（材料加工工程专业论文）基于ug的粉末冶金模具cad系统精整工艺模块的研究与开发.pdf

基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统 精整工艺模块的研究与开发 摘要 一般专业的c a d 软件系统是通用性软件平台，没有提供针对粉末冶金 模具设计的专用模块，为了提高粉末冶金模具设计的设计质量和效率，有 必要在通用c a d 软件基础上，二次开发针对粉末冶金行业的专用模具c a d 系统。 本文是围绕广西区科技厅攻关项目，以u g 为开发平台，二次开发粉末 冶金模具c a d 系统精整工艺模块，完成的主要研究内容如下： ( 1 ) 研究了粉末冶金零件生产的工艺过程和粉末冶金模具设计的基本 原理，深入探讨了粉末冶金模具精整工艺模具的设计方法和计算过程，重 点围绕精整模具设计进行研究，归纳、总结并提出了精整模具三个关键零 部件( 芯棒、模冲、阴模) 分类方法； ( 2 ) 深入研究了u g 软件二次开发的方法，探讨了u g 二次开发的完整 过程。包括：基于u g 平台和v c + + 6 0 应用程序的接口、u g 二次开发工 具( u g m e n u s c r i p t 、u g 0 p e nu i s t y i e r 、u g 0 p e na p i 、u g 0 p e ng r i p ) 、 保存文件时的相对路径、u g 与数据库( 数据文件) 接口技术、m f c 与u g 接口技术等； ( 3 ) 完成了精整工模块的结构设计和粉末冶金模具精整模具关键零件 ( 阴模、芯棒和模冲) 的设计开发工作。 ( 4 ) 最后以一个需要精整的齿轮零件模具设计为例，介绍了粉末冶金 模具c a d 系统精整工艺模块的应用和操作过程。 关键词：u g c a d 二次开发粉末冶金精整工艺模具 r e s e a r c h & d e v e l o p m e n t0 fslzin gt e c hlc sm o d u l e0 np o w d e r m e t a l l u r g ydiec a ds y s t e mb a s e d0 nu gp l a t f o r m a b s t r a c t t h ec o m m o nc a j ds y s t e mi sa p l a t f o n l lo fg e n e r a ls o f t w a r e ，b u ti td o e s n o to 丘e rt i l es p e c i a l 如n c t i o n a lm o d u l ef o rt h ed e s i g no f p o w d e rm e t a l l u 略yd i e i no r d e rt oi m p r o v e 廿1 ed i ed e s i g nq u a l 毋a 1 1 de 伍c i e n c y i ti s n e c e s s a 叮t o d e v e l o pac u s t o m i z e dc a dm o d u l ef o rp o w d e rm e t a l l u 唱yd i eb a s e do ng e n e r a l c a ds o f t w a r e u s i n gu ga sad e v e l o p i n gp l a t f o 舯，s i z i n gt e c h i c sm o d u l eo fp o w d e r m e t a l l u r g yd i ec a ds y s t e mh a sb e e ni 1 1 v e s t i g a t e d t h em a i nw o r k sa r ea s f o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ep r o d u c t i o nt e c l l l l o l o g i c a lp r o c e s so fp o w d e rm e t a l l u 唱ya n db a s i c d e s i g n j n gp r i n c j p l eo fp o w d e rm e t a l l u 唱yd i eh a v eb e e ns t u d i e d a n dt l l i sp 印e r a l s od i s c u s s e dm ed e s i g n i n gm e t h o da n dc a l c u i a t i o np r o c e s so ft t l e s i z 证g d i e s p e c i a i l y t h ee m p h a s i si st 1 1 ed e s i g no fs i z i n 哥d i e ac l a s s i f i c a t i o nmm em a i l l p 越so fs i z i n g d i eh a sb e e ni n d u c t e da n dc o n c l u d e d ( 2 ) t h ed “e l o p m e n tm e t h o da 1 1 dt h ew h o l ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft 1 1 eu g s o n w a r eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h e ya r ei n c l u d e 印p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e b a s e do nu gp l a t f o ma i l dv c + + 6 os o 脚a r e ，t h es e c o n dd e v e l o p i n gt o o lo f u g ( u g m e n u s c r i p t ，u g ( ) p e nu i s t ) r l e r u g o p e na p i ，u g 0 p e ng r j p ) ，m e r e l a t i v e l yp a t ht os a v ef i l e ，t h ei n t e r f a c eo fu ga n dd a t a b a s e ( d a t a 丘i e ) ，t i l e i n t e r f a c eo f 匝ca i l du g e t c ； ( 3 ) t h es 蛐c n 勰d e s 蜘o f t 量l es j z i n g - d i ea n dt h ew o r k o f p o w d e rm e t a 】l u r g y s i z i n gd i e s k e yp a n sd e v e l o p m e n t ( c a v i 够d i e ，c o r er o da i l dp u l l c h e r ) h a v eb e e n f i n ；s h e d ( 4 ) i i lo r d e rt oi n 仃o d u c eh o w t ou s et 1 1 es i z i n g - d i eo ft 1 1 ep mc a d s y s t e m ， t l l i s p 叩e r g a v ea ne x a m p l e o fd e s i g n i n gt h es i z i n gg e a rd i e s k e y p a n s k e yw o r d s ：u g ；c a d ：f u n h e rd e v e l o p m e n t ；p o w d e rm e t a l l u 倒 s i z i l l g - d i e 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c d 系统精整工艺模块的研究与开发 1 1 粉末冶金 第一章绪论 粉末冶金是一种制造金属粉末和以金属粉末( 包括混入有非金属粉末者) 为原料，用 成形烧结法获得材料与制品的技术。广义而言，它也包括以氧化物、氮化物、碳化 物等非金属化合物粉末为原料，用成形烧结法获得材料和制品的技术。粉末冶金既 是制取金属材料的一种冶金方法，又是制造机械零件的一种加工方法。作为特殊的冶金 工艺，可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料；作为少无切削工艺之一，可以制 造各种精密的机械零件。粉末冶金从制取金属粉末开始，将金属粉末与金属或非金属粉 末( 或纤维) 混合，经过成形、烧结、制成粉末冶金制品、材料或零件。根据需要，对粉 末冶金制品还可进行各种后续处理。如熔浸、二次压制、二次烧结和热处理、表面处理 等工序。此外，当制造复杂形状零件时，可以采用金属注射戒形、温压工艺；当制造大 型和特殊制品时，可以采用挤压成形、等静压制、热压制、电火花烧结：对于带材，还 可以采用粉末轧制粉末冶金工艺，粉末冶金之所以能够在机械制造、汽车、电器、航空 等工业中获得广泛的应用，主要是基于粉末冶金工艺的如下特点： l 、可制取多组元材料； 2 、可制取多孔材料； 3 、可制取硬质合金和难熔金属村料： 4 、粉末冶金工艺是一种精密的少、无切削加工工艺。小” 1 2 粉末冶金模具 粉末冶金模具设计是粉末成形的基础，它是综合了冶金和机械两方面的知识而形成 的独立类型。粉末冶金工艺具有材料消耗低，少、无切削，生产效率高等特点，粉末冶 金模具种类多种多样。 1 2 1 粉末冶金模具设计的基本原则 粉末冶金模具设计关系到制品生产的质量、成本、安全、生产率和自动化等问题， 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统楮整工艺模块的研究与开发 从而提出了对模具设计的基本原则： l 、保证坯件达到几何形状、精度和表面光洁度、坯件密度及分布等三项基本要求。 2 、合理设计模具结构和选择模具材料，保证模具零件具有足够高的强度、刚度、 硬度、高耐磨性和使用寿命，便于操作调节，安全可靠，尽可能实现模具自动 化。 3 、注意模具结构和零件制造的可加工性和成本问题，逐步实现模具零件的通用 化、系列化，采用通用模架和通用零件，提高设计效率，实现部分模具零件的 批量生产，提高模具质量，降低模具总成本。