（材料加工工程专业论文）抽油杆锻模cad系统研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 抽油杆是机械采油中连接地面抽油机和井下抽油泵的关键动力部件，设计过程 相当繁琐。引入计算机辅助设计可以提高设计效率，增强设计质量。目前工程实践 中所使用的设计工具大都是二维图形绘制软件a u t o c a d 系统，它仅仅起到快速画 图板的作用、缺乏锻模模具整体装配的智能性评价和精确的模锻工艺描述等功能。，卜 本文介绍了在已有的参数化特征造型系统u g 上，利用其提供的二次开发工具，开发 专业化抽油杆锻模c a d 系统的方法及关键技术。 本文首先介绍了国内外抽油杆研制开发与生产概况及采用的不同锻模形式，综 述了国内外锻模c a d 系统的发展过程和现状，并指出了当前锻模c a d 系统存在的 问题和发展趋势。接着论述了抽油杆模锻工艺及模具设计的主要内容，在对抽油杆 锻模组合进行关联性分析后建立了基于并行设计流程的系统装配模型。 引入面向对象的分析方法，通过对抽油杆锻模c a d 系统( c y g c a d ) 建立具有主题 层、对象层、结构层、属性层、服务层等五个主要层次的模型，细化了c y g c a d 系统 的类层次结构与对象关系，标识了对象的属性与服务。 c y g c a d 系统采用专家系统和规则设计相结合的工艺设计方法。本文解释了专 家系统的几个功能模块和系统通信方法，对知识表示和推理进行详细设计，论述了 规则设计所用到的经验法和传统法工艺设计模型，并提出了一种最优镦锻工步数计 算算法。 本文论述了基于特征的零件造型方法，分析和分解了组成抽油杆及其锻模零件 的特征，建立了模具零件信息模型，详细论述了基于构造过程的参数化履历的机制。 最后以抽油杆的造型和在5 0 0 0 k n 平锻机上锻造直径为2 5 4 m m 的光杆锻造工艺 为例，说明了系统所能完成的功能和应用结果。 关键词： 抽油杆? 锻模设计、关联设计j 面向对奴专家系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u c k e rr o di st h ek e yp a r tw h i c hl i n k ss u c k e rm a c h i n eo nt h es u r f a c et os u c k e rp u m p i nt h ew e l lu s e di nt h ep r o c e s so ft h eo i le x t r a c t i o n f o ri t sd e s i g n i n gt r i v i a l w ec a l lg e ta b e a e rr e s u l t b yt h eu s i n go fc a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) a s a no r d i n a r yd e s i g n s o f t w a r e ，a u t o c a ds y s t e mc a no n l yb eu s e d t od r a w i n gw h i c hl a c k st h ee v a l u a t i o no f t h eb r a i n p o w e rf o rt h ew h o l ef o r g i n gm o u l d a s s e m b l ya n d t h ed e s c r i p t i o no ft h ea r t sa n d c r a f t s t h i st e x th a sp r e s e n t e ds o m em e t h o da n dk e yt e c h n i q u eo ft h ec a ds y s t e m d e v e l o p m e n to f t h es u c k e rf o r g i n gd i ea n dm o u l dw h i c hi sb a s e do nt h ep a r a m c t e r i e d f e a t u r es c u l p t i n gs y s t e m - - u n i g r a p h i c sa n di t sa t t a c h e dd e v e l o p i n gt 0 0 1 f i r s t ，i ti n t r o d u c e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no f t h es u c k e rr o dm a n u f a c t u r i n ga n dr e s e a r c h w i t h i na n do u t s i d e0 1 1 r c o u n t r y a sw e l la st h e i r a d o p t e d d i v e r s em o u l d s s h a p e ， s u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n tc o u