（材料加工工程专业论文）连杆锻模计算机辅助设计.pdf

重庆大学硕士学位论文摘要 摘要 本文详细介绍了连杆锻模c a d 系统软件的开发与研制， 针对传统锻模设计的诸多不便，提出了面向对象的设计思 想，在人与计算机之间建立一种交互式系统，从而使人的才 能与计算机的优越性得以充分发挥，显著提高了工作效率。 本文主要探讨了系统的数据处理方法和软件接口，解决了 系统开发中的技术难题，完成了系统的算法分析和设计、以 及连杆锻模c a d 的软件集成，并通过了工厂实际验证。 关键词：连杆锻模c a 。数裁件接口 重塞查堂堡主兰垡笙茎 一一! 堕 a b s t r a c t t h et h e s i si r t r o d u c e d t h e e x p l o i t a n dm a n u f a c t u r e o n c o n n e c t i n g r o d ss 19 5f o r g i n gd i ec a ds y s t e ms o f t w a r ei nd e t a i l a i m i n ga tt h eg r e a td e a l o fi n c o n v e n i e n ti nt r a d i t i o n a lf o r g i n g d i e d e s i g n ，t h e t h e s i sp u tf o r w a r do b j e c t o r i e n t e dd e s i g ni d e a ， b u “tak i n do fi n t e r a c t i v e - s y s t e mb e t w e e n h u m a na n dc o m p u t e r ， 窟i r ef r e e r e i nt oh u m a na b i l i t y a n d c o m p u t e r s e x c e l l e n t f u n c t i o n ，s or e m a r k a b l yw o r k i n ge f f i c i e n c yg e tr a i s e d t h et h e s i sm a i n l y s t u d i e dt h eh a n d l i n gm e t h o do fs y s t e m d a t aa n dt h es o f t w a r ei n t e r f a c e ，s o l v e dt h et e c h n i c a lp r o b l e mi n s y s t e me x p l o i t ，a c c o m p l i s h e d s y s t e ma l g o r i t h m a n a l y z e a n d d e s i g n ，a n di n t e g r a t e dc o n n e c t i n g - r o d s f o r g i n g c a ds o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，t h es y s t e ms o f t w a r eh a sp a s t t h ef a c t o r yp r a c t i c e t e s t k e y w o r d s ：c o n n e c t i n g r o d s f o r g i n gd i ec a d d a t a s o f t w a r ei n t e r f a c e 重庆大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 计算机辅助设计( 简称c a d c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，它是指工程技术人员 以具有高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用各自的专业知识对产品进 行绘图、分析、计算和编写技术文件等设计活动的总称：1 它包括：资料检索、 方案构思、计算分析、工程绘图和编制文件等。在设计过程的各个阶段，计算 机都要充分发挥它的辅助作用：运算速度快、准确度高、记忆能力及思维能力 强，从而成为人们进行创造性活动的得力助手。因此，这门新兴学科越来越引 起工程界的注意和支持，使之迅速发展并日益完善。 锻模c a d 是计算机在塑性成形中应用的一个方面。塑性成形是一种技术密 集型的加工过程，为了发展这一过程，应当在提高现有技术的同时，开发并采 用各种先进技术，特别是计算机技术。在塑性成形中，模锻因其可使工件获得 理想的金属流线，晶粒致密，显著改善金属性能和降低材料的消耗而被广泛的 运用，故其在塑性成形中占有特殊的地位。对于外形复杂、材料特殊的产品， 模具的设计水平是成形能否成功的关键之一0 2 传统的锻模设计方法在很大程度 上依赖于设计者的经验和技巧，对设计中产生的问题只能靠试模后的修正，返 工费时，花费大。锻模c a d 能减小设计中的繁重劳动量，使复杂的计算自动 化。