f 3 】1 4 l 1 2 2 粉末冶金模具设计的基本方法 1 、掌握有关的设计资料，作为模具设计依据，包括：制品图纸及技术要求制品生 产批量及工艺流程、工艺参数、压机类型及技术参数、模具加工设备及能力、 了解模具在使用中曾出现的问题等； 2 、根据制品图纸进行压坯设计，选择压机和压制方式，设计模具结构草图，分析 是否适于用粉末冶金方法生产； 3 、由于粉末冶金模具都是在较高压力下工作，模具工作表面要经受严重的粉末摩 擦，因此，主要模具零件材料应具有高强度、高硬度和高耐磨性，优良的热处 理性能和一定的韧性，较好的机加工性能等； 4 、模具主要零件尺寸的计算方法，关键在于正确选择设计参数( 如弹性后效、烧 结收缩率、精整余量、机加工余量等) 。由于粉末冶金成分和性能、工艺条件 和设备不同，实际生产中会引起设计参数的一定变化，要求留有可调节的余地， 才能保证模具零件尺寸计算准确； 5 、绘制模具装配图和零件图，合理提出模具加工技术要求。陋1 1 3 模具c d 技术的应用 国外先进工业国家对模具c a d c a m 技术的开发非常重视，各大公司都先后建立了自 己的c a d c a m 系统，并将其应用于模具的设计与制造。如p t c 的p r 0 e n g i n e e r 系统、 e d s 公司的u n i g r a p h i c s 系统、a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 系统、c o m p u t e rv i s i o n 公司 的c a d d s 系统、d a s s a u l t 公司的c a t i a 系统、h p 公司的p e 系统、i n t e r g r a p h 公司的 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统捕整工艺模块的研究与开发 i e i s 系统、a p p l i c o n 公司的b r a v o 系统以及s d r c 公司的i d e a s 系统。我国c a d c a m 技术研究始于七十年代初期，八十年代中期部分大中型企业和研究院所开始引进 c a d c a m 技术。进入九十年代以后，随着p c 机性能价格比的大幅度提高，从而为c a d c a m 技术的普及莫定了坚实的基础。到如今，c a d c a m 技术已在很多企业得到广泛应用。目 前，国内实际应用的c a d c 埘系统分为两大类：一类是国内自主版的c a d c a m 系统：另 一类是国外商品化的c a d c a m 系统。国内自主版的c a d c a m 系统近年来有很大的进步和 发展，涌现了一批符合我国基本国情的c a d c a m 系统，如清华的g e m s 、武汉的开目、 北京华正司的c a ) ( a 、江苏杰必克的超人等，但是，同国外商品化的c a d c a m 系统相比， 国内的c a d c a m 系统还存在较大的差距。国外商品化的c a d c a m 系统功能齐全、性能优 良并完成了商品化及工程化，在国内占有很大的市场份额。如何引进并用好商品化的 c a d c a m 软件系统，是各企业的当务之急。 模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展水平标志着一个国家的工业水平 和产品的开发能力。无论是在汽车工业中新车型的开发与批量生产，还是机电及家电和 轻工业产品等都与模具制造技术业息息相关，c a d 技术的发展带来了设计、制造和生产 水平的飞跃，它已经成为企业现代化、信息化和集成化的攻关任务。在一些工业水平发 展比较高的国家里，c a d 技术已经成为解决模具设计薄弱环节的有效手段、模具行业自 动化的重要工具。【删 1 3 1 模具c a d 的优越性 在工业发展的过程中，模具c a d 表现出了很大的优越性，主要有以下几点： ( 1 ) 采用模具c a d 技术可以提高模具质量、模具c a d 各类数据库可为模具设计和 工艺的制定提供科学依据，计算机与模具设计者的交互作用，有利于发挥人机各自的特 点，使模具设计和制造工艺更为合理，系统所采用的优化设计方法也有助于成形工艺参 数和模具结构的优化； ( 2 ) 采用模具c a d 技术可以节省时间，提高模具生产效率，缩短制造周期。模具 设计有关的分析计算、图样绘制和曲面造型、工艺编制等均可借助计算机来完成。据统 计，采用c a d 系统模具技术制造比一般传统方法提高设计效率2 5 倍。由于模具质量 高，可靠性增强，模具装配与返修时间明显减少，模具的交货时间能大幅度缩短： ( 3 ) 用模具c a d 技术可以降低生产成本。c a d 技术的应用，初期虽投入较大，但 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c d 系统精整工艺模块的研究与开发 随着应用的日臻成熟，将获得可观的经济效益。计算机的高速运转和自动绘图能节省大 量劳动力。优化设计能节省原材料，采用c a d c a m 技术一体化，可以对传统方法耗时费 工仍难以完成的复杂型面进行完善的加工，使制造成本大大降低； ( 4 ) 采用模具c a d 技术，可以发挥模具工作者的聪明才智，使他们从沉重的绘图、 计算中解脱出来，以从事更多的创造性的劳动，提高技术水平，满足开发新产品的要求， 大大增强企业对市场需求的应变能力。