（材料加工工程专业论文）网络环境基于特征参数化模具cadcam研究.pdf

网络环境基于特征参数化模具e a d c a m 研究 摘要 本论文主要讨论在网络环境下如何利用网络资源进行c a d c a m 设计，通过 i n t e m e t ( 国际互联网) 或i n t r a n e t ( 企业内部网) 共享c a d c 舢“设计数据。全文以 辊锻件各道次毛坯件三维造型及其对应的模具型腔设计为例，阐述如何采用特征参数 化的技术在i n t e m e t 和i n t r a n e t 环境下，实现关键截面二维c a d 设计，然后利用二维 的关键截面特征信息，在三维设计软件s o l i d w o r k s 中采用纵向轮廓引导线约束的方 法，对二维关键截面进行放样扫描，构造出各道次三维实体模型。为了造型出各道次 模具型槽，针对辊锻成型属于回转压缩局部成形的特点论文提出采用虚拟中闯过 渡体作为模型信息载体进行辊锻模具型槽设计的新方法，中间过渡体技术实现锻件毛 坯三维信息向其模具传递，虚拟中间过渡体继承辊锻件毛坯的三维参数，同时又被附 着了辊锻模设计中的各种数据，如前滑后滑数据等，利用布尔运算的方法，在辊轮基 体上生成辊锻模具的三维型槽。 在c a m 方面，先对上述c a d 中生成的辊锻摸具的三维型槽进行实体合法性检 查，确认为有效的实体后再展开c a m 过程。c a m 过程中重要的一步是选择各种c a m 参数，为了避免查阅大量的手册，设计了基于b s 和c s 两种模式下的c a m 参数查 询系统，在系统中实现了相关参数的内部关联，极大地方便了c a m 参数设定。针对 辊锻模具型槽的曲面特点，经过反复模拟，确定采用四轴旋转法加工模具型腔，根据 仿真模拟结果对加工参数进行优化，并得到了加工刀路文件( n c i ) 和基于f a n u c 数控系统的专用文件( n c ) 。 通过上述辊锻件设计、辊锻模设计、模具加工计算机模拟，研究了目前制造业先 进的产品设计、模具设计和模具制造一体化新恩想。 关键词：基于特征参数化建模虚拟中间过渡体c a d ，c a m 辊锻模 模具加工计算机仿真 r e s e a r c ho nf e a t u r e b a s e dp a r a m e t e r - d r i v e nm o l d c a d c a mu n d e rn e t w o r ke n v i r o n m e n t a b s t r a c t t h i sp a d e rs e tf o c u so nh o wt ou s en e t w o r kr e s o u r c ef o rc a d c a mu n d e rw e b e n v i r o n m e n ta n dh o wt os h a r et h ed a t ao fc a d c a m t h r o u g hi n t e r a c t & i n t r a n e t i tt o o k t h e3 dd e s i g no f r o l l f o r g i n gm o l da n dt h e3 dd e s i g no fi t sr o u g h c a s t sf o re x a m p l et o i l l u s t r a t ef e a t u r e - b a s e dp a r a m e t e r - d r i v e nc a d c a mu n d e ri n t e r a c t i n t r a n e te n v i r o n m e n t f i r s t l y , d e s i g n e dt h e2 dk e ys e c t i o nb a s e d o i lh a t e r n e to r i n t r a n e t s e c o n d l y ，s w e p tt h ek e y s e c t i o nr e s 仃m n e db yl e n g t h w a y sc o n t o u rt oc o n s t r u c tt h er o u g h c a s t t h i r d l y , i no r d e rt o g a i nt h em o l do fr o u g h c a s t s ，c o n s i d e ro ft h es p e c i a ld e f o r m a t i o no fr o l l f o r g i n g ，w e i n t r o d u c e dan e w o b j e c tn a m e d v i r t u a lm i d d l e d u m m y t h e v i r t u a lm i d d l ed u m m yt o o k 血e 2 di n f o r m a t i o nt ot h e3 - dm o l d v i r t u a lm i d d l ed u m m yi n h e r i t e dt h e3 d p a r a m e