此外，在c a d 的基础上，引入c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ) 技术， 将大大提高锻模的制造质量，从而必将极大地增强这一基础加工业的生命力。 实践已证明，由c a d 到c a m 是提高模具设计制造质量，缩短生产周期的有效 途径。二者之间的关系如图1 1 所示： 图卜1模具c a d 与c l i 系统间的联系 一c a d 技术是近年来发展极为迅速的新兴产业，属发展中的高科技领域。它 具有众多的优点和强大的功能，将c a d 技术引入锻模设计是提高模具设计质 量、缩短模具开发周期、提高经济效益、增强产品竞争能力的有效手段。 随着计算机技术的飞跃发展，国外6 0 年代开始研究模具计算机辅助设计系 鲥一这种c a d 技术能较好的解决传统模具设计方案中存在的问题。并且由于 其系统日趋完善，而在生产中取得了显著的经济效益。它是在人的参与下，以 计算机为中心的一整套系统，能对锻压工艺及模具自动进行最优化设计。首先 是由设计者描述出模型，由计算机对有关锻压工艺及模具的大量资料进行检 重庆大学硕士学位论文 绪论 索，对有关数据和公式进行高速运算，在分析的基础上，通过图象显示，设计 者可对图象进行修改，最终确定模具的尺寸和形状，并自动绘图。由于计算机 不仅具有快速、准确的运算功能，还具有强大的“记忆”和“思维”能力，可存储 大量信息和进行正确的逻辑判断，而且配上外围的各种自动绘图机后，便可完 成繁琐的制图工作。 传统的锻件及锻模设计方法，在很大程度上依赖于设计者的经验与技巧。 锻模计算机辅助设计，因为能建立一个较好的数学模型，大量减少了对设计者 个人经验的依靠。计算机辅助绘图能使设计者从繁重的工作中解放出来，以便 更好地做一些创造性的设计。采用计算机辅助设计，计算的速度和精度都可以 大幅度提高。由于计算结果的可靠性增强，就减少了试模的次数，降低了试制 的费用。另外，利用计算机进行优化设计，可以提高材料的利用率，延长模具 的使用寿命。与人工制图相比，使用c a d 技术，可以将用户的设想变为可视 图象，因而能迅速看到所设计的产品形象，并且图象易于修改和存储，性能非 常适合设计人员的要求。 1 2c a d 技术的发展 自1 9 4 6 年世界上第一台计算机问世后，人们就想把这一科技成果应用到设 计领域。到6 0 年代初，美国麻省理工学院m i t 开发了名为s k e t c h p a d 的计算 机交互图形处理系统，并描述了人机对话设计和制造的全过程，形成了最初的 c a d 概念：科学计算和绘图。 从5 0 年代到6 0 年代中期，c a d 从封闭的专用系统走向商品化，以大型机 配有存储管显示器的整机系统开始在市场上出售。有代表性的是：美国通用汽 车公司的d a c 一1 ，洛克菲勒公司的c a d a m 及马库塔列普图形公司的 c a d d g n c 系统。7 0 年代，出现了将c a d 硬件与软件配套交互使用的“交钥 匙系统( t u r n k e ys y s t e m ) ”，使c a d 技术在机械电子等行业得到了广泛的 应用。8 0 年代初期，工程工作站及其网络系统给c a d 技术的发展带来了很大 影响，它取代了“交钥匙系统”，成为c a d 系统的主流。进入8 0 年代中期，随 着计算机特别是微型计算机和计算机绘图技术的进展，c a d 技术在机械、冶金、 建筑等行业中的应用越来越广泛和普遍：1 畔1 进入9 0 年代以后，c a d 技术更是日新月异。首先在计算机硬件方面，c p u 主频的提高，内存和硬盘容量的增大，以及图形加速卡的运用给c a d 技术的 发展奠定了坚实的硬件基础。另外，从事c a d 软件开发的人员越来越多，c a d 软件的重要性也越来越引起人们的普遍重视。在c a d 技术领域作出突出贡献 的有美国的a u t o d e s k 公司，其今天的a u t o c a dr 1 4 软件二维功能已相当完美， 同时三维软件m d t 也相继问世。使以前需在工作站才能完成的三维造型，现 在在个人p c 机上同样可以完成。另外还有e d s 、p d c 、v g 、s o l i d w o r k 等 公司在c a d 技术方面都作出了巨大贡献。 计算机图形学作为c a d 技术的软件基础，近年来也得到了迅速的发展。进 入9 0 年代，计算机图形学的功能除了随着计算机图形设备的发展而提高外， 重庆大学硕士学位论文 其自身也朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。在此期间，国际标准化组 织( i s o ) 公布的有关计算机图形学方面的标准越来越多，且更加成熟。在“核 心图形系统”( c o r eg r a p h i c ss y s t e m ) 提出以后，又发布了计算机图形接口c g i ( c o m p u t e rg r a p h i c si n t e r f a c e ) 、计算机图元文件标准c g m ( c o m p u t e r g r a p h i c sm e t a f i l e ) 、计算机图形核心系统g k s ( g r a p h i c sk e r n e l 鳓s t e m ) 、 程序员层次交互图形系统p h i g s ( p r o g r a m m e r sh c r a r c h i c a l i n t e r a c t i v e g r a p h i c ss y s t e m ) 等一系列新技术标准。