【l 川 1 3 2 模具c a d 技术的发展趋势 模具c a d 技术已经经过了几十年的发展，为了更能适应未来模具生产，模具技术将 向着如下几个方面发展： ( 1 ) 无纸化生产未来模具c a d 的发展方向是向美国波音7 7 7 大型客机的“无纸 设计”技术方面发展，一切设计都在计算机里进行； ( 2 ) 标准化模具c a d 的标准化工作是其应用的重要保证，这里的标准化是指标 准件库的建立、制图的标准化、模具零件的标准化、模具结构的标准化、设计资料的标 准化等的标准化。事实证明模具c a d 应用做得好的企业，其标准化工作也做得好。在具 体应用中，不单是要建立模具的标准建库、组合建库等标准库，而且要建立其典型模具 结构库、用户自定义特征库、设计资料库等专用库； ( 3 ) 模具c a d 的智能化为了提高产品质量、降低成本、增强产品市场竞争力， 就必须开展智能化研究工作，总结出设计制造经验教训，把成功的应用到模具设计中去， 形成计算机里的知识库和智能库，生成专家系统，为以后所用，这对企业的技术发展是 一份及其宝贵的财富，也是企业成功的保证： ( 4 ) 专业化模具设计由于其本身固有的复杂性和多样性，设计一个通用的模具 c a d 系统几乎是不可能的。未来的c a d 模具将走向更加专业化的道路，一些通用的软件 由于其功能繁多，专业性较差，已不能满足大型c a d 模具的需要，更好的方法是在软件 的基础上开发专业性很强的模具c a d 软件，这也是模具c a d 的一个发展方向。 模具c a d 技术的推广应用，大大减轻了设计人员的劳动强度，提高了模具设计质量， 缩短了模具生产的整个周期，给企业带来了巨大的效益，企业开展模具c a d 具有非常重 要的意义。1 1 1 1 4 】 4 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统车奇整工艺模块的研究与开发 1 4 本论文的研究内容 1 3 1 本论文的背景 汽车工业对我国国民经济的发展起着举足轻重的作用。我国汽车工业经过几十年的 发展，与国际先进水平仍有很大差距。其中主要原因就是模具制造水平低，导致汽车关 键零部件质量低，能耗高，制造成本高，致使相当数量的汽车零件不得不从国外花高价 采购，这就在某种程度上限制了我国汽车工业的发展。粉末冶金技术是一种生命力极强 的制造机械零件少无切削金属成形技术，它是一种省材、节能、投资少、见效快、无污 染的生产技术。本课题进行的目的是：利用c a d c a m 模具设计与制造技术开发汽车p m 结构件的模具，从而提高粉末冶金结构件的生产质量和效益，促进产品结构的调整和优 化，提升广西汽车关键零配件的生产技术水平。【1 5 】【1 6 】 在粉末冶金模具中有三个关键零件，它们是阴模、芯棒和模冲，它们是零件制造的 关键模具零件，只有把这三个零件设计好，才能将它们装配在标准的模架上进行粉末冶 金零件的生产。只要提高了这三个零件的设计效率，就大大减少整套粉末冶金模具的生 产周期。粉末冶金模具关键零件的智能化生成，主要是通过对图形的特征识别和相关特 征参数的提取，进行这些零件的自动智能化生成。从而给粉末冶金模具生产行业带来巨 大的经济效益。 1 3 2 本论文研究的主要内容 本文主要研究粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块部分，研究的主要内容归结如 ( 1 ) 研究粉末冶金工艺特点及粉末冶金模具的具体设计方法； ( 2 ) 研究u g 针对粉末冶金模具的二次开发方法及其实现途径； ( 3 ) 确定系统的数据流程图，计算模具的主要零件的尺寸以及实现系统的 基本功能，制定出系统的总体框架： ( 4 ) 完成系统的界面设计，探讨u g 界面的开发方法； ( 5 ) 针对系统的具体的模块进行深入的研究，实现该模块的智能化。主要是在u g 的界面环境中自动生成粉末冶金模具的三大关键零件：阴模、芯棒和模冲； ( 6 ) 对关键零件( 阴模、芯棒和模冲) 的相关模块进行开发研究。 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 第二章阴模、芯棒、模冲基本设计原理 2 1 粉末冶金零件的生产过程及其特点 2 1 1 生产过程 粉末冶金是采用成形和烧结等工序将金属粉末或金属与非金属粉末的混合物，制成 金属制品的工艺技术。由于粉末冶金的生产工艺与陶瓷的生产工艺在形式上类似，此工 艺方法又被称为金属陶瓷法。粉末冶金是一门古老的冶金技术，现代粉末冶金工业，除 了通常所讲的生产铁粉、铜粉等金属粉末和生产铁基、铜基粉末冶金制品等的产业外， 广义上讲，还应包括粉末冶金技术制造的所有产品门类的产业，诸如难熔金属制品、硬 质合金、金刚石金属制品等产业。 粉末冶金工艺的基本工序如下： ( 1 ) 原料粉末的制取和准备。粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金 属与非金属的化合物以及其它各种化合物等； ( 2 ) 将金属粉末及各种添加剂均匀混合后制成所需形状的坯块； ( 3 ) 将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使制品具有最终的物理、 化学和力学性能： ( 4 ) 当仅采用压制烧结方法达不到零件的精度要求时，就需要增加精整工艺， 以达到零件设计精度要求。 此外，近年来一些特殊的粉末冶金方法( 如等静压法、热压法、粉末锻造等) 用途 越来越广泛。