t e r sf r o m r o l l - f o r g i n gr o u g h c a s t , a n da tt h eo t h e rh a n di tw a g a t t a c h e dt h ep a r a m e t e r so f r o l l f o r g i n g m o l d ，s u c ha st h ep a r a m e t e r so f f o r w a r ds l i d ea n dt h eb a c k w a r ds l i d e f i n a l l y , u s e db o o l e a n m e t h o dt ob u i l dt h e r o l l f o r g i n gm o l d o nm o l db a s e a sf o rc a m ，f i r s t l y , v e r i f i e da b o v e - m e n t i o n e d r o l l - f o r g i n g m o l d s o l i d ，b e c a u s eas o l i d w i t hf l a wc a n tb et o o ki n t oc a m p r o c e s s i nc a mp r o c e s s ，i t sai m p o r t a n ts t e pt oc h o o s e m a c h i n i n gp a r a m e t e r s t oa v o i dl o o k i n gt h e mu pi nm a n yh a n d b o o k s ，ac a m p a r a m e t e r s q u e r ys y s t e m b a s e do nb i s & c sw a sd e s i g n e d i nt h i ss y s t e md i f f e r e n tp a r a m e t e r sw e r e r e l a t e di no r d e rt o s i m p l i f yc a md e s i g nw o r k f i n a l l y , t h r o u g hc a r e f u l l ya n a l y z i n gt h e i n n e rs u r f a c eo f r o l l - f o r g i n gm o l dw et o o kt h e4a x e sr e v o l v i n gm a c h i n i n gm e t h o dt o s i m u l a t et h ep r o c e s so fm o l d m a c h i n i n g ，a r t do p t i m i z e d t h em a c h i n i n g p a r a m e t e r s ，g o tt h e n c if i l ea n df a n u c s y s t e m n cf i l e f r o m d e s i g n o f3 d m l l - f o r g n gr o u g h c a s t s ，d e s i g n o fr o l l - f o r g i n gm o l da n d m a n u f a c t u r es i m u l a t i n go fm o l d ，a u t h o rt r i e dt oi l l u s t r a t et h ew h o l e p r o c e s so fd e s i g na n d m a n u f a c t u r ea i d e dw i t hc o m p u t e r t h i si st h em a i nr o u t et h a tm o d e mf a c t o r i e sr e c e n t l y t a k e k e y w o r d s ：f e a t u r e b a s e d p a r a m e t e r - d r i v e nm o l d i n g ，v i r t u a lm i d d l ed u m m y , c a d c a m ，r o l lf o r g i n gm o l d ，m a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i n go f m o l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些盔堂或其他教百机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：a 国渗签字日期：呷年彳月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日b 王些鑫堂有关保留、使用学位论文的规定。