r s ea n ds t a t u si nq u oo ft h ed i e & m o u l dc a d s y s t e m w i t h i na n do u t s i d eo u rc o u n t r y , p o i n t e do u tt h ee x i g e n ts y s t e mp r o b l e m sa n dt h e i r e v o l u t i o nt r e n d a f t e rt h a t ，i td i s c u s s e dt h em a j o rc o n t e n to ft h es u c k e rr o df o r g i n g t e c h n i c sa n dd i e & m o u l dd e s i g n ，b u i l tas y s t e ma s s e m b l ym o d e la sar e s u l to ft h er e l a t i v e a n a l y s i so f t h es u c k e rr o d d i e & m o u l dw h i c hi sb a s e do nc o n c u r r e n t d e s i g n i n g s e c o n d ，b ym a k i n gg o o d u s eo f t h eo b j e c t - o r i e n t e ds y s t e m a n a l y z i n gm e t h o d s ，i tb u i l t a s y s t e mm o d e l w h i c h h a sf i v em a j o rl e v e l ss u c ha ss u b j e c tl e v e l 、o b j e c tl e v e l 、s t r u c t u r e l e v e l 、a t t r i b u t el e v e la n ds e r v i c el e v e lf o rt h es u c k e rr o dd i e & m o u l dc a d s y s t e m ，w e n t d e e pi n t ot h es y s t e m sc l a s s h i e r a r c h ya n do b j e c t - r e l a t i o n ，a c c o u n t e df o rt h ea t t r i b u t ea n d s e r v i c eo f t h eo b j e c t t h ec y g c a ds y s t e m a d o p t e d s u c ha r t sa n d c r a f t s d e s i g n m e t h o da st h e c o m b i n a t i o no f t h ee x p e r ts y s t e ma n dt h es t a n d a r d i z a t i o nd e s i g n t h i st e x te x p l a i n e ds o m e e s f u n c t i o nm o d u l e sa n di t sc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，d e p i c t e dk n o w l e d g ee x p r e s s i o n m e a n sa n dr e a s o n i n gi nd e t a i l ，d i s s e r t a t e da na r t sa n dc r a f t s d e s i g nm o d e lw h i c hu s e di n t h es t a n d a r d i z a t i o n d e s i g n a n dc a r e da b o u tt h e e x p e r i e n c e m e t h o da n dt h et r a d i t i o n l i 华中科技大学硕士学位论文 m e t h o d ，s ob r o u g h tf o r w a r d am o s t o p t i m i z e df o r g i n gs t e p n u m b e r c o u n ta r i t h m e t i c t h i st e x td i s c u s s e da p a r ts c u l p t i n gm e t h o d b a s e do n f e a t u r e ，a n a l y z e da n ds e p a r a t e d f e a t u r eo ft h ed i e & m o u l du s e dt of o r g et h es u c k e rr o d ，s e tu pa p a r ti n f o r m a i o nm o d e l o f d i e & m o u l d ，d i s