多媒体技术、人工智能及专家系统技 术和计算机图形学相结合使其应用效果越来越好。科学计算的可视化、虚拟现 实环境的应用又向计算机图形学提出了许多更新更高的要求，使得三维乃至高 维计算机图形学在真实性和适时性方面将有飞速发展 i ”j l 州 目前，c a d 技术已是一项成熟的高科技技术。它已成为专业技术人员的强 有力的工其，也是近年来我国大力推行的一项新技术。一个技术人员只要能够 很好的掌握c a d 技术，就会形成一种新的生产力，取得显著的经济效益。 1 3c a d 系统设计概述 一个完整的c a d 系统，其工作面往往覆盖整个设计过程。对c a d 系统而 言，它包括图形数据结构和图形数据库，几何构形，交互式图形显示，绘图处 理， 图1 2c a d 系统组成部分 数据指令生成，解析处理，加工处理等各种各样的基本技术。而这些技术本身 也都是包含许多具体内容的处理系统。因此，设计一个完整的c a d 系统，它 的内容是非常丰富的，它的工作量也是很大的，它必须具有合适的c 魍，系统 硬件环境和适当的软件工具。c a d 系统的基本组成可用图1 2 来描避j q ”1 采用c a d 系统，可以完成四个方面( 设计进程中) 的工作： 1 建立几何模型。 重庆大学硕士学位论文 从需求分析开始，包括产品的构思，设计方案的确立，建立产品的几何模 型。在图形显示器上显示产品的几何模型就是在计算机上完成产品的几何模 型。设计人员可以通过交互式计算机图形系统在显示器上观察产品的几何模 型。 2 工程分析。 工程设计中需要进行某些分析。包括：应力一应变分析、动态特性分析等。 常用的分析软件有两类：质量特性分析、有限元分析软件等。 质量分析软件在c a d 软件中使用较广，它可以提供实体的系列质量特性。 如表面积、体积、质量、重心、惯性矩等。针对平面或形体的某一个截面，计 算其周长或截面积等。 有限元分析方法是将物体分成大量的基本单元( 如长方形、三角形) 。这 些单元在边界的有限点上相互连接，通过计算每一节点处的位移来完成物体的 应力一应变分析，一个物体的应力一应交分析的输出是将受力后变形的物体叠 加在非受力状态下物体形状上显示的。有限元分析给出的结果不理想，可根据 结果修改物体的形状。 计算机在解微积分方程中是很有用的工具，在工程分析中采用有限差分法 来解徼积分方程也就是把微积分方程变成差分方程。有些差分方程是联立的线 性方程组，一般不用矩阵方法求解，而是采用叠代法求解。叠代时，一般给出 定解的初始条件来推算进程的发展，或是给出边界条件来求解。数字计算机最 适合于作数字解，有些问题要用知识表达和知识推理的方法来求解。智能计算 机和各种专家系统在计算机辅助设计中的应用是当今c a d 的一个发展方向。 3 设计审查与评价 在图形显示器上检查设计的正确性是很方便的。例如尺寸子程序可以减少 尺寸确定过程中出错的可能性。设计人员还可以在图形显示器上放大零件的某 一局部或整个形体，以供检查和修改。 4 自动绘图 自动绘图是指直接从c a d 数据库生成工程图纸的硬拷贝，c a d 系统在绘 图方面可以比人工提高5 倍以上的效率，而且绘制出来的图纸质量好，也有利 于图样的规范化。c a d 系统还具有自动标注尺寸绘制剖面线、加注文字说明及 彩色喷墨等功能。工程图纸的输入及存档系统对于企业设计人员来说是十分有 用的，系统还可以对存档图纸重新编辑、修改，然后在绘制出来。 采用c a d 技术的优越性可归纳为： ( i ) 减少绘图劳动量： ( 2 ) 减少各工序的周转时间： ( 3 ) 提高设计精度； ( 4 ) 易于修改设计； ( 5 ) 易于建立标准图及标准设计库： ( 6 ) 便于管理。 总的来说，应用c a d 技术可以缩短设计周期、节约人力物力、降低成本和 4 重庆大学硕士学位论文 绪论 提高质量。 采用c a d 技术需要付出的代价：( 1 ) 初始投资( 硬件、软件) 比较大；( 2 ) 由 于人员对c a d 系统及有关技术不熟悉，需要进行培训，因此在开始应用c a d 的几个月中可能使生产力受到影响，但影响只是暂时的，经过一段时间后，即 会收到效益并使生产力大大提高。 由于计算机没有自我学习能力，没有创造力，判断能力也差，因此，只有 把人的直观处理、经验、创造性、判断能力等与计算机的高速度、大容量、正 确的处理能力结合起来，才会获得好的效益。 可以认为，c a d 系统是一种把人和计算机结合在一起，各自发挥自己的优 势去解决工程技术中的问题。在此人机通信系统中，人永远是设计工作的主人， 计算机及其外设( 绘图仪、打印机、存储介质等) 是强有力的辅助工具。人们可 以利用计算机及其外设的帮助来进行设计、分析，提高设计质量、缩短设计周 期，使产品易于更新换代和具有竞争能力，这就是c a d 系统。 1 4 模具c a d 技术的发展及其应用 6 0 年代计算机发展到应用于飞机、船舶、建筑、汽车、模具、机电产品等 各个领域，7 0 年代模具c a d 系统更趋完善，而且已取得比较明显的经济效果。 