褶的可能性。在开模状况下( 图2 6 ) ，成型模具在成型过程开始前是张开的， 伴随成型过程进行，模具逐渐加紧，工件管壁也逐步膨胀与模具表面相接触。这样， 管壁和模具之间不存在或存在很小的磨擦力，但由于管壁变化不存在相应约束，因此 扭曲，皱褶发生的机率大大增加。 r 工 1 c m 颦斑 南rcfh。 一一一 图2 - 3 轴向分模模具图2 - 4 径向分模模具 f c 艮 l l 铴黝l i 蕊麟 图2 - 5 闭模成型图2 - 6 开模成型 2 2 5 、润滑和磨擦 润滑和磨擦是液压成型技术中又个关键技术问题，尤其是在有轴向进给的情况 下。润滑剂的作用是减小滑动磨擦阻力，减少设备的磨损，减少轴向力，防止皱褶。 管材与模具直接接触时，由于各处磨擦力大小不同，所以管材各部位的应变分布状态 不一致，为了使管材沿模具腔扩展，应减小接触面的磨擦促使材料进入变形区( 如图 2 - 7 a 所示) 。 9 二、管件液压成型技术的研究 润滑剂在管材和模具腔表面间建立的边界润滑，控制着磨擦状态。随着内部压力 的加大，接触面积增加，并且伴随有粘性磨擦发生。液压成型过程中，产生磨擦的三 个重要区域是导向区、变形区和扩展区( 如图2 7 b ) 。每个区域都有不同的变形和磨 擦特性，因此应分别分析每个区域的磨擦特性。在导向区材料不发生变形，但在内部 压力的作用下，轴向运动的汽缸将它推向变形区。管材的变形主要发生在变形区，而 在扩展区，管材被校准为模具腔的几何形状。影响液压成型过程中磨擦的主要参数有 轴向 - 轴向力 图2 - 7 b 图2 - 7 液压成型中的润滑和磨擦 润滑剂、管材表面质量、管材的屈服强度、模具腔面的抛光处理和镀层。选择润滑 剂要综合考虑内部压力、滑动的速率与距离等多种因素。固体润滑剂( 主要是石墨) 、 聚合物、石蜡、润滑液和乳胶等都可作为液压成型的润滑剂。润滑剂选择的原则应遵 守易于使用，易于清除，不影响管材的性能，并且在6 0 0 m p a 的高压下不分解。 2 2 6 、管件液压成型的计算机仿真 1 0 二、管件液压成型技术的研究 对管件液压成型过程进行计算机仿真是从经济性出发。由于管件液压型过程中需 要高压，实验室的设备不能满足，而制造硬件设备成本高，周期长，并且投产后又不 易进行调整，所以在投产硬件设备之前，应通过计算机仿真进行并优化初始设计。 有限元仿真可以预测液压成型过程中可能出现的皱褶和破裂等缺陷。在发展新的 成型过程和设计新的成型系统时，可通过有限元仿真模拟成型过程，尝试不同的过程 参数和方案，在进行实物实验和采取必要的技术措施之前，就可获得适当的结构设计 和适当的过程参数，因此降低了产品的成本，缩短了产品开发的周期，试制和实验的 次数可大量减少。现在人们越来越多地使用外部有限元软件，如m s c 、d y n a 3 d 、a b a p u s 等都是对液压成型过程仿真常用的外部商业有限元软件。 如上所述，为了避免液压成型过程中的各种缺陷，必须施加足够的内压使其产生 变形，但又不能太高导致破裂，从而在成型过程中引入f e a 仿真。然而，在传统的过 程仿真中，用户必须估计压力随时间的变化值和轴向进给速度大小，并将其作为f e a 程序的输入参数，这样为了获得理想的结果必须进行许多次的仿真。因此非常有必要 研究与开发一种方法，预测液压成型所需的加载路径。这种方法我们称为自适应仿真 技术，它配备一套适时控制程序，能够适时调节加载路径以达到优化成型过程的目的。 2 3 管件液压成型的过程 2 3 1 管件液压成型的一般过程 在管件液压成型过程中，具有封闭横截面的结构件是由标准管材变形而成的。使 用该技术加工一个产品，一般需要以下七个步骤： 1 、选择合适的材料和尺寸 典型的液压成型坯材尺寸通常为长度l m - 3 m ，直径为2 5 m m - l s o m m 的直管。管材 可由多种材料加工而成，如热轧低碳钢，冷轧低碳钢，高强合金钢和铝合金等。( 图 2 - 8 a ) ， 2 、将管材预弯曲成型 使用数控( c m c ) 弯管机将坯材弯曲成最终成型品的大致形状，为液压成型过程 做准备。