s e r t a t e dt h ep a r a m e t e r i e dr e c o r dm e c h a n i s mb a s e do nc o n s t r u c t i o np r o c e s s a tt h ee n d ，t h i sd e v e l o p e ds y s t e ms h o w e dt h es u c k e rr o d ss c u l p i n g ，g a v ear e s u l to f f o r g i n gs u c k e rr o dw h o s ed i a m e t e ri s2 5 4m i l l i m e t e rb y5 0 0 0t o n sf o r g i n gm a c h i n e ，a n d e x p l a i n e di t sf u n c t i o na n da p p l i c a t i o n k e yw o r d ：s u c k e rr o d f o r g i n gm o u l dd e s i g n r e l a t i v ed e s i g n o b j e c t o r i e n t e de x p e r ts y s t e m i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章概述了开发抽油杆锻模c a d 系统的目的和意义，详细阐述了国内外抽油杆 开发研制和生产概况，并对两类抽油杆锻模模具结构作了比较。同时综述了国内外 锻模c a d 的发展状况及发展趋势，最后介绍了作者的主要研究工作。 1 1 目的和意义 抽油杆是机械采油中连接地面抽油机和井下抽油泵的动力部件，即“三抽”( 抽 油机、抽油杆、抽油泵) 的关键部件之一，在抽油机构的所有部件中，抽油杆对整 个系统的动力与功能影响很大】。抽油杆模锻是一种利用抽油杆锻模模具和平锻机设 备对长轴类金属棒材坯料施加压力，使其产生塑性变形，从而获得一定形状、尺寸 和性能的抽油杆的先进加工方法。它具有生产率高、操作简单、便于实现机械化和 自动化的优点；同时，它还能获得理想的纤维流线，改善材料性能和提高材料利用 率：在大批量生产中，它是一种优质、高产、低消耗、低成本和经济效益好的加工 方法。目前工程实践中所使用的设计工具大都是二维图形绘制软件a u t o c a d 系统， 仅仅起到快速画图板的作用，缺乏直观的三维图形显示、锻模模具整体装配的智能 性评价和精确的模锻工艺描述等功能，随着现代化工业的高速发展和市场需求的快 速变化，已远远不能满足设计人员的需要。 开发钢制抽油杆锻模c a d - - c h o u y o u g a n c a d ( 下简称c y g c a d ) 系统是以抽 油杆模锻工艺方法( 该工艺由华中科技大学模具技术国家重点实验室开发) 为基础， 以u g l 8 为开发平台，开发出高效简洁的专业锻模c a d 系统，完全实现抽油杆类长 轴类锻件的自动化设计，同时预设下相应的接口，为后来的长轴类锻件c a m 的开发 埋下伏笔。目的在于作成商品化的专业锻模c a d 软件，填补这一领域空白，提高抽 油杆设计的质量和效率，为我国中小型石油设备生产厂家适应生产变化提供良好的 工具。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外抽油杆开发研制与生产概况 美国和原苏联对抽油杆研制开发比较早，也取得了很大进步，代表国际先进水 平，一般采用高质量的抽油杆钢材，并进行1 0 0 探伤，杆头镦锻自动化，锻模设计 合理，锻造成品率达9 7 以上，一般锻模可锻杆头1 0 0 0 0 个，原苏联斯密特厂采用 2 5 0 0 k n 的平锻机锻造中1 3 2 8 m m 抽油杆，采用整体结构的锻模，生产效率为每小 时7 0 根，美国a x e l s o n 公司年产抽油杆2 0 0 万米，全公司职工不超过3 0 人。 1 9 8 1 年之前，我国只有两家抽油杆制造厂，生产标准为a p is p e c l l b 抽油杆 及其接箍的c 级抽油杆，年产2 0 0 万米，当时存在抽油杆锻模设计不合理、锻造 废品率高等问题。从上世纪8 0 年代开始，随着我国主要油田进入中后期开发，抽油 杆的研制工作取得了令人瞩目的成就。在抽油杆锻造成形方面，华中科技大学模具 技术国家重点实验室通过实验和理论分析，充分研究了抽油杆锻造时的金属流动规 律和缺陷形成机理，找出了镦锻折叠、缺肉、裂纹的成因和成型镦锻极限，确定了 在极大镦锻比的条件下的镦锻极限和工艺参数，为新工艺和模具设计提供了依据， 开发的锻造成型新工艺和模具设计方法，使抽油杆锻造成型率由过去的7 0 提高到 9 0 以上，模具寿命提高了三倍【2 1 。该大学和东北输油管理局铁岭机械厂进行合作， 通过实验，确定了中1 6 m m 抽油杆镦锻成形的工艺参数，采用该工艺所设计的模具， 在铁岭机械厂3 1 5 t 水平分模平锻机上进行生产，使锻造合格率提高2 5 以上，锻件 质量达到g b 7 2 2 9 - - 8 7 国家抽油杆锻造产品标准1 3 】。同时，与玉门石油机械厂、内蒙 古第一机械制造厂等多家厂家进行技术合作，在国内抽油杆锻造成形工艺与技术方 面处于垄断地位。 