国外在模其方面较早采用c a d 技术的大多是一些大的汽车公司，如美国通 用和福特、英国利兰和日本三菱等。因为这些汽车公司认识到模具在国民经济 中的重要性及必要性，必须把模具c a d 技术较好的引入模具设计及生产中。 如果不在这个关键而又薄弱的一环实现突破，要改变传统的模具设计和制造这 低效率、高成本、长周期的被动局面将是很困难的。尤其对于更新换代的汽车 制造业来说，更是不容易。而模具c a d c a m 技术正是解决这个问题的最有效 途径学期 当然，模具c a d 也经历了它自己的发展进程： 首先，从人们对待模具c a d 的态度来看，由观望而转变为积极。5 0 年代 末期，人们对美国通用汽车公司采用这项新技术所进行的投资是持怀疑态度 的。6 0 年代末，模具c a d 及c a d 技术基本发展成熟。到7 0 年代，微机系统 更趋完善，效果日益显著。因此在美、荚、日、德、意、加拿大等国普遍受到 重视，不断出现各类椴压模具的c a d 系统。 其次，从模具使用c a d 的情况来看，由初期的单一品种的简单模具发展应 用到多品种的复杂模具，使用面越来越广。一般往往首先用于简单的冲裁模， 随后逐步发展到复杂的汽车车身覆盖件拉延模，进而扩大到其它类型的模具， 如锻模型槽模具。现代模具技术发展迅速；到本世纪末，模具工业将成为国民 经济的主要基础工业之一。模具是工业生产中的重要工艺装备。模具技术水平 的高低，直接影响着许多工业部门新产品的开发及老产品的更新换代，影响着 产品质量和经济效益的提高。 由于种种原因，目前我国模具行业尚未形成一个强有力的工业体系，远远 重庆大学硕士学位论文 不能满足国民经济增长的需要，模具设计、制造、与生产技术落在许多国家的 后面。为此，我们必须奋发努力，才能在模具生产技术方面赶上世界先进水平。 现代模具技术的发展，在很大程度上依赖于模具标准化程度。它是优质模具材 料的研究，先进的设计与制造技术，专用的机床设备及生产技术管理等多方面 工作的集合。但其中c a d 技术在模具生产方面的应用，无疑占有很重要的地 位，棋具c a d 技术是一们知识密集，技术密集，多学科交叉及渗透的学科， 它所包括的范围非常广泛。 根据传统做法，一个新产品的开发过程总是分为设计与制造两大部分。模 具生产也不例外，模具属单件生产，设计和制造往往是一一对应，所以模具设 计员的工作特别繁重。传统的模具设计因循手工设计方法，工作繁琐，模具设 计所占工时约为设计中工时的2 0 左右。模具设计工作量大，周期长，任务急， 引入模具c a d 技术以后模具设计员可借助计算机完成传统手工设计中的各个 环节的设计工作，并自动绘制模具装配图和零件图。在模具c a d 系统中，产 品的几何模型是关于产品的最基本核心数据，并作为整个设计、计算、分析中 最原始的依据。通过模具c a d 系统设计、计算、和分析而得到大量信息，可 运用数据库和网络技术存储和直接传送到生产制造环节的有关方面，从而实现 设计生产一体化( c a d c a m ) t 2 0 1 3 4 1 3 8 j 美国在1 9 7 0 年时，c a d 作为一个产业几乎为零。1 9 8 3 年，经营c a d 产业 的厂商达l o o 家。1 9 9 1 年的产值约为百亿美元。下表显示美国在8 0 年代c a d 系统的增长情况丫 估计系统 一年内安 一年内安累计安装累计安装 时间的增长率装的工作的系统总的工作站 装的系统 蚰数总数 1 9 7 93 2 0 01 2 0 0 0 1 9 8 04 01 2 0 04 5 0 04 4 0 01 6 5 0 0 1 9 8 l4 0t 6 0 06 3 0 06 0 0 02 2 8 0 0 1 9 8 24 02 2 0 08 8 0 08 2 0 03 1 6 0 0 1 9 8 34 03 0 0 02 3 0 01 2 0 0 04 3 9 0 0 1 9 8 44 04 2 0 01 7 2 0 01 5 4 0 06 1 l o o 1 9 8 53 55 6 0 01 9 6 0 01 1 0 0 08 0 7 0 0 1 9 8 63 07 5 0 02 6 2 0 02 3 5 0 01 0 6 9 0 0 1 9 8 73 01 0 0 0 03 5 0 0 03 8 5 0 01 4 1 9 0 0 1 9 8 83 01 3 0 0 04 2 2 0 05 1 5 0 01 8 4 1 0 0 1 9 8 93 01 6 9 0 05 4 9 0 06 8 4 0 02 3 9 0 0 0 从上表不难看出，其增长的速度是非常惊人的! 由于c a d 技术具有高智力、知识密集、更新速度快、综合性强、效益高、 初始投入大等特点，目前世界各国无不大力发展c a d 技术。这一新兴的高技 术应用也已迅速从国防工业向民用工业发展，由大型企业向中、小型企业推一：7 1 重庆大学硕士学位论文绪论 展望世界，c a d 技术发展之快，应用面之广，对整个工业界和人类生活影 响之大，远远超过了其它高新技术。 1 5 课题背景、意义及任务 本课题来源于四川省江油市长联实业开发总公司下属特种轧锻厂，自9 0 年 开始生产各种汽车、内燃机连杆，其生产模具为四川内燃机厂提供。