有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 罂兰些本堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 签字日期：鸽月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢夕州 签字日期：p _ 年参月j 日 电话： 邮编： 致谢 在我的导师王雷刚教授的悉心指导下，课题研究工作得以顺利开展并取得 阶段性成果，在此首先向我的导师致以深深的谢意。本论文写作过程中导师提 出了很多宝贵的建议和修改意见，对初稿进行了详细的审阅，所以本论文最后 定稿成文凝聚着导师的心血。在研究生学习期间导师的言传身教使我不仅学到 了书本的知识，更学会了为人的道理。导师严谨的治学态度和精益求精的科研 精神不仅是我学习的榜样，也是我今后人生道路上的楷模。 刘全坤教授也给予了我大量的帮助和启迪。刘全坤教授严谨的工作态度、 丰富的学识和非凡的敬业精神时时激励着我，使我受益匪浅。 特别感谢薛克敏教授、曹诗倬教授、洪深泽教授、董定福副教授等在学业 和生活上的指导和帮助。 在本课题的完成过程中，还得到了合肥汽车锻件有限公司各级领导的关心 和支持，在此表示衷心的感谢。 感谢李燕、李冬生、杨颖、金云光、王荣辉和胡龙飞等对我的关心和帮助。 作者的每一次进步，每一点成绩，无不凝聚着父母和家人的心血 在此还要特别 感谢妻子对我的鼓励、支持和无私的奉献。 王成勇 2 0 0 4 年5 月2 0 日 第一章绪论 1 9 9 8 年，c a d c a m 技术被美国国家工程科学院评为当时的十大最杰出的 工程技术成就之一，这一技术将计算机技术引入工程设计和制造领域，从而 把传统的产品制造业推向高新技术行列，时至今日，c a d c a m 系统的应用日 益广泛，从简单的垫片到航空母舰的设计制造，几乎遍及所有的工业部门，它 已成为人类改造自然的强有力工具。在发达国家，c a d c a m 技术已进入普及 阶段，商品化软件也趋于成熟，应用普遍，因而使产品的设计制造和组织生产 的传统模式产生了深刻的变革，它改变了工程技术人员的工作方式，缩短了产 品研制周期，显著改善了产品质量，提高了开发新产品的成功率。 进入二十一世纪，人类进入了以网络技术为代表的信息时代，c a d c a m 系统除了要在使用方便性、柔性、集成性，以及降低成本等几方面继续发展外， 还应借助网络优势实现以网络信息的传送方式替代企业间和企业内生产信息的 口头、文档、图纸和照片传送方式，提高生产信息特别是产品设计数据、工件 数控加工程序、测量数据、工艺规划等传送的及时性和可靠性【2 ，使设计信息 和制造信息能够实时远距离传送，从而实现各协作技术部门间( 本地的或远程 的) 共享设计参数，实现异地协同研究、开发和异地设计，甚至通过网络形成 异构d n c 的远程联网，实现异地制造或远程制造模拟1 3 1 。 1 1 网络环境下基于特征参数化c a d c a m 发展概况 1 1 1 基于特征参数化c a d 技术 2 0 世纪8 0 年代初，集c a d c a m 于一体的实体造型技术问世，这标志着 c a d 发展史上的一次技术革命。伴随着实体造型技术的逐渐普及，进入20 世 纪8 0 年代中期，参数化实体造型方法成为造型更新颖、更好的算法，该造型 方法具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动数据修改等特征【4 】。 然而，参数化实体造型方法中的全尺寸约束干扰和限制着设计者的创造力和想 象力的发挥。于是，以参数化技术为蓝本，变量化技术这一更大胆的设想出现 了。变量化使设计者在欠约束条件下仍能将设计进行下去，它保持了参数化技 术的原有优点，同时克服了它的不足之处。变量化系统的指导思想是【5 】：设计 者可以采用先形状后尺寸的设计方式，允许采用不完全尺寸约束，只给出必要 的设计条件，这种情况下仍能保证设计的正确性及有效性，因为系统分担了很 繁杂的工作。造型过程是一个类似于工程师在脑海里思考设计方案的过程，满 足设计要求的几何形状是第一位的，尺寸细节后来才逐步精确完善。变量化造 型系统的成功应用为c a d 技术的发展提供了更大的空间和机遇。 归纳起来，三维c a d 技术发展到现在大致经历了四次重大的飞跃【6 1 ，每 次飞跃都体现出全新的c a d 思想。 第一次是以曲面造型系统为代表，6 0 年代出现的三维c a d 系统只能以简 单线框表达零件的基本几何信息，无法表达几何数据间的三维拓扑关系，由于 缺乏形体表面信息，所以c a e c a m 无法实现。7 0 年代随着自由曲面技术在计 算机中的应用，出现了可完整描述产品表面信息曲面造型系统。 第二次是以实体造型技术为代表，由于曲面造型难以表达实体信息，如质 量、重心、转动惯量等，使后续的c a e c a m 无法获取足够的数据，实体造型 技术可精确表达产品实体属性，使得c a d ，c a e c a m 可以建立在统一的数据表 示基础上，随着硬件技术的提高和价格的降低，以实体造型为特征的c a d 系 统在行业内迅速得到推广。 第三次是以基于特征的参数化技术为代表，它的主要特点是：基于特征、 全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动的设计修改。