尽管粉末冶金的材料千差万别，但其生产过程基本相同。【l 】 2 1 2 粉末冶金零件特点 ( 1 ) 粉末冶金机械结构机械零件 在粉末冶金制品中，机械结构零件是所占比例最大的类产品。其中大部分是铁基 零件，除此之外，铜基、黄铜基、青铜基以及铝基粉末冶金零件的生产量也很大。一般 来说，这类粉末冶金制品，其性能不一定有锻件或棒料切削加工的同类零件好，可是， 它们能完全满足零件使用条件的要求，粉末冶金零件的尺寸精度比锻件高。在许多场合， 广西大学硕士学位论文 基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 使用粉末冶金零件的主要理由是节能、省材、质优、价廉、生产效率高，也就是社会效 益和经济效益好。可是，近几年来出现了一些新技术，利用粉末冶金的些新技术( 诸 如粉末锻造、温压等) 制造的机械零件，其机械性能甚至优于传统的工艺制造的零件。 如美国福特汽车公司的发动机中大量使用了粉末锻造连杆。 ( 2 ) 难熔或高熔点金属材料 难熔和高熔点金属，用一般的熔铸法无法或很难生产，并且它们在铸态往往很脆。 目前这类材料主要是用粉末冶金法生产。当烧结的压坯的相对密度不高于9 0 时，在 适当温度下，可进行机械变形，并逐渐形成择优取向的纤维结构，从而成为完全致密材 料，甚至在室温下都具有一定的延展性。 ( 3 ) 复合材料 这是一类由两种或几种甚至在液态下都相互不溶解的金属，或金属与非金属( 如氧 化物) 和其他难熔材料的混合物组成的材料，这类材料也可以采用粉末冶金方法制备。 这类材料主要有：电触头材料、硬质合金、磨擦材料、金刚石切割工具等。另外还有多 孔性材料、特种高性能合金等也是只能用粉末冶金的方法制造机械零件。f i 】 2 2 粉末冶金精整工艺模具设计 精整是指在常温下，为了获得所要求的粉末冶金制品的尺寸精度及表面光洁度，对 烧结件进行再压制，使烧结件表面产生塑性变形，以校正其尺寸及变形的过程，所用的 模具被称为精整模具。 粉末冶金精整工艺模具设计的一般步骤为：【1 】【1 7 】 1 、选定精整方式及精整模具尺寸，根据精整余量确定烧结件尺寸。 2 、根据所选定的烧结材料和制造工艺的烧结收缩量，确定压坯尺寸。 3 、根据压坯尺寸确定成形模具尺寸。 2 2 1 精整方式分类 根据粉末冶金制品精度要求，确定是否需要精整；针对不同的压坯形状、尺寸精度 和表面粗糙度，选择采用具体的精整方式。 粉末冶金机械零件有各种各样的形状，最基本的压坯形状有五种类型，其他形状都 是这些形状的基本组合或者是形式的演变。在对粉末冶金精整模具进行设计前选择合适 广西大学硕士学位论文 基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 的压坯形状至关重要，本系统将压坯分为五种类型，如表2 1 所示。在这五种类型中 都是有孔的压坯，无孑l 压坯可视作孑l 径为零。 表2 1 压坯类型 c h a r t 2 - lt h e 帅e so f p r e s s e dc o m p a c t 1 ，无台阶一 i 豳审l 2 、一个下台阶一 团冒团盈l 3 ，一个上台阶和一个下台阶一 l 伢i ， 4 、两个下台阶一 隐岈铫谢 5 ，两个下台阶和一个上台阶一 蛐嘲 本文把机动精整模具的精整方式分为以下四种基本类型( 见表2 2 ) ： i 类是指外箍内精整方式。烧结件外径比精整阴模内径大，烧结件内径比精整芯棒 大，将烧结件装在模具内，用上、下模冲加压，使烧结件与模具密切接触。这种方法模 具承受的压力小，对模具有利，但需要吨位大的压机。 i i 类是指内胀外精整方式。烧结件外径比精整阴模内径小，烧结件内径比精整芯 棒小，将烧结件先装在模具内，然后芯棒通过烧结件内孔。这种方法适用于内径精度高、 外径要求低的情况。 i i i 类是指外箍内胀精整方式。烧结件外径比精整阴模内径大，但烧结件内径比精 整芯棒小。这种方法适用于烧结密度比较小，使用的压机吨位比较小，以提高烧结件尺 寸精度与减小表面粗糙度为目的的场合。 i v 类是指全精整精整方式。烧结件内、外径和高度均留有精整余量。 要盔兰堡主堂堡兰塞茔王! ! 塑塑查塑垒堡墨! ! ! 墨竺塑鳖三苎鳖堡塑里壅兰墅垄 表2 2 精整方式分类 c h a n 2 - 2t h et y p e so f s i z i n g 娄古义简圈 通用条件 外 挠培件外径留耩整余盈，内径基本 辱鹊 倒晶的内，外径尺寸精度要求i t b 擅 元精整余量内径表面挤压悬靠外径 酵稳 9 擐。压坯d 坩 1 5 壁厚r 内 精整时向内箍来变现3 m m 内 烧结件内径留精整余孟。外径基奉 煎 翻品的带外台阶，内、外径精度要 脏 无精整余量外径寝面挤压是靠内径 求r r 7 8 敏d d 1 5 壁厚t 外 精整时向外胀来实现 5 击击 外 酵想 倒晶的内、井径尺寸精度要求r r 7 扭 内 烧结件内、外径均留精益余叠i t 8 敏压坯d d l ，5 壁厚伦 胀 3 n n l l豸 封晶酌高度较小内、补轻尺寸精 烧结件内、外径和高度均留精整余 必 l | 丝 度要求r r 6 n 7 投 量商度直下率较小( 2 8 ) 鞋 女 提高精度为主要目的，密度的增高小 i 于5 ， 2 2 2 精整余量设计 ( 一) 精整余量设计 ( 1 ) 精整余量和回弹量 精整余量就是为了使烧结件达到更高的尺寸精度和表面光洁度，在考虑精整模尺寸 时，要在径向或轴向尺寸上留出适当的加工余量，以便在精整过程中迫使压坯产生少量 的塑性变形，消除烧结过程中引起的变形，提高表面质量。