由于其生 产工艺及模具设计、制造落后，模具结构不甚合理，适应不了连杆产品形状复 杂、精密和交货周期短的要求，生产出来的连杆锻件成品率低，材料利用率低， 模具使用寿命短，从而造成了人力，物力及时间的极大浪费。为了彻底改变这 种情况，迫切需要对其锻造工艺，模具进行优化设计。而按传统方法进行的模 具优化设计，不仅需要专业人员付出大量的繁重劳动，而且周期很长，影响了 工厂生产发展的需要。为此，长联实业开发总公司要求利用计算机对其连杆锻 摸进行优化设计，开发出针对其实际需要的连杆锻摸专用c a d 系统。基于此， 提出了“连杆锻摸计算机辅助设计”的课题任务。 连杆属典型的长轴类锻件，这类锻件在所有锻件数量中占有很大比例，与 回转形锻件一起大约要占所有锻件中的9 0 。连杆则是长轴类锻件中有代表性 的锻件之一。连杆是发动机的重要零件，工作时在高速下运转，工作条件比较 繁重。连杆的形状比较复杂，截面间差别较大，有和曲轴拐颈相连的圆形大头 部( 或半圆叉形大头部) ，又有工字断面的杆部，还有通过活塞销与活塞相连 接的小头部。除了头部需要机械加工外，其它工字形断面等都不加工，所以对 连杆锻件的质量尺寸要求比较严。 经过长达近两年时间的研制、开发，该课题任务得以完成，所做工作如下： ( 1 ) 完成连杆锻摸c a d 系统的数据采样、分析处理及利用。 ( 2 ) 完成连杆锻摸c a d 系统理论分析及其模型的建立。 ( 3 ) 完成连杆锻摸c a d 系统的工艺设计。 ( 4 ) 完成连杆锻摸c a d 系统的相关算法。 ( 5 ) 完成连杆锻摸c a d 系统的软件集成。 ( 6 ) 完成连杆锻摸c a d 系统软件的验证及其维护，以提高软件的可靠性和 稳定性。 1 6 小结 作为本文的综述部分，主要从c a d 技术的来源、发展及其在模锻设计方面 所产生的巨大影响和深远意义作了较为详细的论述，同时对本课题的背景、意 义和所完成的任务作了说明。连杆作为重要的传动零件，其质量的好坏直接影 响到机器的正常运转。连杆锻模设计采用计算机辅助设计对提高连杆质量，缩 短模锻设计周期，降低生产成本，提高生产效率，都具有极其重要的意义。计 算机辅助锻模设计与传统的设计相比具有极其显著的优越性。其高效、准确、 重庆大学硕士学位论文 及时的人机交互系统，使设计者能充分发挥自己的聪明才智，把更多的时间放 在创造性的工作上，开发更多的新产品以满足生产的需要，避免了传统设计方 法中造成的重复性劳动。随着c a d 技术的不断发展和完善，锻模c a d 也必将 有一个更加灿烂的未来。 重庆大学硕士学位论文 理论分析与模型建立 第二章连杆锻模c a d 的理论分析及其模型的建立 本系统主要为以s 1 9 5 型( 带叉头) 为代表的内燃机连杆建立专用锻模c a d 系统。该类连杆属典型的长轴类锻件。这类锻件的轴线较长，即锻件的长度与 高度的尺寸比例较大，模锻时，坯料轴线方向与打击方向相垂直，金属主要沿 高度和宽度方向流动。沿长度方向流动很小。对此，当锻件沿长度方向其截面 积变化较大时，必须考虑采用有效的预、终模膛设计，预锻后得到的中间毛坯， 在金属体积的分配上应满足下列要求：长度等于终锻模膛的长度，沿锻件轴线 的每一截面面积等于相应处锻件的截面积与飞边截面积之和，对于该带叉头的 长轴连杆锻件，在模锻时为使锻件叉头部分能够充满，可加选用有叉形劈料台 的预锻模膛。 2 1 连杆锻模c a d 系统的成形分析 锻造成形是金属塑性加工的一种，利用金属的塑性，在外力作用下使金属 坯料成型的一种加工方法。金属的塑性是金属在外力的作用下，稳定地改变自 己的形状( 尺寸) 而各质点间的联系不破坏的能力，可以认为它是物体的一种 状态。因为塑性不仅决定于变形金属的内部结构，并且决定于变形的外部条件 ( 受力情况，加工温度，变形速度等) ，金属的塑性不仅与其自身的组织状态 和化学成分有密切关系外，还与锻模加工时的外部条件有关，如应力状态，变 形温度和速度等。 塑性是金属在一定条件下表现出来的性质，很难用某一种指标来反映，一 般采用测定在某种特定条件下金属塑性的相对数据以定性地反映出其在该种条 件下金属塑性的离低，常用的相对数据指橱商拉伸试验时试样的相对伸长( 相 对延伸率) 6 和断面收缩率1 l r ，其表示如阿u 占：些1 0 0 厶 掣：五生 e 其中：l 。伸长量( 拉断时) 厶原始长度 只原始断面积 e 拉断时的断面积( 或缩颈部分的最小断面积) 有时也可以用冲击试验测定的冲击值a 。来反映。 生产实践表明：当金属的塑性指标e 5 0 时，锻压加工无困难，当金属的 9 重庆大学硕士学位论文理论分析与模型建立 塑性指标e 5 0 时，锻压加工比较困难；当塑性指标e b ， b 时，则 模膛内轴向应力口， i ：r ，2 口径同应力g ，的变化特洼与此相同，当飞边桥 部高度h 1 ，h ， h ，对模瞠内轴向应力和径同应力的变化特| 生前者相似，朝 一，一：，a ：，g - ，a 。，a ，l 乎瞿 图2 - 2 模膛内的应力分布 显然应力分布是不均匀的。在整个坯料内部的变形也是不均匀的，存在着塑性 变形基和难变形区：为简化叙述，歪防以蜀茬_ f 奉镦租时坯料肉塑性变形噩分市 艚况为例进行说明如巨：3 所示r 可 图2 3 圆柱体镦粗时坯斟内塑性变形区分布及各区应力情况 重庆大学硕士学位论文 理论分析与模型建立 变形分三个不同的区域。