抽油杆锻模有镶块组合模和整体模( 整体模的凸模部分仍为镶块组合) 两种结 构形式。国外许多工厂采用整体结构( 图1 1 ) 的锻模，这种结构模具总体积较镶块 小的多，且容易散热，凹模部分和凸模镶块类似于我国的5 c r n i m o 热作模具钢制作， 并在凹模镶块上两面都加工模膛，可反修4 至6 次，每修模一次大约可锻4 0 0 0 根杆， 每锻一根杆所要消耗的热作模具钢和承担的模具费，大约是镶块组合模的2 倍。但 是由于整体锻模体积小，所需锻压设备均按锻造力选择，而不同于镶块组合模按所 需装配空间选择平锻机。因此，这种形式所需的平锻机比镶块组合模所需的平锻机 小的多。以锻造巾2 5 m m 抽油杆的锻模为例，镶块组合模的安装尺寸必须5 0 0 t 或更大 华中科技大学硕士学位论文 的垂直分模平锻机( 电机功率2 8 k w ) 才能保证镶块强度，而整体模只需2 5 0 顿垂直 分模平锻机( 电动机功率1 4 k w ) 即可满足使用要求。这除了大大减少一次性的设备 投资外，还减少了生产中平锻机所需的动力消耗，并且由于设备小，每分钟的行程 i - 1 工 i 蝴 图1 1 中2 2 m m 抽油杆整体平锻模 次数多，操作方便，生产节拍加快，提高了生产率。如阿塞拜疆巴库市斯密特工厂5 台2 5 0 顿垂直分模平锻机，采用整体模生产m1 9 r a m 、巾2 2 m m 和2 5 r a m 抽油杆，年产 7 5 0 万米以上。 虽然生产超高强度大直径抽油杆以采用整体凹模为宜。但考虑到我国生产抽油 杆厂家现有的生产设备，我国工厂均采用组合式结构模( 如图1 2 ) ，这种模具由模 图1 2 2 2 r a m 抽油杆镶块组合平锻模i 华中科技大学硕士学位论文 体和镶块两部分组成，由于作为模具的工作部分镶块损坏后只需更换，不必反修模 体，因此能节省大量工具钢，便于模具加工。本次开发以开发应用组合模为主。 1 3 国内外锻模c a d 系统的发展概况 1 3 1 国外锻模c a d 系统的发展概况 国外发达工业国家从上世纪5 0 年代末就开始了模具c a d c a m 的研究工作，如 美国的通用汽车公司早在5 0 年代就将c a d c a m 技术应用到汽车覆盖件的设计和制 造上，到6 0 年代末已日趋完善，7 0 年代已经研制出了许多模具c a d c a m 的专门 系统，可用于专门的模具设计与制造。进入8 0 年代，模具c a d c a m 已广泛用于冷 冲模、挤压模、注塑模和压铸模的设计与制造方面，如日本日立公司1 9 8 2 年研制的 弯曲级进模c a d c a m 系统，采用人工与计算机相结合的批处理方式；1 9 8 5 年日本 微型模具中心与日本i b m 公司合作应用d c s d r a w 系统开发的一套冲模c a d c a m 系统，可完成从产品图输入到输出标准件清单、模具总装图、零件图及n c 数据的 全过程。 锻模c a d 最初始于美国加利福尼亚m a r t i n m a r i e t t a o f t o r r a n c e 的锻模数控加工， 到8 0 年代初期，美国、日本、西德等国家的一些公司开始使用独立的系统设计和制 造锻模。 美国空军材料实验室( t w r ) 、波特尔一哥伦布实验室和俄亥俄州立大学在这方 面做了大量工作。波特尔一哥伦布实验室于1 9 7 1 年开始研究锻模c a d c a m ，现在 研制成功飞机结构件、坦克履带等锻件锻模c a d c a m 程序、叶片类锻模c a d c a m 系统( b l d f o r g 计算机程序系统) 、铝制件锻模c a d c a m 系统、精锻模c a d 系 统、通用模具c a d c a m 系统1 o o l c h e s t 等。 7 0 年代中期，英国伯明翰大学研究成功轴对称锻模c a d 系统，8 0 年代末期， 该系统改进成为较为实用的c i r c o n 系统。该大学机械工程系在1 9 7 8 年还在b u i l d 系统的基础上建立了用于设计制造锻模的几何构型系统- - m o d c o n 系统。英国牛津 大学已经在v a x l l 一7 8 0 计算机上用f o r t r a n 语言开发出一套冷锻模 c a d c a m 系统，系统采用体素构型来描述冷锻件的几何形状，同时列出锻压机器 4 华中科技大学硕士学位论文 的详细参数，自动决定冷锻工步和每一工步工件的形状尺寸。 日本大阪钢铁厂于1 9 8 0 年开发出热模锻系统，可以用于顶镦和压力机模锻等可 以进行模锻件制坯、预成形和终锻模膛的设计、切边模和精整模设计等，并具有三 维数控加工软件，可以加工复杂形状的模膛。前西德的d e u t s c h ee d e l s t a h lw e r k e 利 用计算机来进行燃气轮机和压缩机叶片的精密模锻工艺设计。 进入9 0 年代以后，锻模c a d 系统的研究有了新的发展，大部分热点集中在应 用有限元分析方法以及人工智能技术上。 美国的俄亥俄州立大学在应用f e m 方法于锻造过程分析中取得了很好的成果。 e r c n s m 实验室设计的冷锻件及工艺c a d 系统集中了知识系统、f e m 分析系统以 及图形设计系统，工序设计系统产生的工序经工艺评价系统检验，经验证后的工序 进一步由f e m 模块进行流动模拟，并分析其合理性。 