( 图2 - 8 b ) 3 、将预弯曲件放置在成型模具腔内 预弯管件在模具腔内将最终成型。模具和加工设备是根据液压成型产品专门设计 和制造的。 4 、加压的第一阶段( 低压阶段) 在模具夹紧的同时，在管材内部注入低压流体，可以增加管材的变形能力。成型 件在拐角处的变形是由于管内部的压力超出了管材的屈服极限而导致的管材弯曲。在 该阶段，确保了壁厚一致性和尺寸的精确性。 = ! 鳖! 墼堡鏖型垫查堕堑塞 5 、加压的第二阶段( 高压阶段) 第一阶段完成后，营内压力增加，管材形成最终形状。步骤( 4 ) 和步骤( 5 ) 可 以经一次高压完成。一般说来，二次加压成型的过程中的压力比一次高压成型过程中 压力要低的多，因此其成型周期更短，对液压机的要求也较低。 6 、冲孔 在高压阶段，安装在模具上的冲孔机可以直接对管材冲孔。采用此方式冲孔可减 少传统冲孔方法引起的影响管件质量的变形。同样，在该阶段可进行管材表面上凹凸 面的操作。( 图2 8 c ) 7 、管材的端部成型( 在需要的情况下) 当管材的端部需要向四周膨胀以增加加载或倾斜性能时，在管内注入适当压力的 流体，控制模具实现管材的端部膨胀。 图2 - 8 管件液压成型过程 2 32 管件液压成型的2 个典型过程 典型的液压成型过程如图29 所示，模具加紧后向管内充入油一水乳液状流体， 并逐渐增加内帮流体的压力，使柯料进a 成型区。在成型过程中，通过同时控制轴向 进给、内压来增强材料的成型能力。在成型的最后阶段，为了形成小曲率半径的角区， 通常需要较大的压力。由于尺寸的校准是通过拉抻材料实现的，所以增大压力是唯一 的实现方法。在该阶段，既然内压非常大，那么增大的摩擦力使得多余材料进入变形 区非常困难。 二、管件液压成型技术的研究 ( 1 ) 管坯放入模具( 2 ) 端部密封，冲入流体 ( 4 ) 打开模具，取出元件( 3 ) 增大压力，元件成型 图2 - 9 管件液压成型过程之一 在另一种典型的液压成型过程中( 如图2 - 1 0 所示) ，当模具加紧后，管内充入较 低的流体压力，这样材料就可以进入模具的角区。由于管壁较低的变形量和较低的内 压力，小曲率半径的角区可以较易成型。 加压前 低压阶段高压阶段 图2 - 1 0 管件液压成型过程之二 2 3 3 管件液压成型中变形的三种模式 在管件液压成型过程中，通常存在三种成型模式： 1 、膨胀( 参见图2 - 1 1 ( a ) 、( d ) ) 管件存在直线型中心线； 2 、校准( 参见图2 - 1 1 ( c ) ) 具有弯曲中心线的管件经过预弯曲后，液压变形 很小； 1 3 二、管件液压成型技术的研究 3 、偏置( 参见图2 - 1 1 ( b ) ) 管件通过液压成型生成一曲柄形工件。 匿 j ：“烈 鋈 医蕊 i ( a ) 霾 ( d ) 图2 1 l 管件液压成型模式 2 4 、管件液压成型技术的优缺点与目前应用情况 2 4 1 管件液压成型技术的优点 管件液压成型技术同传统的冲压和焊接加工技术相比有几大优势： 1 、重量轻 通过有效的截面设计和壁厚设计，结构件由标准管材经液压成型膨胀成结构的复 杂的单一整体元件，减少了的管材消耗，减少了联结件，因此减轻了产品的重量。同 时较少的二次操作( 如焊接、联接等) 也减轻了产品的重量。 2 、质量高 管材经液压成型，强度和刚度得到提高；同时，由于单一元件代替了原来的多个 组合件或装配件，因此液压成型产品较冲压、焊接件整体性能好；尺寸的精确性高， 加工误差降低5 0 ，由1 5 姗降为0 7 5 m m 3 、成本低 更少的加工程序，更少的原材料，更少的二次操作( 如焊接、联接和装配等) 降 低了液压成型产品的成本。 4 、设计灵活 特殊的成型能力使液压成型产品的设计更灵活，现在通过液压成型技术可以成型 1 4 管件液压成型技术的研究 些不能由传统的成型技术成型的复杂的元件。 