i 区为难变形区，由于表层受很大的摩擦阻力，这个 区域内的单元体都处于三向压应力状态。i i 区为剧烈变形区，由于受到摩擦力 的影响较小，因此水平方向受的压应力较小，坯料内部金属主要在轴向力作用 下由匹角向上端面和下端面流动。1 1 1 区为小变形区，由于它的外侧是自由表面， 端面的摩擦影响较小，因而应力状态可看或近似于单向压缩，同时又受到区域 i i 的扩张作用，所以表面呈现鼓形。在i i 和i 相交的分界面上作用有正应力和 剪应力，这些应力沿分界面积分总和的垂直分量即等于所需的锻压力p 。 2 1 3 2 模锻变型中坯料豹变形流动及其应力、应变分析 模锻时，坯料内各处的金属由于具体鲍受力情况不同，分别向两个方向流 动，即沿径向流入飞边和沿轴向流入模膛譬填流动过程如图2 - 4 ， 一 蕊溅美 图2 ，4 坯料的流动过程 由图中可以看出模锻变形过程可分为三个阶段：第一阶段是由开始模压到金属 与模具侧壁接触为止，属于局部加载，整体受力，整体变形，变形金属可分为 a 、b 两区，如图2 5 所示。 图2 - 5 第一阶段各变形匡盒属的流动及应力应銮情况 圉2 - 6 第二阶段蔷变形区金属的流动情况 重庆大学硕士学位论文 理论分析与模型建立 a 区为直接受力区，b 区的受力主要由a 区的变形引起，b 区内金属的变形犹 如在圆形砧内拔长。a 区的受力情况外犹如环形件镦粗，故又分为内外两区， a 内与a 外。各区金属主要沿最大主应力的增量方向流动( 如图中箭头所示) ， 即a 内区和b 区的金属往内流动，进入模膛内，a 外区的金属向外流动，在坯 料内每一瞬间都有一个流动的分界面。由于这时b 区金属的存在使a 内区金属 向内流动的阻力增大，故与单纯的环形件镦粗相比流动分界面的位置向内移， 各区的应力应变情况如图2 - 5 所示。 第二阶段：第一阶段结束到金属充满模膛为止是第二阶段。金属依然有两 个流动方向：一是充填模膛，二是由桥口处流出形成飞边，并逐渐减薄。这时 由于模壁阻力，特别是飞边桥口部分的阻力作用，迫使金属充满模膛。这个阶 段金属向两个方向流动的阻力部很大，处于明显的三向压应力j 陡态，变形抗力 迅速增大。当凹圆角充满后变形金属可分为五个区，如图2 - 6 ，a 区内金属的 变形犹如一毁环形。牛镦粗。a 外为外区，a 内为内区。b 区内金霭的变形犹摇 在蜀型砧内捧圄。c 区为弹些变形区，d 区内金属的变形犹如外径受限制的巧 形徽桓。各区的应力应变分析和金属流动方向如图2 7 所示。 第三阶段：金属充满模膛盾，多余金属由桥口流出，此为第三阶段。主要 是：悔多余会属排入飞边，此时流动分界面己不存在，变形仅发生在分模面附近 的t 区域内，其它都盥则处于弹性状态，其变形区的应力应变状态如图2 - 8 所示。 8 伊n 屹 一 伊c ， f z 图2 7 第二阶段备变形区的应力应变情况图2 8 第三阶段变形区的应力应变情况 在此阶段由于飞边厚度进一步减薄和冷却等原因，多余金属由桥口流出时的阻 力更大，使变形抗力急剧增大。 综上所述，第二阶段是锻件成形的关键阶段，第三阶段是模锻变形力最大 的阶段，从减小模锻所需的能量来看，第三阶段应尽可能地短。 2 2 系统设计的思想和方法 针对本系统的设计内容和任务，它必须具有输入输出快捷，操作简单方便， 通过友好的用户界面易于修改的具有交互式功能的锻模c a d 系统。为此系统 采用了面向数据流( 面向对象、特征) 的程序设计方法，它包括数据管理( 数 据库) 、计算优化、工艺分析、图形处理等。 嫡。 瘟意 步。萨； 栅参。矽： 重庆大学硕士学位论文理论分析与模型建立 传统的c a d 系统实际上是一种绘图软件包，从集成的意义上讲它们不具 备“辅助设计”的功能，它仅仅提高了绘图的速度，改善了绘图的手段，而今 天集成思想的提出对c a d 系统的“辅助”功能提出了新的要求，它包括对数 据的输入输出，数据分析、计算、管理，图形生成，交互式的修改、输出等等。 在连杆锻模c a d 系统中，拥有一个良好的用户界面是非常重要的。用户 界面在过去一直和系统应用程序设计为一体，造成界面修改困难和编码质量不 高等问题。于是八十年代初人们将用户界面作为一个独立的分支进行研究，提 出了“对话独立”的概念。使两者独立设计互不影响，并通过规定的方式进行 通讯。基于这种思想和集成化系统设计模式。选用面向对象技术，以面向对象 的程序语言b o r l a n dc + + 及w i n d o w s 操作系统和a u t o c a d 作为软件开发工具平 台进行面向对象的c a d 集成系统交互界面设计g “， 面向对象的建模思想的最根本目的就是使编程人员更好地理解，建立和管 理庞大而复杂的决策与系统模型库。目前，决策与支持系统问题领域不断发展 和深化，为建立能够适应环境不断变化的太型模型库的需要，它在结构化程序 设计的基础上完成进一步的抽象，是一种试图模仿人们建立现实世界模型的程 序设计方法，它是要编写处理对象的程序。在现实生活中每个名词都表示一类 对象，具有一组属性或行为特征，如：学生挡案管理系统中的姓名、住址等都 是对象。