而精整回弹量则是指当烧结 件在模具中精整后，待烧结件从模具中脱出后，内应力得以释放，这时烧结件在各尺寸 方向上产生胀大。精整方式不同，则精整余量的分配和回弹量的大小也不相同。 ( 2 ) 回弹量的影响因素 l 、精整余量大，则回弹量增大； 9 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 2 、烧结件的硬度高，塑性差，则回弹量大； 3 、烧结件密度高，则回弹量大； 4 、精整模刚性差，则回弹量大；， 5 、全精整时，适当的压下率，则因塑性变形大而回弹量减小：过大的压下率，则 使回弹量增大； 6 、单精整某个面( 内径或外径) ，因塑性变形小，弹性变形大，因而回弹量增大。 ( 3 ) 精整余量的选择依据 精整的目的，主要是为了提高烧结件的尺寸精度和表面光洁度，其次是适当增加烧 结件的密度和表面硬度。过小的精整余量，方面工艺上较难控制，另一方面不能很好 地达到精整的目的。过大的精整余量造成模具磨损加剧；烧结件表面过硬，不利于跑合； 对减摩类烧结件表面孔隙密封，使润滑不利；甚至产生表面裂纹。因此，在工艺上能控 制的范围内，并保证烧结件精度和表面光洁度的情况下，尽可能减小精整余量为宜。特 殊情况下，为了增加烧结件的表面光洁度，提高耐磨性，或为了电镀和防腐而需要封闭 孔隙例外。 2 2 3 精整模主要零件结构设计 综合有关资料【l 【1 7 2 0 j ，本文中主要零件结构形式如下： ( 一) 精整阴模的典型结构形式 粉末冶金成型模的精整阴模结构形式，有单层厚壁筒阴模和组合筒阴模两种。在自 动压机中，为了便于模具更换和维修，同时也为了节省贵重材料、延长模具使用寿命， 通常采用双层组合筒形式的阴模。在本粉末冶金模具c a d 系统精整模具工艺模块中，阴 模结构形式采用了组合筒阴模的结构形式，如下图2 1 所示： 图2 一l 阴模结构形式 f i g 2 1n l ed i es 劬c n 】r a if o m s o 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 ( 二) 精整芯棒的典型结构形式 表2 3 芯棒的结构形式 c h a f 乜- 3c o r er o ds t r u c t i l r a lf 0 珊s 且 上外 h k g j _ 塑彦 宣 且j 蓁縻 亨 每 上一j _ f 圆 匿 t 浏 叫圆 j 刿面 较长的芯棒分成成形芯棒和 d 中2 0 ，或硬质合金芯棒 连杆两部分，节约工具钢， 适用于内台阶面压坯的成形 便于加工、维修和调换芯棒d z d 0 】2b 寸 j ! 出。 弧 q r 川 五 肖 带锥孔的端面，内外径差小， 芯棒与模冲设计成整体形式 ( 三) 精整模冲的典型结构形式 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 表2 4 常用模冲的结构形式 c h a n 2 41 1 1 es t a i l d a r df o m so f p u n c h 啦 f 知夕 一。 历l 曰q r下f 尸 车 广。 i j 酽 j 毛 i 摭刚谚上 正山 园 d ， 凸 屯纠囝 d f d + ( 2 5 3 0 ) d l - d + ( 2 5 3 0 ) a = 5 1 5 b = 3 5 落 蘸 鬃 du 邯 e 川j 。 d 使用于压制复杂形状压坯 2 2 4 精整模具主要零件设计和尺寸计算 精整模具的主要零件是指在精整模具中，决定压坯形状、尺寸精度和表面光洁度的 模具零件。如上、下模冲、芯棒和阴模等关键零件。 不同的工艺过程，对模具零件有不同的尺寸计算方法，并要相应地选择不同的工艺 参数。为了操作安全和节约材料，同时又要保证产品的质量和工艺参数的稳定性，所以 必须保证模具足够的强度和刚度条件。f l l 伫1 1 1 2 2 】 ( 一) 径向尺寸的计算 广西大学硕士学位论文 基于u g 的粉末冶金模具c d 系统丰奇整工艺模块的研究与开发 不同类别产品的模具径向尺寸计算公式( 见表2 5 ) 。 表2 5 精整模具的径向尺寸计算公式 产品 类别 模具名称计算公式说明 精 职筷内径d ，d ；d m 一8 h 外 整 横 芯棒外径击 d r = d 一一6 箍 成 阴模内径d 。d - 一d ，( 1 + c c ) + d * 内 形 模 芯棒外径d m如一正( 1 + c t ) d 越。产品外径最小尺寸 不 通 精 阴接内径d ，d r d 。h + “ 如。产品内径最大尺寸 同 过内 整 模 芯棒井径4击；如。+ 籼 a ，中心距平均尺寸 精 式胀 整 精 外 成 阴模内径d 。 z ) m = f h ( 1 + f o ) c 烧| 古收缩串( ) 形 f 压坯压制回弹率( “) 方 整 模 芯棒外径如d m = 玉( 1 + ：一。) 一 “外径精整回弹量 式 精 阴棋内径d 。d | 一一“ 的 外 整 h 内径精整回弹量 箍 援 芯棒外径d ， 正= d 一；+ 籼 由 井径耪整余量 产 内 成 明棋内径d i 。d m = z x ( 1 + f e ) + *d 内径精整余嚣 胀 形 品 模 芯棒外径如 d m = 以( i 十f 一) 一d f 全精整回弹率 楮 腑摸肉径巩i x ；d 曲( 1 一f ) 口全精整余量率( ) 全 整 模 甚棒外径如 卉；d 册。