图2 - 1 2 a 、b 分别显示了传统的冲压、焊接成型的气缸和液压成型的排气管 勰懑 a 传统的冲压、焊接排气管b 液压成型的排气管 图2 一1 2 传统的冲压、焊接与液压成型排气管的比较 以福特m o n e d e o 车型中的发动机架为倒说明采用液压成型技术和传统的加工技 术相互比较的优越性：工件的数目r h6 个减少为1 个；加工程序的步骤由3 2 步减少 为3 步；成型件的重量由1 2 k g 降低为8 k g ；平均每个成型件的成本i 扫2 0 降低) t j 1 0 。 242 管件液压成型技术缺点 尽管液压成型技术具有许多优势，但它也有周期长、设备昂贵、缺乏过程设计和 设备设计的知识等劣势。同时时至今日该技术仍然存在着一些关键性的技术问题有待 于进一步研究解决。 l 、液压成型管件形状的设计较难 由于液压成型产品的优点，其在轿车内架零部件的制造上得到广泛的应用。为了 实现轿车重量的轻量化、结构的紧凑化，其内架零部件的结构往往比较复杂，难以做 到几何形状的准确表达、零件的三维布置、实体之间的三维几何干涉检查。故设计效 率较低。 2 、管件液压成型工艺问题 密封问题：液压成型过程中，管坯受高压被体及轴向压力共同作用，无论是单向 补料还是双向补料密封层都要发生位移。在目前高压最高达i o 啊p a 的生产中，虽 然采用了锥蟛冲头，多重密封等措施，但移动端密封问题仍未完全解决。 金属冲头位移量及其与内压的关系：液压成型技术优势在于管坯在壁厚不减薄或 少减薄情况下成型零件，而合理控制位移是实现壁厚控制及成型的关键。如果位移量 过大则零件容易起皱，而位移量过小则壁厚减薄严重。即使在位移相同的情况下，位 移量在成型的不同阶段的分配对壁厚及成型性也有重要影响。而针对不同零件如何分 二、管件液压成型技术的研究 配位移、合理控制位移与内压的关系，目前还没有通用的解决方法。 3 、液压成型管件变形分析 金属流动模式、变形特征及变形规律：液压成型过程中，金属流动模式既不同于 胀型又不同于挤压，有其自身的规律，而目前这一规律尚未被认识和掌握。 接触区和变形区应力应变状况：无论是复杂零件还是简单零件，利用液压成型工 艺所引起的接触区和变形区应力应变情况都比较复杂。尤其在一些几何形状变化比较 剧烈的地方，应力应变状况不断改变，真实地进行描述比较困难。 以上这些问题是液压成型技术迸步发展的关键所在，解决这些问题，不但对完 善液压成型理论具有重要意义，而且对实际生产将具有重要的指导意义。 2 4 3 管件液压成型技术的目前应用情况 管件液压成型技术主要应用在汽车和航空工业领域。汽车工业和航空工业对液压 成型产品的需求则成为液压成型技术发展的驱动力。表2 - 1 给出使用液压成型技术生 产的汽车元件。引导汽车行业潮流的制造商，为了增强自己产品的竞争力，几乎都采 用了这项技术，如宝马汽车的后桥、奔驰汽车的排气系统、别克汽车的车项梁、发动 机支架和仪表盘支架等。 表2 - 1 利用液体成型技术的汽车元件 车身底盘转向系与支架发动机与驱动系 仪表板支架前置发动机支架控制臂排气管 散热器支架 后置发动机支架从动连杆凸轮轴 座椅架 梯形臂转向性驱动桥壳 车顶侧边横梁 牵引杆 发动机轴 车顶纵梁保险杠曲轴 副车架前桥、后桥 1 6 三、系统建立过程的图形学理论 第三章系统建立过程的图形学理论 在液压成型管件c a d 系统建立的过程中，运用了许多图形学的理论，如实体造型 理论、参数化造型技术、特征造型技术。本章对这些技术作了简要介绍。 3 1 实体造型理论基础 3 1 1 形体的定义 几何模型描述产品对象两方面的信息：几何尺寸和拓扑结构。前者是指具有几何 意义的点、线、面等，具有确定的位置坐标和长度、面积等度量值；后者反映了形体 的空间结构，包括点、边、环、面、实体等形成的层次结构。任一实体可由空间封闭 面组成，面由一个或多个封闭环确定，而环又是由一组相邻的边组成，边由两点确定， 点是最基本的拓扑信息。几何模型的所有拓朴信息构成其拓扑结构( 数据结构) ，反 映了产品对象几何信息之间的连接关系。在计算机中对上述几何元素按图3 1 所示 的层次结构描述。 在层次结构图中：点通常分为端点、交点、切点和孤立点等。