韩国在运用专家系统来解决锻模的设计方面也取得了很大的成绩。韩国高等科 技学院的j h s o n g 和y t i m 等建立了柱头螺栓成形的专家系统。该系统由专家系统、 数据库系统和c a d 系统构成，设计规则从与生产相关的专家以及设计文献中得到， 设计时先考虑各成形工序的特征和约束，决定设备的选择，再考虑其工序位和载荷 极限等因素重新设计结果。该设计系统具有下列功能：输入产品最终几何形状，材 料类型，初始毛坯半径；在数据库中搜寻已有的工序图和模具图；对初始毛坯和终了 几何形状进行比较，获得标准工序；考虑所选设备的工序位及负载极限做详细设计；输 出设计结果。 苏格兰s t r a c h e l y d e 大学设计制造和工程管理学院设计出了挤压成形的设计和分 析系统。该系统根据挤压方式、毛坯几何形状、毛坯尺寸等对工艺和锻件分类，然 后进行f e m 模拟，根据模拟结果与预先定义的缺陷类型比较，判断是否存在某种缺 陷：设计工艺时，借用相似锻件的工艺或重新设计新的工艺过程。 1 3 2 国内锻模c a d 系统的发展概况 由于我国计算机技术发展较晚，国内模具c a d c a m 研究起步相应较晚，直到 上世纪7 0 年代末才开始简单冲裁模c a d c a m 的研究工作。1 9 8 1 年原电子工业部 下达了“简单冲裁模c a d c a m ”的课题，于1 9 8 4 年通过鉴定。1 9 8 3 年原机械部将 华中科技大学硕士学位论文 “冷冲模c a d c a m ”列为国家“六五”攻关项目，于1 9 8 6 年通过鉴定。1 9 8 6 年原 工业部下达了注塑模c a d c a m 攻关项目，其中一些项目已达到国际先进水平。 自上世纪7 0 年代末8 0 年代初开始，我国有些大学和企业开始研究模具c a d 技 术。由于当时使用8 位或1 6 位微机，d o s 操作系统，仅配有a 3 图纸的绘图仪， 没有开发出成熟软件。随着计算机硬件的发展和图形技书的进步，在以后的2 0 年当 中，在模具尤其是锻模c a d 领域取得了阶段性的成果。如： 大连铁道学院材料系提出的连杆锻模c a d 系统以v i s u a lb a s i c 为开发平台，以 a u t o c a d 为图形工具的软件系统，能够自动进行冷热锻件，模锻工艺及锻模的设 计，克服了传统连杆锻模设计的缺点1 5 j 。 南昌大学采用p h a r l a p 公司的3 8 6 d o s e x t e n d e rs d k 以m e t a w a r e 公司的 h i g h c 编译器作为开发工具，利用a u t o c a d l 2 o d e a m e ( 高级造型扩展) ，解决 了锻模c a d 在微机上进行了三维造型的困难，建立了长轴类锻件锻模c a d 系统【7 1 。 重庆大学机械工程二系利用a u t o c a d l l 0 的a m e ，也解决了模锻计算机辅助设计 在微机上进行三维实体造型的困难，建立了d f c a d 系统，可方便的进行模锻工艺 和锻模设计，并获得三维和二维锻模图【8 l 。 无锡轻工大学和南方冶金学院联合开发了轴对称锻件闭式锻模c a d c a m 系统 ( c f d c a d ) 【9 】。该系统采用i d e f o 建模方法建立功能模型，采用基于统一的数据 结构，直接从c a d 中生产c a m 的加工模型，系统功能模块包括：零件信息输入模 块、锻件设计模块、工艺设计模块、锻模设计模块、n c 自动编程模块等。 马钢股份公司设计研究院开发了火车轮热模锻c a d 系统f 1 0 1 。该系统利用m d t ( m e c h a n i c a ld e s k t o p ) 软件，应用a u t o l i s p 及对话框控制语言d c l ( d i a l o gc o n t r o l l a n g u a g e ) 进行二次开发，能进行火车轮的毛坯设计和锻模设计，融二维和三维于 一体。 此外，吉林工业大学己完成辊锻模和锤锻模c a d c a m 系统；西北工业大学和 西安交通大学对计算机用于平锻模对设计和锻造工艺对编订等作了大量工作：哈尔 滨工业大学研制成功直长轴类锻模c a d 系统h z d ；华中科技大学陆续对连杆锤上 模锻c a d 、轿车连杆摩擦压力机上模锻c a d 及前轴锻件参数化设计技术进行了研 6 华中科技大学硕士学位论文 究和开发。北京机电研究所开发出通用锻模c a d 系统，并在锻模c a d c a m 一体化 的实施方案及关键技术作了深入细致的研究工作。 1 3 3 锻模c a d 系统存在的问题及其发展趋势 锻模c a d 系统经过多年的研究发展，功能日趋强大，但是仍然存在不少问题， 主要表现在： ( 1 ) 对设计人员要求较高，交互操作工作量大。 ( 2 ) 设计结果的一致性难以保证，不便于设计修改。 ( 3 ) 现有c a d 软件专用性差。目前国内自主开发的c a d 软件较少，统治模具 设计市场的多为国外的c a d 软件，而多数厂家引进的国外先进软件多为通用型软件， 未经开发则专用性差。 ( 4 ) 国内的锻模c a d 系统多以a u t o c a d 为图形支持平台，不能很好的利用参 数化技术和三维造型技术。 