使得设计数据的继承和反馈、 产品系列化和后期改型更容易。 第四次是以变量化技术为特征，它保留了参数化的优点，改进了其不足， 但这一技术本身现在正处于发展期。 综上所述，c a d 技术是逐渐从几何建模向特征建模发展，从参数化向变量 化发展，这就是目前呈现出来的c a d 的发展趋势，第三代基于特征的参数化 三维c a d 技术在目前是比较成熟的，从理论上说，采用这一技术可以设计任 意复杂的三维产品。所以本课题本着从实际需要出发，采用第三代较成熟c a d 技术来实现辊锻模具设计。但是生产实际中如何快速准确地设计出满意的产品， 进而依据产品的三维c a d 数据生成其模具，根据模具三维数据迸一步进行 c a m 设计，最后对模具进行网络环境下的虚拟加工模拟，确实是一个值得认真 研究的课题。 1 1 2 网络环境下的c a d c a m 伴随计算机网络技术的不断发展，基于网络的c a d c a m 集成系统是技术 发展的必然趋势【7 】。应用w e b 技术构建一个基于分布式操作、图形化用户接口 及数据库管理为一体的网络有利于充分利用企业已有的硬件，为设计部门之间 的数据及资源共享提供快速通道，并通过i n t e r n e t 实现与外界的信息交流。另 外，c a d c a m 集成技术是国际上的研究热点之一，c a d c a m 集成系统的开 发与应用已成为衡量一个国家的科技现代化和工业现代化的主要标志之一。加 速c a d c a m 集成化建设是传统制造业改革和发展的必由之路，因此，基于网 络的c a d c a m 集成技术的研究具有深远的现实意义。 网络环境下的c a d c a m ，注重体现面向用户的思想，以i n t e r n e t 技术为 基础，在全球范围内动态地建立起产品研制、生产。通过c s 模式或b s 模式 2 向远程终端设计人员或产品最终用户提供产品部分或全部设计参数的可视化定 制界面，基于w e b 的客户化分布式网络设计制造模式具有以下主要特征【8 】： ( 1 ) 客户化分布式网络设计制造模式充分体现面向用户的思想，主要表 现在面向客户的设计、定制、监督、更改、维护与维修。 ( 2 ) 分布性客户化分布式网络设计制造的分布性特征表现在参与设计或 定制的企业或个人在地理位置上可以处于不同的国家和地区。 ( 3 ) 网络化利用以因特网为标志的信息高速公路，将分布在不同地理位 置的制造资源连接成一个有机的整体，实现信息交流和资源共享，通过网络收 集产品的设计信息，再通过网络发送设计完成的产品三维数字模型到制造部门 作为c a m 的数据来源。 ( 4 ) 动态性构成客户化分布式网络制造的参与者不同于传统企业那样一 成不变，而是随着市场变化而变化的。 ( 5 ) 集成性在i n t e r n e t i n t r a n e t 和分布式数据库管理系统【9j 的支持下，将 分布式网络制造系统在功能、信息和生产制造过程实现有效的集成。另外，基 于w e b 的客户化分布式网络制造模式以w e b 技术为基础，采用b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 或c s ( c l i e n t s e r v e r ) 的体系结构。 综上所述，可得到网络环境下c a d c a m 体系结构图，如图1 1 。 客户靖中噼停曩务墨 _ _ 一 麓摄牟( 瑚 客 户 n s 曩务器 量控( t t c ) 墙 = 。 t a n 口 【 a 式中咬入时坯料与锻辊间摩擦系数： a 咬入角； k 咬入时的摩擦角，也成为极限咬入角。 2 4 延伸变形的影响因素 ( 1 ) 相对位移面积的影响：即辊锻时原始坯料截面被压下的金属面积与原始 坯料截面积之比； ( 2 ) 锻辊直径的影响：辊锻变形过程中锻辊直径随时问变化必然导致延伸系 数的变化； f 3 、工具和坯料截面形状的影响：选择圆截面或方截面坯料时展宽不同，延 伸系数也就不同； ( 4 1 接触摩擦条件的影响：模具表面粗糙度不同，其延伸系数有明显不同： ( 5 ) 变形温度的影响：升温会增加延伸系数。 2 5 前滑的计算 l o ( 1 ) 前滑和后滑 坯料在辊锻过程中，高度方向上受压，纵向获得延伸，横向产生宽展。在 纵向延伸时，实际上金属是向着变形区的入口和出口两个方向流动的。其间必 存在一个分界面，通常成为中性面它与两辊中心连线所夹的角称为中性角，它 并不位于变形区中间，而是向出口一侧偏移。在中性面前面的区域叫前滑区， 在此区域内金属质点相对于锻辊向前滑动，因此金属的出口速度将大于锻辊线 速度，此现象称为前滑：在中性面后面的区域叫后滑区，在此区域内金属质点 相对于锻辊向后滑动，因此坯料入口速度将小于锻辊水平运动速度，此现象称 为后滑。 前滑值一般以下式表示 s ：兰二生 v 0 式中卜金属的前滑值，以百分数表示； v 卜锻辊圆周的线速度： v 坯料在前滑区的速度。 ( 2 ) 前滑计算 前滑的大小与辊锻过程诸多因素有关，直到目前为止，尚无一个十分准确 的前滑公式能够计算出满意的前滑值，因此往往需要经过试验修正。芬克前滑 公式适用于简单变形时的前滑计算： s ：( 尝一扣 挥t上 式中r 锻辊半径； 矗，坯料在变形区出口端的高度； y 中性角。 ( 3 ) 影响前滑的因素 2 6 展宽的计算 影响前滑 的因素 变形程度 摩擦系数 工具及坯料形状 坯料温度 锻辊直径 正确计算宽展对于保证锻件在宽度方向上轮廓形状的几何精度具有重要意 义。但是坯料在锻辊型槽中的变形是复杂的，为了简化其变形计算，大都采用 在平辊上辊锻矩形坯料的方法来计算其在型槽中的变形，这就是所谓的相应矩 形法计算展宽。相应矩形是指将具有截面积f ，轴长比为b h 的简单截面转化 成矩形截面来计算，此矩形截面积和该坯料截面积相等，其轴长比也和该坯料 截面的轴长比相等。平辊上辊锻矩形坯料的展宽计算方法常用塔尔诺夫斯基宽 展计算图表法。 影响展宽的因素主要有： 2 7 特征参数化技术及其应用 影响展宽 主要因素 压下量 坯料宽度 摩擦系数 辊锻道次 传统的基于实体造型的c a d 系统仅仅是几何形状的描述，缺乏对产品零 件信息的完整描述，与制造所需信息彼此是分离的【l 引，从而导致c a d c a m 系 统集成的困难。将特征概念引入c a d c a m ，出现了产品特征模型。基于特征 的建模是c a d 建模的一个新的里程碑，它是c a d c a m 技术的发展和应用到 达一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化及自动化程度的历史进程中逐 步发展起来的。基于特征的建模着眼于更好地表达产品的完整技术和管理信息， 为建立产品集成信息模型服务，它使产品设计在更高层次上进行，设计人员的 操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，直接体现了设计意 图，使建立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容 易修改，有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工检验各部门之间的联系， 更好地将产品设计意图贯彻到下游环节，并及时得到意见反馈。因此特征建模 是解决产品模型建立的可靠途径i l “。 特征技术的研究工作，主要可以概括为七个方面：特征的定义与分类、特 征识别、特征建模、特征表达、特征检验、特征映射和特征数据库。特征的定 义和分类的研究是特征技术研究的基础。 参数化技术是特征建模技术的深化，它不仅能够用设计参数驱动单个特征 的修改和重建，同时还可以在多个互相关联约束的平行特征间及父子层级特征 间进行尺寸协调，对多元约束进行求解。基于特征参数化的三维设计软件中的 尺寸可以分为两类，即驱动尺寸和从动尺寸。驱动尺寸可以在设计的任何阶段 进行修改，软件用修改后的尺寸进行重新计算求解。当然，由于任何已建立的 特征都是处于多种约束下，修改驱动尺寸有时会使得多约束的方程无解。设计 软件能够自动作出判断并提示重新指定合适的参数。 目前特征参数化技术的应用范围逐渐扩大，由于这一技术的巨大优势，各 1 2 大c a d c a m 软件开发商和工程设计领域的技术人员都积极采用它。本论文就 是采用这一技术将设计参数附着于特征中，从而在c a d c a m 设计过程中实现 参数传递与继承。 2 8 辊锻计算毛坯图设计 所谓计算毛坯是指假想的具有圆形( 或方形) 横截面的坯料，其上各截面 积应等于相应长度上锻件截面积和飞边截面积之和。计算毛坯的形状反映了沿 锻件长度上金属分布情况。锻件毛坯图是选择原始毛坯和计算辊锻道次的重要 依据，而且对于c a d 系统中设计预成形型槽或制坯型槽等都是十分必要的。 因此计算毛坯图设计是辊锻工艺设计过程中必不可少的一环。计算毛坯图的参 数计算及其绘制过程如下1 1 5 l ： 首先计算毛坯的横截面积f f = 乃+ 2 k f i 式中 f ，一一锻件横截面积； 只一一飞边横截面积； 足一一飞边槽充满系数( 锤上模锻时，通常取k = o 6 0 7 5 ，由于辊 锻时所得的毛坯尺寸比较稳定，k 值可取低些) 。 绘出锻件的截面图后，便可以在锻件截面图的基础上设计辊锻毛坯图。在 设计时要注意以下几个问题： ( 1 ) 按锻件长度上截面积大小的不同，划分出几个特征段，如前轴的座板、 工字筋、拳头等区段； ( 2 ) 为了简化模具结构和易于计算，将截面图上的曲线用相应的直线代替； ( 3 ) 辊锻毛坯的端部区段长度，在一般情况下，应比锻件相应区段长度取得 稍短一些，以利于在模锻时易于将毛坯放于锻模中，同时可以避免端部出现折 叠的缺陷。辊锻毛坯中间部分长度应取和锻件相同； ( 4 ) 各特征之间相连接的区域，应圆滑过度，否则将易于在辊锻及其后的模 锻工步中产生折迭。此过度区域一般化入截面较大的特征段内，过度区的斜度 一般取4 5 。6 0 。其区段长度为： r 。一 ，。= ( 0 5 o 8 6 ) ( 4 f o f ) 式中r ，f i 一一过度区段的两个特征截面积。 ( 5 ) 锤上模锻时，辊锻毛坯通常必须留有夹钳位置。 2 9 变形量计算及辊锻件中间毛坯模型各道截面确定 辊锻成型由于变形量较大，一般分成若干道次完成。依据变形量来划分道 次，目的是使得总变形合理分配到各道次中，变形从初始毛坯到辊锻终锻件经 历若干中间毛坯模型的截面，要确定中间毛坯模型的截面首先逐道进行变形量 计算，按相应矩形法计算相应矩形的变形和求出各道次辊锻后的相应矩形尺寸 和面积。