( 1 + f ) 精 整 成 酮模内径d 。i k = d f ( 1 + c 一0 一口) 形 模 芯棒外径如d m 2 卉( 1 + 川+ 口) ( 二) 轴向尺寸的计算 精整模具的轴向尺寸往往由结构上的需要( 如脱模和连接等) 来确定 ( 1 ) 阴模的轴向尺寸的计算 h ，= h 0 + h 。 式中： h f 阴模高度( m m ) ； h o 下模冲定位高度( m m ) ： h i 阴模倒锥高度( m m ) ，一般为1 0 5 0m m 。 ( 2 ) 芯捧的轴向尺寸的计算 芯棒除了工作面长度外，还应加上根据精整方式、脱模方式和连接方式等具体结构 条件来选定的其它长度。 ( 3 ) 上、下模冲的轴向尺寸的计算 保证足够的脱模行程和具体结构需要来确定模冲的高度。 2 2 5 精整压力计算 精整工艺是将烧结后的制品在模具中进行冷压缩，通过塑性变形来提高制品的尺寸 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c d 系统精整工艺模块的研究与开发 精度并改善表观光洁度。对于低密度的轴类制品，精整压力一般为压制压力的1 3 1 2 。 但对于复杂形状的结构零件，当选择较大的精整余量时，精整压力有可能接近或超过压 制压力。 轴套类零件的精整压力，取决于其成分、金相组织、孔隙度、精整余量和精整方式。 最常见的精整方式“外箍内”，是制品外径留有精整余量，内径不留精整余量，精整时 芯棒先进入内孔，上模冲强迫制品一起通过阴模，是制品内、外径都减小，从而达到同 时精整内、外径的目的( 见图2 2 ) 。而“内胀外”则是制品外径不留精整余量，内径 留精整余量，外径表面的挤压是靠内径精整时向外膨胀来实现的( 见图2 3 ) 。 采用“外箍内”或“内胀外”精整方式时，精整压力pt 由下面三部分组成： p 整= p 。+ p 2 + p 3( 2 1 ) 式中： p 。实现轴套纯变形所需的力； p ，一克服精整区外摩擦所需的力； p 3 克服内摩擦所需的力，或为了补偿在斜面上与由于轴向材料位移有关的内部损失 所需的力。 图2 2 外箍内精整方式的受力分析图2 3 内胀外精整方式的受力分析 f i g 2 2t 量i ef o r c eu n d e rp r e s ss i z i n g f i g 2 3t l l ef b r c eu n d e re x p a i l ds i z i n g 下面分别考虑这三部分力与被精整零件、精整模具等参数的关系，以便得出精整压 力p 。的数学表达式。首先分析p - ： p l = p 女s( 2 - 2 ) 式中： p 在精整区的平均压强； 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a o 系统精整工艺模块的研究与开发 s 在精整过程中轴套横截面积的变化。 其次分析克服精整区外摩擦所需的力p ： p z = qfp 整( 2 3 ) 式中： q 一阴模精整区的工作表面积； f 一精整区的外摩擦系数。 最后分析p 3 ： p a = 0 5 8 o a s z ( 2 - 4 ) 式中： o 精整材料的塑性变形抗力，取决于精整件的材质、组织和孔隙度； o 阴模入口端的角度： s 广精整区轴套的横截面积。 将式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 代入式( 2 一1 ) ，得出精整压力的数学表达式为： p n = p l + p ；+ p j = p t ( s + q f ) + 0 5 8 o a s 2 ( 2 5 ) 式中q ：尝旦趔( 2 6 ) z c o s 口 由式( 2 5 ) 便能计算出精整压力，式中的p 整、s 、q 和s ：根据精整方式而定： 1 ) 当采用“外箍内”方式精整时芯棒先进入内孔，上模冲强迫制品一起通过阴模， 使制品内、外径都减小，从而达到同时精整内、外径的目的，在精整区的平均压强可按 下式计算： 舞i 但- 7 ) 2 s ，、口7 式中： o 在三向压缩条件下，精整材料的塑性变形抗力：t 丛：堡二垡石( 2 8 ) 驴华万9 ) 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 2 ) 当采用“内胀外”方式精整时，轴套外径基本上不留精整余量，内径留精整余 量，外径表面的挤压是靠内径精整时向外膨胀来实现的，其精整区平均压强pn 可按下 式计算： p 2 壶( 2 一l o ) 9 。2 i ：j 亚2 1 0 2 s 2 式中： o 在单向压缩条件下材料塑性变形的抗力； 通常“内胀外”精整方式的精整压力只有“外箍内”方式的l l o 。 2 2 6 阴模和模套的强度和刚度计算 为了节约钢材和保证生产安全，必须进行阴模与模套的强度和刚度计算。其原理是： 根据阴模受到的最大应力不得大于模具材料的许用应力，建立强度条件；建立刚度条件 是根据压坯受到阴模弹性变形恢复时，收缩引起的剩余侧压强，不得大于压坯允许的侧 向( 垂直与压制方向) 抗压应力。本c a d 系统精整阴模设计采用阴模和模套的组合形 式，这样既可以节约材料又可以便于模具的维修。阴模和模套采用过盈配合，阴模外侧 受压缩压强，模套内侧受外胀压强。