新技术的产生和发展使锻模c a d 技术的发展更加活跃，未来锻模c a d 技术将 在以下几个方面得到发展： ( 1 ) 锻模c a d c a m c a e 的一体化。锻造工艺过程的数值模拟是近年来金属 塑性加工领域的研究热点之一。一些研究成果已经开始得到应用，并逐渐成为锻造 工艺设计的工具。锻模c a d c a m c a e 的一体化系统将成为锻造工艺师、工程师更 加有力的助手。 ( 2 ) 锻模c a d c a m 与c a e 在统一数据库下的集成。独立的锻压数据库系统 目前已经研制成功。锻压c a e 与锻模c a d c a m 在此锻压数据库下集成，使之成为 有机的整体己提上议事日程，相信在不远的将来就会实现。 ( 3 ) 逆向工程。所谓逆向工程是指通过构造特殊的模拟算法从终锻形状逆推出 前一道或前若干道工序的形状，从而找到最佳的工艺路线，实现整个工艺过程的自 动设计。这是一个艰难的研究课题，目前国内尚没有取得很突出的研究成果。 ( 4 ) 锻模的虚拟设计制造。虚拟设计制造是在计算机上施行设计制造过程的新 技术。应用这一技术可以在真实制造之前对设计制造过程进行全方位模拟，对设计 和制造工艺可行性进行全面评价。在确认可行后，再投入现实的制造过程。对锻模 华中科技大学硕士学位论文 而言，有以下几方面研究内容：锻件及锻模的可视化；锻造过程模拟：加工 过程模拟与可视化：加工误差建模及虚拟精度控制等。 ( 5 ) 锻模c a d 的专业化。一些通用的软件由于其功能繁多，专业性较差，已不 能满足大型模具c a d 的需要，更好的方法是软件公司与有关单位密切合作，开发专 用性很强的模具c a d 软件。对于国内的模具厂家和科研单位来说，在引进国外先进 c a d 软件( 如u g 、p r o e 等) 的基础上，针对本部门产品的特点，利用二次开发技 术，开发专用的模具c a d 系统，将大大提高开发效率。 ( 6 ) 锻模c a d 的参数化。参数化技术是在零件建模和装配设计时将零件的一 些特征间建立约束关系，设计过程中可对原模型的关系或设计参数进行修改，以达 到修改设计的目的。使用这种技术可以保证解的唯一性，同时还可以模拟工程师的 工作，可在设计工程中随时修改，增减模型的局部约束而不影响其他约束，并可实 现模型与尺寸标注的一体化【l ”。 1 4 作者的主要研究工作 在攻读硕士学位期间，作者阅读了大量国内外关于模具c a d 方面的资料，充分 掌握了锻模c a d 系统的国内外发展现状及基本技术。以u g 为软件平台，开发抽油 杆锻模c a d 系统，其具体内容为： 1 ) 对抽油杆锻模模具进行关联性分析，建立基于并行设计的系统装配模型； 2 ) 运用模具c a d 系统的面向对象分析方法对系统进行建模： 3 ) 利用特征设计的方法，开发为抽油杆锻模进行详细设计的系统模块； 4 ) 开发基于专家系统和规则设计的抽油杆锻模工艺设计模块。 华中科技大学硕士学位论文 2c y g c a d 系统功能分析与设计 本章分析了抽油杆模锻工艺及其模具设计的具体内容及特点，运用关联设计 的分析方法，建立基于并行设计的工作流程图，并依此具体描述了系统的总体结构、 主要功能及其之间的联系，建立了整个系统的功能模型，并简述了各模块的功能。 2 1 抽油杆锻模设计的主要内容及其特点 平锻机用锻模设计的主要内容包括：一、锻件图的制订；二、平锻工步设计； 三、平锻模膛设计；四、平锻模典型零件设计等四部分。抽油杆模锻工艺及模具设 计是平锻机用锻模设计的一种，由于它具有相对规范的工艺设计过程和趋于标准化 的模具结构设计，所以其设计主要范围较小于上述平锻机用锻模的设计内容。例如， 在制订锻件图时要确定分模位置，确定机械加工余量和锻件公差、模锻斜度和圆角半 径等。由于抽油杆锻件自身几何形状上的特点，根据分模面选在锻件最大轮廓处的 原则，其分模面的选择一般是固定的，如图2 1 所示。 a 凹模凸模 何 一 。i q 聚料工步分模面 b 成型工步分模面 图2 1 抽油杆锻模分模面位置图示 制订抽油杆模锻工艺过程的主要任务是确定镦锻工步。镦锻工步的作用是改变 毛坯的形状，合理的分配坯料，以适应锻件横截面形状的要求，使金属能较好地充 满模具模膛。每类锻件所需要的制坯工步是不同的，如热模锻压力机上模锻常用的 制坯工步有：镦粗、拔长、压挤和弯曲等，而锤上模锻常用的制坯工步为镦粗、拔 长、滚挤、卡压和成形等。抽油杆锻模一般采用多镦锻工步( 多次聚料镦锻、预锻 和终锻等) 。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 抽油杆锻模的关联设计过程分析 关联性设计以零件间的各种相关关系为基础，以零件的标准化为前提，与成组 技术、参数化设计有着密切的关系。正是因为有着较大相似性，零件的成组划分及 零件设计的模块化、标准化，才使零件之间的关联关系变得清晰和易于整理。正是 参数化技术的深入发展，使参数化零件之间可以通过零件间的尺寸( 表达式) 关系 关联起来，实现各零件一体化驱动。零件设计的模块化，使得在零件间使用产品的 公共部分成为可能，产品公共部分的自由传递促进关联性设计向更高的层次发展。 圈一盏全薹篡 图2 2 传统抽油杆设计流程图 1 0 华中科技大学硕士学位论文 抽油杆组合模这种结构形式相对来说比较复杂，镶块个数和种类很多，设计时 不但要完成系统的总体结构设计还要考虑各个子系统之间的相关性并妥善解决各子 系统之间可能的干涉。