最后再转换成各型槽截面的尺寸。变形量计算的任务是计算每一道次 中压下和宽度变形，从而求出每一道次后坯料截面积。在计算变形量的过程中， 需对每个道次中间毛坯模型的每个截面进行计算，计算有两个数据来源： ( 1 ) 将设计手册中固有数据代入公式； ( 2 ) 生产现场取得的参数，这些参数会因工况不同而改变： ( 3 ) 为此采用两种方法处理： 1 ) 将手册中可能用到的数据系列做成设计参数数据库，放在网络中， 并在客户端设计界面上提供热链接，以便实时查询： 2 ) 对于经验数据和受工况影响的数据提供参数驱动的修改方法，在一 定约束范围内进行修改。 当收集到的数据被传回到服务器端数据库后，服务器程序调用采用 a c t i v e xa u o t o m a t i o n 技术【1 6 儿1 7 】驱动s o l i d w o r k s 三维造型软件自动生成关键截 面。 2 10 截面设计流程图 根据上述辊锻设计要求，确定辊锻道次，在每一道次的辊锻坯料上确定关 键截面的位置，根据计算毛坯图设计出同一关键截面在各道次的形状渐变规律， 确定各截面的缺省尺寸参数，在此基础上修改参数以获得形状各异的各道次系 列二维截面形状，最后在三维造型部分利用这些截面生成各道次辊锻毛坯的三 维实体。 在w e b 环境下，锻坯截面设计一般在客户端完成，用户既可以全新设计各 个截面，也可以从服务器数据库取出以前设计留下的参数在客户端重新生成截 面图，然后再传回服务器端数据库保存。客户端程序采用a c t i v e a u t o m a t i o n 技 术【l8 1 调用本地计算机生成界面图，在生成界面图之前对用户所填入的参数进行 校验，以确认用所给参数是否能够生成合理的封闭尺寸，判断的依据是在各道 次辊锻毛坯图所确定的基本尺寸基础上进行合理的界面形状调整，目前主要是 约束界面面积和生成封闭几何图形，图2 2 是对细节进行简化后的截面设计流 程图，值得注意的是，对于c s 模式，客户端软件和服务器端软件被设计成既 可以在同一台计算机上运行也可以在不同的计算机上运行 1 9 1 ，只需在某台计算 机上注册服务器端软件，则这台计算机即可成为本系统的服务器，而客户端软 件可以在任何计算机上运行【2 0 1 。对于b s 模式，服务器必须是w w w 服务器， 支持h t t p ( h y p e rt e x t t r a n s f e rp r o t o c a l ) 超文本传输协议，同时需要安装 p a r a d o x 数据库引擎。 1 4 图2 2 基于w e b 的锻坯截面设计流程图 2 1 1 截面设计的程序实现 2 1 i 1 界面设计 为了使界面达到高度集成，避免用户频繁地在不同界面间来回跳转，本界 面采用多页表的形式，将各个截面叠放在一起方便切换，这样在c s 模式中客 户端就只是一个整体的程序文件，而在b s 模式中，客户浏览器中只存在一个 整体的网页，使得软件显得紧凑而不松散。另外，各个截面设计完成后只需一 次上传即可将所有设计参数存回到服务器端的数据库中。避免单个截面设计完 就上传参数，从而节约网络资源，提高运行速度。图2 3 是前轴辊锻件辊锻成 型第一道次辊锻件关键截面的参数化设计界面，设计模块采用a c t i v c x a u t o m a t i o n 技术在后台调用a u t o c a d 作为支撑程序【2 ，利用设计参数绘制出 二维截面图形，绘出的图形可以导出到实体造型软件，多截面放样的关键控制 截面，另外设计参数回传到服务器端数据库保存。由图可见每个界面都由三部 分组成： ( 1 1 图示区：将用默认参数所生成的截面图显示在设计页上，非常直观，设 计者一目了然，各参数含义也在图中相应位置标出； ( 2 ) 参数区：从该截面中挑出关键参数，放在界面上供修改，修改后的参数 由后台程序提交给服务器程序的后台数据库，按照对应字段存入数据库表中； ( 3 ) 按钮区：各按钮分别完成将数据保存、恢复默认值、生成截面等功能， 每个按钮的驱动程序中还包含对数据合法性进行校验，对缺失的数据进行补齐 等模块。 图2 3汽车前轴辊锻件第一道次设计界面 2 1 1 2 程序代码设计 整个截面设计的程序模块及窗体划分如下图2 4 ，主要模块的功能为： 图2 4 截面设计的程序模块及窗体列表 ( 1 ) w c y c a l l c a d 模块：初始化软件，启用a c t i v e xa u t o m a t i o n 功能，调用 c a d 软件，判断调用成功与否，若失败，则给出提示；若调用成功则将c a d 1 6 软件置为初始状态，调整好视口、视角、线型、线宽、图层、图元颜色等参数。 