在加工过程中，若强度不足，阴模或模套就会破裂： 若刚度不足，卸载时会使压坯产生裂纹，产生废品。但是，阴模和模套不能过厚，防止 浪费材料和制造的困难。 用到的主要计算公式如下： m k t 十端 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 阴模及模套尺寸的计算步骤如下： ( 1 ) 根据已知的【o 】、p 卧及u 值，先用公式( 2 1 1 ) 求出单层筒时所需的m ( 2 ) 根据m4 和式( 2 一1 2 ) 求出k l 。 1 6 广西大学项士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统糟整工艺模块的研究与开发 ( 3 ) 用式( 2 1 3 ) 重算m n 值。并确定r = m r 及r 十= m r 。 参数说明： r 一阴模外半径( i 岫) ； r 一阴模内半径( m m ) ： r + 一阴模和模套配合面处半径； m = r r ： 【o 】- 阴模材料的许用应力( m p a ) ： u 一波松比； p _ 一侧压强( m p a ) ； k l 一修正系数。【1 】 2 3 本章小结 本章主要论述了粉末冶金机械零件生产的整个工艺过程，粉末冶金零件特点。本章 着重论述粉末冶金精整模具中的阴模、芯棒和模冲的结构形式、计算过程和设计方法等。 1 7 广西大学硕士学位论文基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统精整工艺模块的研究与开发 3 1u g 简介 第三章基于u g 的二次开发方法研究 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是当今世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的 c a d c a e c a m 系统软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案，u g 软件家族使得用户 能够数字化地创建和获取三维产品定义。u g 软件被当今许多世界领先的制造商用来从 事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化的制造等各个领域。 u n i g r a p h i c s 是知识驱动自动化技术领域中地领先者。它实现了优化设计技术和基 于产品与工程的知识工程的组合，显著地提高了如汽车、航天、航空、机械、消费产品、 医疗仪器和工具等工业的生产率。 u n i g r a p h i c s 为各种规模的企业带来了显而易见地价值：更快地提交产品到市场； 使复杂产品的设计简化；减少产品成本和增加企业的竞争实力。它已成为世界上最优秀 公司广泛使用的软件系统，这些公司包括：通用汽车、通用电气、波音飞机、普惠发动 机、爱立信、飞利浦、松下、精工和柯达，今天u n i g r a p h i c s 在全球己拥有1 7 0 0 0 多个 用户。 u g 为工程设计人员提供了非常强大的应用工具，这些工具可以对产品进行设计( 包 括零件设计和装配设计) 、工程分析( 有限元分析和运动结构分析) 、绘制工程图、编制 数控加工程序等。随着版本的不断更新和功能的不断扩充，u g 更是扩展了软件的应用 范围，面向专业化和智能化发展，例如各种模具设计模块( 冷冲模和注塑模) 、板金加工 模块、管路布置等。u g 在发展过程中不断推出新版本，但是设计、绘图、加工部分仍 是u g 的核心，基本功能变化不大，仅是用户界面有一定的变化，以及有些功能的扩充。 作为一款优秀的成熟的工程应用软件，u g 已经成功地被世界上许多航空、汽车等 知名企业所广泛采用，但作为通用c a d c a e c a m 平台，在不同领域，由于许多常规性的 工作未能实现自动化，同时已有的设计经验和成功事例没有集成到通用c a d c a e c a m 系 统中，因此具体的产品设计和开发效率比较低。为弥补这些不足，u g 软件为我们提供 了面向用户的开放的u g o p e n 二次开发工具集，从而为u g 软件的本地化提供了很大的 方便。1 2 3 】 国内外有关u g 的应用研究资料表明，u g 应用包括两种类型，一是直接利用u g 广西大学硕士学位论文 基于u g 的粉末冶金模具c a d 系统槽整工艺模块的研究与开发 软件进行产品的建模、分析、制造，二是在u g 平台上进行二次开发。二次开发的内容 涉及标准零件库、行业产品特征库、复杂零件的自动化生成、零件成型与分析自动集成、 典型产品的专家系统研究等。 一个完善的c a d 系统涉及到很多的技术，需要投入大量的人力和物力，大型c a d 系 统都是由小到大，历经几十年的艰苦努力才有今天的规模。即使到了今天，这些系统仍 然是通过众多开发者的集团化分工协作方式而得到进一步的发展。显而易见，基于通用 c a d 系统的二次开发是一种投资小、见效快的开发途径。二次开发常用的方法如下：【2 4 l 参数化c a d ：主要用于标准化、系列化和通用化程度比较高的定型产品，这些产品 的结构和数学模型相对固定，只是些结构尺寸有所差异，可将基本参数采用变量代替， 从而实现参数化。它具有效率高、可靠性高的优点，但只适用于特定的设计对象： 成组式c a d ：根据产品结构和工艺的相似性，利用成组技术将零件划分成为有限数 目的零件