目前，多数的锻模c a d 系统是基于零件的几何图形的自下向 上的设计方式，采用一种先设计零件，再设计模具，最后组装成装配图的思路。以 传统的抽油杆设计过程( 如图2 2 ) 为例，由于一般抽油杆要经过5 至6 道甚至更多 的锻造过程，且每道都有很多种类的镶块，和模体装配在一起组成装配体时要考虑 很多的关联性，其中包括镶块之间、镶块与模体之间、模体相对位置与设备装模空 间之间的关联。装配设计时存在尺寸干涉的概率非常大，一般设计都反复修改多次 才能达到满意的效果。这种串型设计过程c a d 系统效率不高，且容易造成工程设计 人员的重复设计。如果在镶块和模体组装过程中建立装配模型，将各个零件的装配 关系记录下来，则一旦某一零件改变，与之相关联的零件和装配形式就可以根据事 先记录的约束关系自动修改。这种通过约束的传递与满足来实现镶块图与镶块图， 镶块图与装配图的一致性的思想对锻模c a d 系统的研究有很大的意义。在抽油杆模 具设计中，由于多个镶块和模体之间的嵌套性，以及各工步锻坯与镶块内腔轮廓的 匹配，存在着大量的位置和尺寸关联性。分析这些装配体中的几何关联和尺寸关联 性信息对于装配模型的建立有重要的意义。 2 2 1 几何关连设计 在计算机辅助设计系统的设计中，不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相 同，映射到几何模型中，就是几何信息不同而拓扑信息相同。在抽油杆锻模c a d 系 统的设计中正是基于这样的思路进行装配模型中各个零件之间的几何关联分析，并 根据平锻机提供的具有共同轮廓特征的装模空间设计描述模体几何特性的模体模型 ( 包括各个模体的几何关系和模体之间的拓扑关系) 。由于各个镶块是镶嵌在模体之 中进行装配的，模体在装配中起主导作用，它直接控制着各个镶块的外型尺寸和相 对位置以及它们之间的关联性。因此，采用自上而下( t o p - d o w n ) 的装配过程来进行 装配模型的设计。模体控制镶块的装配主要是通过水平方向( 即图2 3 的轴向方向) 和垂直方向( 即图2 3 的基准线方向) 来进行的。一般型腔的尺寸要远小于镶块的 外围尺寸，因此在垂直方向可以直接进行各道镶块的轴线定位和镶块垂直方向上外 华中科技大学硕士学位论文 型尺寸的设计。这些参数信息可以直接作为装配 设计的方案设计参数，控制后续的详细设计。在 水平方向上各个镶块相对位置的定位( 即拓扑信 息) 虽然可以放在主控模块内设计( 一般来说不 会改变) ，但由于各道次锻件的变形程度不同，镶 块的型腔设计也不一样，有时内腔尺寸和其它镶 块的水平外型尺寸有关联，因此不能放在主控模 块内设计。但分析模具装配图( 如图2 3 ) 可以 发现，有几条重要的基准线可以在主控模块里得 到保证，如基准线0 ( 控制夹紧模的位置) 、基准 线1 ( 凹模的放置位置) 和基准线4 ( 控制夹持器 的前死点) 在模体中的相对位置，并根据工步图 中的锻坯尺寸可以确定基准线2 ( 抽油杆锻坯成 一道凹梗 一道凸梗 、2 、，、i 、s 分别代表基准线o 、 、基准线2 、基准线3 、薹准线4 、 型部分左侧位置) 和基准线3 ( 同一聚料工位凸 图2 3 抽油杆锻模装配图图示 凹模贴合位置一根据抽油杆零件确定的弧度截止面) 之间的距离等。由于镶块外型 尺寸是在详细设计中确定的，因此模体内的镶块嵌套空间只能等镶块详细设计后由 模体与镶块在装配时作布尔运算得出。 在进行镶块型腔的详细设计时，由于各道的锻坯是在型腔里锻造成型的，因此 型腔和锻坯二者之间存在着几何关联( 即形状关联) ，型腔可以由镶块与锻坯作布尔 运算得出，再通过加上倒圆等其它附加特征即可完成详细设计。 2 2 2 尺寸关联设计 抽油杆锻模设计中的关联性不 仅体现在装配体与零件的关联性上， 在零件( 即同一工位的凸凹模镶块) 之间的详细设计中也大量存在。处理 好零件之间的尺寸关联对于抽油杆 图2 4 一道凸模与一道凹模的装配模型 1 2 华中科技大学硕士学位论文 锻模c a d 系统的设计也同样重要，在关联的尺寸中确定主控尺寸从而派生出同类零 件和其他零件的尺寸，能确保设计的一致性。由于主控模块已经确定了模体与夹持 器的相对位置，基准线1 、基准线4 ( 见图2 3 ) 在模体中的的位置在主控模块中已 确定下来，因此基准线l 到基准线4 的距离是确定的。以一道为例，如果我们把图 2 3 中的一道凹模镶块和一道凸模镶块在装配图中的相对关系提取出来( 见图2 4 ) ， 可以发现基准线之间的距离与凹模凸模的外型尺寸存在定量的关系即： 基准线1 至基准线2 距离l = l 1 + l 2 ( 1 ) ； 由此可知l i + l 2 的值是一个定值，在主控模块设计完成时已经给出，即凹模的外型 与凸模的外型存在着尺寸关联。由于抽油杆锻件的曲面轴向长度在镦锻过程中被凹 模的腔形尺寸所约束，并不随镦锻过程改变，因此在镶块的详细设计中把l 1 作为一个 主控参数，通过关联等式( 1 ) 控制凸模外型尺寸l 2 的变化( 由系统自动完成) ，实 现了零件之间的一体化设计，避免了设计过程中的尺寸干涉。