描述对象的关键是采用抽象数据类型方法进行描述，人们不仅描述单 个对象( 例如，某所院校或某专业的学生) ，而且善于对事物进行抽象和分类 ( 某所院校或某专业的学生) 。面向对象的程序设计方法就是利用人类的自然 倾向和能力，引进了“类”这一概念。类是对一具有某一属性或行为特征的对 象的概定和描述，类也是一种数据结构，一个类去定义数据的同时也定义了对 这些数据的操作。面向对象的程序设计把注意力集中在对对象的类的描述上。 类体现了数据抽象与功能抽象的统一。定义一个类，也就定义了一种新的抽象 数据模型。 面向对象的程序设计思想方法具有以下四个主要特征： ( 1 ) 封装、抽象 封装指对象可以拥有私有元素，把一个数据结构同操作数据的函数( 行为 或方法) 组合在一起。封装是借助这种新的数据结构和数据类型机制“类” 来达到目的。基本数据结构对外的不可访问性称为数据隐藏。封装的概念与集 成电路用陶瓷封起来颇为相似，芯片的内部结构是看不见的，使用者只需知道 引脚电气功能与参数就能很好地使用该芯片，将不同的引脚连在一起就可方便 地组成某一产品。因此，封装后的类就象“软集成块”，它使得用已建立的基 础类来开发软件的编程人员无须了解这些基础类中的细节，只需了解类的外部 接口参数和作用就能很好地使用这些基础类。因此，提高了软件的开发效率。 抽象则是和对象的外部状态相连，它通常用来描述对象所表示的具体概 念，对象所能完成的任务以及处理对象的外部接口。抽象处理是对象的可见外 部特征。 ( 2 ) 继承 1 4 重庆大学硕士学位论文 理论分析与模型建立 继承是借用可重用性部件机制，它从一个或多个先前定义的基类中继承 函数和数据，是在基类的基础上建立一个新的派生类，并且可以加入新的结构 和数据，从而建立了类的等级。继承机制包括单一继承和多重继承机制。 ( 3 ) 多态性 允许把同一消息传递给基类及其子类的所有对象的能力称为多态，即给 行为取一个名字或符号，它从上到下共享一个类的等级。在这个等级中，每个 类都以适合自己的方式实现这个行为。 ( 4 ) 可靠性 面向对象的程序设计包括了标准测试部分，因此它更可靠。 面向对象的建模思想的实质是一个建立基类模型和派生子类模型的过程。 一个基类模型一旦确立，它的子类模型可以辨证地继承其特征或行为，每一层 的子类模型都要比前一层基类模型更加具体( 例如：描述手册中的数学手册类 就不必描述手册的特征，数学手册类比手册类更加具体，同时继承了手册类的 特征) 。数据的封装与抽象实现了操作代码的共享，避免了许多维护性问题。 继承机制大大地减少了硬件资源的开销，提高了决策支持模型库开发的效率， 并使模型系统易于扩充。多态性使子模型以适合自己的方式调用基类模型。因 此模型库具有相当大的灵活性，有利于建立决策支持系统规模较大的模型库。 2 3 模型的建立及其方案的确立 2 3 i 系统结构框图 本系统尽可能多地采用了交互式设计方法，使操作者可以根据程序的计 算、分析得出最佳的设计结果，也可以根据实际情况，确定自己认为合理的参 数与选项，最后将设计结果打印输出或以磁盘文件保存。系统结构框图如图2 - 9 。 重庆大学硕士学位论文理论分析与模型建立 绘图机 i 出国 工 结束 或 返回 数据库 绘图数据 攀坚l 掣咽 亟司斗面积计算 r 一体积计算 l - 参数计算 操作界面k = = 爿显示嚣k = = 爿界面下拉菜单 型苎叫 品酊曲耥蝴硼 2 , 3 2 系统使用的程序设计语言 基于上述分析，要使本系统达到具有输入输出方便，操作简捷和优化设计 的目的，选用了计算功能较强的c ( c + + ) 语言( 在b o r l a n dc + + 环境下编译) 和绘 图功能极强的a u t o c a d 内嵌语言a u t o l i s p 语言。 l 、c ( c + + ) 语言【t 0 1 2 t 1 2 2 1 是结构化的程序设计语言，便于进行模块化程序设计，它用众多的函数组 成，反映了设计者追求高效，灵活和强功能的设计思想，能够胜任系统程序设 计的要求，表达能力强，并且具有较高的可移植性，即没有依赖于硬件的输入 输出语句。另外，种类丰富的运算符和数据类型也是它的一大特点，极大地方 便了程序的设计。他支持面向对象的程序设计。面向对象的程序设计是通过为 数据和代码建立分块的内存区域来提供对程序进行模块化的一种程序设计方 法。这些模块可以被用作样板，在需要时建立其拷贝。一个对象可以获得另 个对象的特性，这便是前面提到的继承。通过继承低层的类能共享高层的类的 特征。如本系统中建立的d r a w a 类与t u a 、a a 、l a l 及c o u n t ，e x p l a i n 等类之 间的继承关系便是如此，如图2 1 0 。 1 6 一 重庆大学硕士学位论文理论分析与模型建立 t u ae x p h i n “卧“ 陆a w a 图2 一l o 类的继承关系图 面向对象鼓励使用以抽象的观点看待程序，即程序是一组抽象的对象类组成。 程序的编译过程： 竺：鼗荐譬区p 黥始r k o 巧 圣困 2 、a u t o l i s p 语言 是a u t o c a d 提供的内嵌套的开发语言：。使用a u t o l i s p 可以完成对 a u t o c a d 的二次开发和用户控制，使a u t o c a d 的功能更多更强。