部分实现代码如下： o p t i o n e x p l i c i t在作下面的定义前，一定要在v b 中引用a u t o c a d2 0 0 0 的两个类型库 p u b l i ca c a d a p pa sa c a d a p p l i c a t i o n a u t o c a d 应用程序对象变量 p u b l i cp r e f e r e n c ea sa c a d p r e f e r e n c e s a u t o c a d 优先设置的对象变量 p u b l i ca c a d d o ca sa c a d d o c u m e n t a u t o c a d 文档对象变量 p u b l i cp a s p a c ea sa c a d p a p e r s p a c e a u t o c a d 图纸空间对象变量 p u b l i cm o s p a e ea sa c a d m o d e l s p a c e a u t o c a d 模型空间对象变量 ”“定义一个无参过程，调用a u t o c a d p u b l i cs u bw c y c a l l c a d o ( 2 ) w c y d r a w r o u n d 模块：这是一个含参数过程模块，采用计算机图形学 圆弧连接算法，对以各种方位放置的两条直线进行指定半径的圆弧连接，若无 法连接，则给出提示：若连接成功，则返回两个连接点的坐标，以作其他图元 参数。部分实现代码如下： d i ma r c e n d s ( 0t o5 ) a sd o u b l e f u n c t i o nw c y d r a w r o u n d ( pl0a sd o u b l e ，p 0 0a sd o u b l e ，p 2 0a sd o u b l e ，r a sd o u b l e ，c l o c k w i s ea si n t e g e r ) a sd o u b l e o ( 3 ) c 1 0 l f r m 模块：该模块为主界面，如图2 3 所示，是程序主要功能的 实现载体。也是客户端程序的主截面。 第三章辊锻件及其模具三维设计 3 1 三维软件选型 现代三维设计软件不仅仅能够创建包含丰富的实体信息的三维实体模型， 还应能够利用其设计阶段所产生的各种基于特征的参数对实体模型进行静态的 或动态的干涉检查、模拟装配、动力学和机构运动学分析、强度分析、设计模 具、数控制造、美工处理等，这些是业界长期追求的目标，现在也实际上成为 工程师判断一款软件是否是真正好的三维设计软件的默认标准，如此看来大家 所熟悉的诸如a u t o c a d 等图形设计软件实际上还算不上真正好的三维设计软 件。s o l i d w o r k s 是新一代的三维设计业界领先软件。它在p c 机w i n d o w s 平台 下而不是大型工作站上就可以进行高质量的三维建模，尤其对复杂的三维模型 ( 模型中各个部分有复杂的拓扑关系及高度复杂的多元函数依赖关系) 更显其 强大的功能，尽管如此，其操作却简单易学。 s o l i d w o r k s 是w i n d o w s 环境下的标准三维设计软件，该软件是一个套装软 件，主要包括以下基本模块： ( 1 ) s o l i d w o r k s 2 0 0 3 ( 2 ) s o l i d w o r k sa n i m a t o r ( 3 ) s o l i d w o r k sp i p e ( 4 ) p h o t o w o r k s ( 5 ) f e a t u r e w o r k s ( 6 ) s o l i d w o r k sm o l d b a s e 利用s o l i d w o r k s 基本模块及所提供的应用程序接口a p i 函数( s o l i d w o r k s a p i 对象树如图3 1 所示) ，结合组件对象模型c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 及分布式数据库技术即可实现基于网络的参数驱动三维造型。由于有以上优点， 所以选择s o l i d w o r k s 作为三维造型软件是比较合适的。 3 2 辊锻件及其模具成型特点及难点 采用三维c a d 技术进行模具设计，便于设计意图的表达；具有特征参数 化的优点；可以由产品模型直接设计出模具型腔，有利于模型信息的传递、继 承与应用。辊锻一般需分成多道次辊锻制坯和辊锻成形，因而需要分别建立辊 锻件模型、辊锻毛坯模型及进行相应的模具型槽设计。为充分利用模型信息、 提高辊锻模具设计的效率和精度，本论文提出辊锻模具设计模型信息继承与传 递的流程图。此外辊锻模具，模具型腔与辊锻件毛坯没有直接的对应关系，在 成形的过程中，随着上下锻辊转动，辊锻坯料在沿锻辊圆周方向的模腔内进行 t 8 局部成形，成形出直线形的锻件毛坯。这类模具型腔与成型零件没有直接的对 应关系，这样使模具设计过程中模型信息的传递、继承、应用受到了限制。针 对这个问题，本论文提出虚拟中问过渡体技术，使它成为该类模具设计中模型 信息传递与继承的桥梁：根据锻件模型，考虑到锻件的成形过程、锻辊的运动 关系、某些参数的变化，构造出虚拟中问过渡体；再根据虚拟中间过渡体，设 计出该类模具型槽。 图3 1 s o l i d w o r k sa p i 对象树 3 3 辊锻模具三维造型设计流程 辊锻成型工艺属于回转压缩成形技术范畴，通过上下两个锻辊上的一对弧 形锻辊模具进行反向旋转，使毛坯产生周期性局部延伸变形，达到减小毛坯截 面积及高度，增加长度，成形出所要求形状和尺寸的辊锻毛坯。