其他的尺寸关联有： ( 1 ) 夹持模的轴向长度= 基准线1 的水平坐标( x ) 一基准线0 的水平坐标( x ) ： ( 2 ) 凹模模腔曲面轴向长度l = 基准线3 的水平坐标( x ) 一基准线2 的水平坐标 ( x ) ；如图2 6 所示 ( 3 ) 图2 7 中l - - - - - 基准线5 的水平坐标( x ) 一基准线4 的水平坐标( x ) i 图2 5 夹紧模 图2 6 聚料凹模 2 2 3 抽油杆模锻设计的并行工作流程 面向产品的全生命周期的设计是一种在设计阶段就预见到产品的整个生命周期 的设计，具备高度预见性和预防性，这种使产品设计具备高度预见性和预防性的技 华中科技大学硕士学位论文 l 图2 7 聚料凸模 术就称作“并行设计”或“并行工程”。并行工程实质就是集成地、并行地设计产品 及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种方法要求产品开发人员与其他人 员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废 处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。 并行工程具有如下特点： 1 强调团队工作( t e a mw o r k ) ，团队精神和工作方式 一个人不可能同时精通产品从设计到售后服务各个方面的知识，也不可能掌握 各个方面的最新情报。因此，为了设计出便于加工、装配、维修、回收和使用的产 品，就必须将产品寿命循环各个方面的专家，甚至包括潜在的用户集中起来，形成 专门的工作小组，大家共同工作。从功能的角度如图2 8 所示。 2 强调设计过程的并行性 并行性有两方面的含义：其一是在设计过程中通过专家把关同时考虑产品寿命 循环的各个方面：其二是在设计阶段就可同时进行工艺( 包括加工工艺、装配工艺 和检验工艺) 过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，直至用快速原型法 产生出产品的样件。这种方式与传统的设计在设计部门进行，工艺在工艺部门进行 已大不相同。 3 强调设计过程的系统性 设计、制造、管理等过程不再是一个个相互独立的单元，而要将它们纳入一个 整体的系统来考虑，设计过程不仅出图纸和其它设计资料，还要进行质量控制、成 本核算，也要产生进度计划等。并行设计环境中，由于同设计阶段需要同时进行， 每个阶段生成的数据，在没有完成设计之前是不完整的，数据模型和数据共享的管 理成为并行设计的关键技术之一。所以支持并行设计必须有一个产品设计主模型， 华中科技大学硕士学位论文 并能将产品设计数据定义成多个对象。这些对象的组合可以构成面向不同应用领域 对象，各个设计过程在同一个设计主模型上操作，保证数据模型的一致性和安全性。 4 强调设计过程的快速反馈 并行工程强调对设计结果及时进行审查，并及时反馈给设计人员。这样可以大 大缩短设计时间，还可以保证将错误消灭在“萌芽”状态。一般情况下，采用逐级 反馈的方式，这样对于过程的管理和产品数据的组织都比较简单。需要时也可以采 用越级反馈的方式。越级反馈主要用于过程之间的信息反馈，而产品数据的更新采 用逐级更改的方式。在并行设计中，对于不完备的产品模型，通过彼此的并行交叉 实施，及时地反馈与评价，完成设计一评价一再设计的小循环。 并行工程强调工作小组成员的协调工作和一体化，并行地进行产品及其相关过 程的设计，尤其是早期装配设计阶段的并行与协调。这就要求产品装配设计时应为 后续许多详细设计提供足够的产品装配信息，以便进行可装配性评价和装配工艺规 划。装配模型是支持产品从概念设计到零件设计，并完整、正确地传递不同装配设 计参数和装配信息的产品模型，因此产品装配模型是产品设计过程集成和并行的关 键和基础。从前面的分析我们知道进行主装配模型设计的主控模块要用到各工步锻 坯的某些尺寸，如基准线2 和基准线3 之间的距离、基准线0 和基准线1 之间的距 产品用户销售人员 图2 8 产品设计中的团队合作简图 离( 结合镦锻力确定的夹持模轴向的长度) 等，因此工步设计要放在前面。综合考 虑我国抽油杆生产厂家现通用的平锻机的装模空间和各种型号抽油杆的中间工步锻 华中科技大学硕士学位论文 图2 9c y g c a d 系统整体工作流程图 坯尺寸，进行模体设计( 不包括镶块的嵌套空间设计) 与抽油杆中间锻坯设计两者 之间没有强烈的尺寸关联干涉，因此可以进行并行的设计。由于各镶块间的尺寸关 联主要体现在同一道次的凹模和凸模之间，不同道次间的各个镶块尺寸关联性很小， 可以不予考虑，因此不同道次间的镶块详细设计可以并行实现。综合前面的分析得 出抽油杆锻模c a d 系统的系统整体工作流程图( 如图2 9 所示) 2 3 c y g c a d 系统装配模型 2 3 1 装配模型的定义和结构 产品装配模型是一个支持产品从概念设计到零件设计，并能完整、正确地传递 不同装配体设计参数、装配层次和装配信息的产品模型。它是产品设计过程中数据 管理的核心，是产品开发和支持设计灵活变动的强有力工具。 建立产品装配模型的目的在于建立完整的产品装配信息表达，一方面使系统对 1 6 华中科技大学硕士学位论文 产品设计能进行全面支持：另一方面它可以为新型c a d 系统中的装配自动化和装配 工艺规划提供信息源，并对设计进行分析和评价。产品装配模型具有以下特征： 能完整地表达产品装配信息。产品装配模型不仅描述了零、部件本身的信息