a u t o l i s p 有 强大的图形处理能力，可以直接控制图形实体的内部数据，用于在a u t o c a d 中定义宏命令和程序设计，按用户的需要设置自己的系统。同时用户可以用c 语言通过a d s ( a u t o c a dd e v e l o p m e n ts y s t e m ) 在a u t o c a d 上作二次开发， 且它的程序是通过编译运行的，故效率极高v 0 1 2 3 3 工艺方案身响t 定 系统为长联特种轧锻厂内燃机车用连杆开发的c a d 专用系统。工厂在实 际生产中，选用锺上模锻，它是在自由锻，胎模锻基础上发展起来的一种锻造 成型方法。它的工作特点是：靠冲击力使金属变形。冲击力通过下砧传给基础 且受力系统不封闭，锤头可在最低位置以上的任何高度回程，其行程不固定， 打击的轻重快慢均可由操作者调节。其工艺特点是：金属变形靠冲击力完成， 金属充满模膛是利用其流动惯性。变形是在多次打击下逐步完成的。锤头的打 击速度非常快，但在每一次打击中金属的变形量较小，便于锻件的成形，其不 足之处：模锻锤工作时，震动大，噪声大、对车间设备和厂房带来有害的影响， 劳动条件差。但与它锻压设备相比。它具有适应性强、应用广、生产效率高， 设备造价低等优点，所以到目前为止，在锻造行业中仍有重要的地位。 为了得到合格的锻件，其工艺路线如下： ( 1 )下料：将材料切割成所需尺寸的坯料。 ( 2 ) 加热：提高金属的塑性，降低变形拉力，便于模锻成形。 ( 3 )模锻：得到锻件的形状和尺寸。 重庆大学硕士学位论文 理论分析与模型建立 ( 4 )切边、或冲孔：切去飞边或冲掉连皮； ( 5 )热校正或热精压：使锻件形状和尺寸精确； ( 6 )在砂轮上磨掉切边所剩的毛刺； ( 7 )为了保证合适的硬度和合格的机械性能需进行热处理，常用的方法 是正火和调质； ( 8 )消除氧化皮，得到表面光洁的锻件，常用的方法有喷砂、喷丸、滚 筒抛光、酸洗等； ( 9 )为进一步提高锻件精度，减小表面粗糙度，可采用冷校正或冷精压； ( 1 0 ) 检验锻件质量。 开式锤上锻模c a d 系统的运行步骤： ( 1 )根据零件图制定锻件图( 冷锻件图) ； ( 2 )计算锻件的主要参数：锻件在平面图上的投影面积、锻件的周边长 度、体积和重量； ( 3 )通过计算分析，确定设备( 锻锤) 吨位： ( 4 )确定飞边槽的形式和尺寸； ( 5 )设计终锻模膛； ( 6 )设计预锻模膛； ( 7 ) 计算下料长度，决定坯料尺寸； ( 8 )模具结构分析，包括锁口、模膛部置和模块尺寸、模具的安装和调 整等； ( 9 )绘制锻模图，出工程图纸。 2 4 小结 本章作为理论分柝和方案确定部分，对连杆模锻的成形过程进行了必要的 分析，为其后的工艺设计提供强有力的理论依据，并针对工厂提出的设计任务 和内容，系统采用面向对象的设计思想并对此作了较为详细的论述。面向对象 的设计技术目前也非常成熟，它已完成从理论研究到实际应用的转达化过程， 并成功地应用到许多领域，为实现这种设计思想系统选用c ( c 十+ ) 语言和 a u t o l i s p 语言作为开发工具。此外，由于连杆的形状较为复杂，结合工厂生产 实际选用开式锤上模锻有效地满足了工厂生产的需要。 重庆大学硕士学位论文数据的处理 第三章连杆锻模c a d 系统数据的处理方法( 数据库) 在传统锻模设计中，需要查阅大量的手册、文献资料以及检索有关曲线、 表格，以获得设计或校核计算时需要的各种系数、参数，其工作量之大是显而 易见的，并且容易出错。而计算机的应用很好地解决了这个问题。它具有大容 量的存储与快速检索的功能，将设计过程中所需的表格、线图以程序或文件的 方式预先存入计算机中，供设计时灵活方便地调用，必要时还可以建立或利用 公共数据库，将表格和线图转化为相互关联的数据结构，以便更方便地完成资 料信息交换。这些资料信息对计算机而言，都称为数据，这里的数据含义非常 广泛，与通常所说的数据有很大的区别。为此，首先应弄清数据与数据结构的 概念。 3 1 数据与数据结构 数据是对客观事物的符号表示。在计算机科学中是指所有用来描述客观事 物的数字、字符、运算符号等这样一些能输入到计算机中并能被计算机程序处 理的符号的总称。它是计算机程序加工的“原料”。例如，一个利用数值分析 方法解代数方程的程序，其处理对象是整数和实数：一个编译程序或文字处 理程序的处理对象是字符串。因此，对计算机科学而言，数据的定义极为广泛， 如图象，声音等都属于数据的范畴。数据元素( d a t ae l e m e n t ) 是数据的基本单 位，在计算机程序中通常作为一个整体进行考虑和处理。有时一个数据元素可 以由若干个数据项( d a t ai t e m ) 组成。例如，一本书的书目信息为一个数据元 素，而书目信息中的每一项( 如书名，作者名等) 为一个数据项。数据项是数 据的不可分割的最小单位。 数据结构( d a t as t r u c t u r e ) 是带有结构的数据元素的集合，是指数据之间的关 系，即数据之间的组织形式。例如，当我们使用绘图机画一个三角形时，若只 输入其顶点坐标，而不输入各顶点之间是否存在连线成边的关系时，绘图机就 不能画出该三角形。事实上，这些顶点彼此不是孤立的，在它们中间存在着某 种联系。