点是几何造型中最 基本的元素，任何形式可用有序的点集来表示，计算机处理形体的实质是对点集与连 接关系的处理。边是两邻面( 正则形体) 或多个邻面( 非正则形体) 的交线，直线边 由两个端点确定，曲线边由一系列型值点或控制点描述，也可用方程表示。面是二维 几何元素，是形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定其范围( 也 可以无内环) 。面有方向性，一般用其外矢方向作为该面的正向。环是有序、有向边 组成面的封闭世界。体是三维几何元素，是由封闭表面围成的空间，也是三维空间中 非空、有界的封闭子集，其边界是取面的并集。造型系统定义的简单形体称之为体素 ( p r i m i t i v e ) 例如长方体、圆柱体、锥体、圆环、球等。半空间( h a l fs p a c e ) 例 如长方体可以看成是六个平面半空间的交。体素定义。体素可分有界体素和无界体素。 无界体素用半空间域定义，这时体素在有限个半空间内集合的组成。有界体素可用 b - r e p 表示或用与之相似的数据结构表示。 3 1 2 形体的类型 形体在计算机中常用的表示模式按其物体几何模型的复杂程度不同可分为线 框模型、表面模型和实体模型三种，它们实质上代表了形体在计算机内的不同存储方 式。 1 、线框模型( w i r e f r a m em o d e l i n g ) 线框模型是c a d 技术发展过程中最早应用的三维模型，它表示的是物体的棱边。 1 7 三、系统建立过程的图形学理论 线框模型由物体上的点、直线和曲线组成。图3 2 a 中所示立方体是由6 个表面形成， 每一个面由四条棱边围成，每条棱边可以通过两个端点来定义。这种关系形成一种树 状结构。一旦给定了下层各顶点的坐标值，就能唯一地确定这个立方体。线框模型的 图3 1 形体层次结构 数据结构的关键在于正确地描述每一线框的棱边，在计算机内部是以点表和边表来表 达和存储的。点表描述每个顶点的编号和坐标；边表说明每一棱边起点和终点的编号。 实际上，物体是边表和点表相应的三维映射。线框模型具有很好的交互作用功能，用 于构图的图素是点、线、圆、圆弧、b 样条曲线等。它还具有数据结构简单，运算速 度快的特点。但表示的图形有时含义不确切，在图3 2 a 的立方体上如果存在有孔， 则孔是盲孔还是通孔含义就不清楚，也不能进行物体几何特性( 体积、面积、重量、 惯性矩等) 计算，不便于消除隐藏线，不能满足表面特性的组合和存储及多坐标数控 加工刀具轨迹的生成等方面的要求。 2 、表面模型( s u r f a c em o d e l i n g ) 表面模型是以物体的各个表面为单位来表示其形体特征的，在线框模型的基础上 增加了有关面与边的拓扑信息，给出了顶点的几何信息、边与顶点、面与边之间的二 层拓扑信息。表面模型的数据结构是在线框模型的数据结构的基础上增加面的有关信 息与连接指针，其中还有表面特征码，各条棱边除了给出连接指针外，还给出方向、 可见不可见信息等。图3 2 b 所示立方体的表面模型由六个边界表面围成的一个封闭 空间来定义的，平面由棱边围成定义，而棱边则由两个端点来定义。 1 8 三、系统建立过程的图形学理论 顶坐标值 点 xyz l00 l 210l 3lll 4o1】 50oo 6l00 7l10 8ol0 表面模型中的几何形体表面可以由若干块面片组成，这些面片可以是平面、解析 曲面( 如球面、柱面、锥面等) ，参数曲面( b e z i e r b 样条曲面片等) 。利用表面模 型，可以对物体作剖面、消隐、着色、表面积计算、曲面求交、n c 刀具轨迹生成、 获得n c 加工所需要的表面信息等，对一些复杂的物体表面( 如汽车车身、模具型腔 等) 描述的曲面，要根据空间自由曲线和自由曲面的理论进行计算。表面模型虽然比 线框模型具有较丰富的形体信息，但它并未指出该物体是实心还是空心，哪里是物体 的内部和外部的信息，因此，表面模型仅适用于描述物体的外壳。 3 、实体模型( s o l i dm o d e li n g ) 实体模型的核心问题是采用什么方