通常从辊锻件 坯料到最终辊锻件的变形量比较大，一般需要将整个成形分布在几个辊锻道次 进行成形：即辊锻件毛坯经第一道次模具型槽加工成形出第一道次辊锻毛坯、 第一道次辊锻毛坯经第二道次模具型槽加工成形出第二道次辊锻毛坯、依次类 推，直至经辊锻模具型槽最终成形出辊锻件。由此可见每个道次辊锻毛坯都是 该道次模具型槽设计的重要依据，因而需要对每个道次辊锻毛坯模型进行造型； 由于各道次辊锻毛坯只是为了分配辊锻成形的变形量的中问过渡实体，它们及 1 9 辊锻件之间大体形状相似，只是某些参数不同，因而在它们的模型之间存在信 息的传递与继承。在辊锻模具的设计过程中，首先需要建立辊锻件模型：然后 可以根据辊锻件模型或辊锻毛坯模型建立各道次辊锻毛坯模型：最后根据各道 次辊锻毛坯模型设计出各道次辊锻模具型槽，根据辊锻件模型设计出辊锻模具 型槽。在各道次模具型槽的设计过程中，由于辊锻毛坯模型与该道次辊锻模具 型槽之间不存在直接的对应关系，使模型信息的传递和继承受到了阻碍。采用 虚拟中间过渡体作为模型信息传递与继承的中间载体，可以从辊锻毛坯模型继 承信息，依据此虚拟中间过渡体进行该道次辊锻模具型槽设计。图3 2 是辊锻 成形过程与辊锻模具设计流程示意图。 辊毂件模型 丰爿最终虚拟中间过渡俸 节l喾ll t 1 l l t i 一。i 爿筻n 谨汝棋具型槽l 第n 道汝毛坯模翌i t - i ? ， j i且 i 第2 遵汝毛l 模型 h2 撇虚 | = 【中间过渡傩i爿第2 道汝模具型槽i t - i 第1 道i 囊毛坯模型 爿i 道i 文盎拟中间过渡俸 争一。4 筻l 道黼具型槽 t l l r l f 辊锻件坯料 l l - _ 襄示辊锻件毛坯 模型的变更过程 c = = 令 袁示辊锻梗具设 计过程中攫型 耋 息舶恃递与炼承 表示各个道i j ：辊 锻件毛坯鲍加工 过毽 图3 2 辊锻成形过程与辊锻模具设计过程示意图 3 4 辊锻件模型及辊锻毛坯模型的建立 由整个辊锻模具设计过程可知，辊锻件是辊锻成形的最终产品，辊锻件模 型是整个设计过程的最终信息来源：建立辊锻毛坯模型和进行辊锻模具型槽造 型都需要继承其模型信息，因而进行辊锻模具设计首先需要建立锻件模型。对 于本文中的汽车前轴，考虑到其几何形状结构，可采用流行的三维c a d 软件 ( s o l i d w o r k s ) 中的轮廓线引导放样进行辊锻件模型的建立。每个道次辊锻毛 坯都是经该道次辊锻模具型槽直接成形的，其模型是该道次模具型槽设计的重 要依据，因而各道次辊锻毛坯模型的建立是辊锻模具设计的重要步骤之一。各 道次辊锻毛坯模型设计主要包括变形量计算和分配、制坯型槽系的选择、截面 图元的选择及截面尺寸和纵向尺寸的确定。在该过程需要考虑到某些工艺因素 的影响：比如宽展、前滑、分模面位置、飞边、圆角半径等。辊锻毛坯模型与 辊锻件模型几何结构大体相似，因而造型方法大体相同。所以在继承辊锻件模 型信息或后一道次辊锻毛坯模型信息建立辊锻毛坯模型时，可以根据设计的结 果直接对辊锻件模型或后一道次辊锻毛坯模型的某些参数和某些结构进行修 改，便可建立辊锻毛坯模型。由于所采用的建模软件是基于特征的并能够实现 参数驱动，所以这种修改较方便。图3 3 表示的是该汽车前轴第一道次辊锻毛 坯模型。 图3 3 汽车前轴第一道次辊锻毛坯模型 3 5 虚拟中间过渡体三维造型 应用三维c a d 软件进行模具设计，一般都继承产品模型信息。这样避免 了模型的重复建立、也提高了模具设计的精度和准确性。同样进行辊锻模具设 计也应该继承辊锻件模型信息或辊锻毛坯模型信息。辊锻成形时，随着上下两 个锻辊的旋转，坯料在沿锻辊圆周方向的型槽内产生局部变形。由此可知，辊 锻件或辊锻毛坯的形状是辊锻模具型槽与锻辊的旋转运动的综合结果，辊锻模 具型槽与辊锻毛坯模型或辊锻件模型之间没有直接的对应关系。这样就无法像 一般的模具设计那样，根据产品模型，直接采用模型间的布尔运算或三维c a d 的开模功能进行模具型槽设计。针对这一问题，本论文提出采用虚拟中间过渡 体【2 2 】作模型信息载体进行辊锻模具型槽设计；即首先结合辊锻毛坯模型或辊锻 件模型和锻辊的旋转运动构造出一虚拟模型，再对这一虚拟模型和锻辊基体模 型进行布尔运算生成辊锻模具型榴。因而建立虚拟中间过渡体模型是辊锻模具 型槽设计的重要步骤之一。由图3 3 和图3 4 比较，可知中间过渡体模型与辊 锻件模型和辊锻毛坯模型大体几何结构相似，构成它们的截面信息是相同的， 只不过辊锻件模型或辊锻毛坯模型的截面是沿直线分布的，虚拟中间过渡体模 型的截面是沿锻辊圆周方向分布的。由于几何结构相似，也可采用轮廓线引导 放样建立虚拟中间过渡体模型；截面信息相同，因而可以直接继承辊锻件模型 或辊锻毛坯模型的截面信息来构造虚拟中间过渡体模型。具体实现时，将型槽 的纵向长度换算成模具的中心角，按如下公式进行： ， 0 = 士= _ 上一弧度 “。( d o t q ) 0 + s 、 二 式中卜前滑： 磊由作用半径恐决定的型槽区段长度尺寸； 细一一相应区段的毛坯长度尺寸： 刀：_ 一型槽作用半径，在制坯时可取： 见2o 5 ( d o 一州) ，一一辊锻后毛坯的相应矩形高度； 口o 锻模公称尺寸。 根据锻辊直径及各截面的位置，先确定好放样特征各截面的基准面，再将 辊锻件模型或辊锻毛