（材料加工工程专业论文）十字轴冷挤压成形工艺研究及模具设计数字化系统开发.pdf

摘要 十字轴冷挤压成形工艺研究及模具设计数字化系统开发 摘要 近几年，随着汽车行业及其它相关产业的发展，十字轴类零件作为传动系 统的主要基础件，应用越来越广泛，地位也越来越重要。目前，国内大部分零 部件企业专业化生产水平较低，总体技术水平不高。如何用更加经济高效的方 法来改变当前现状成为当前汽车零部件制造业中一个很重要的研究课题。 本课题主要以冷挤压十字轴类零件为研究对象，以p r o e 、d e f o r m 3 d 、 v c + + 6 0 为平台，对十字轴冷挤压成形进行工艺分析以及成形过程有限元模拟， 并以此为依据系统地研究轴对称型冷挤压十字轴零件产品的开发和模具设计参 数化数字化开发。 通过有限元模拟软件d e f o r m 3 d ，分别对冷挤压十字轴单向挤压和双向 对称挤压的成形过程进行了模拟，分析了金属的应力分布及金属流动特点。根 据模拟结果，确定了冷挤压十字轴零件的成形工艺和模具结构。 利用族表法，建立了冷挤压十字轴的产品库，实现了冷挤压十字轴建模的 自动化，满足了冷挤压十字轴在合理参数条件下的尺寸变化的需求，提高了产 品的开发速度，减少了设计人员的重复劳动，降低了错误率，提高了企业的竞 争能力；并且此产品库提高了十字轴的管理水平，使得分类清楚，设计思路清 晰，具有很好的应用价值。 在系统界面开发过程中，利用p r o t o o l k i t 语言中的同步模式进行开发，使得 该系统运行更加稳定，同时得到与p r o e 系统风格相同的u i 对话框和菜单；利 用v c 的可视化界面技术，设计出方便实用的人机交互界面，大大提高系统的 使用和管理效率。在此基础上，提出了利用p r o t o o l k i t 实现冷挤压十字轴类 零件及其模具的数字化设计的构想，并建立了冷挤压十字轴类零件及其模具的 数字化设计系统。该系统将p r o e 系统的参数化与数字化功能应用于冷挤压十 字轴的模具开发过程中，实现了不同规格的十字轴成形模具的数字化设计。 关键词：十字轴，冷挤压，成形工艺，有限元模拟，模具数字化 a b s t r a c t r e s e a r c ho nc r o s s s h a f tc o l de x t r u s i o n f o r m i n gp r o c e s sa n dd i g i t i z a t i o no nm o u l d d e s i g n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ea u t o m o t i v ei n d u s t r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fr e l e v a n t i n d u s t r i e s ，嬲t h em a i nb a s i so fm e c h a n i c a lp a r t s ，t h ec r o s s - s h a f tp a r t so fa n e v e r - i n c r e a s i n g s t a t u si sa l s o b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t a tp r e s e n t ， p r o d u c t i o nl e v e lo fs p e c i a l i z a t i o ni sr a t h e rl o wi nn a t i o n a lm o s t l ya u t o m o b i l ep a r t s e n t e r p r i s e s t o t a lt e c h n i q u ep l a n ei sn o th i 吐h o wt oc h a n g ec u r r e n t l ya c t u a l i t yi n m o r ee c o n o m i ca n de f f i c i e n c ym e t h o d sb e c o m e sav e r yi m p o r t a n ts t u d yt a s kf o r a u t o m o b i l ep a r t sm a n u f a c t u r i n gn o w t h i sa r t i c l em a i n l yt a k e sc o l de x t r u d i n gc r o s s - s h a f tp a r t sa st h er e s e a r c ho b j e c t p r o e ，d e f o r m - 3 d ，v c + + 6 0a sap l a t f o r ma n dh a sd o n es o m er e s e a r c ho nt h e d e v e l o p m e n to fc r o s s - a x i so f t h ec o l de x t r u s i o nf o r m i n gp r o c e s so fr e s e a r c h ，弱w e l l 嬲f o r m i n gp r o c e s so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，a n ds e r v e 弱ab a s i sf o r t h e s y s t e m a t i c s t u d yo fa x i a ls y m m e t r ya x i sp a r t sc r o s sc o l d e x t r u s i o np r o d u c t d e v e l o p m e n ta n dt o o l i n gd e s i g np a r a m e t e r so fd i g i t a la n do t h e ri s s u e s t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m 3 d ，i ti su s e dt o s i m u l a t et h ef o r m i n gp r o c e s so fc o l de x t r u d i n gc r o s s - - s h a f tp a r t si nt h eo n e - w a ya n d t w o w a ys y m m e t r i ce x t r u s i o n , a n da n a l y s i st h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h em e t a la n d m e t a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s id e t e r m i n et h e c r o s s - s h a f tp a r t sc o l de x t r u s i o np r o c e s sa n dt h ef o r m i n gd i es t r u c t u r e f a m i l yt a b l ei su s e di nt h ed i g i t a ld e v e l o p m e n to fp a r t s ，a n dc o l de x t r u d i n g c r o s s a x i sp a r t si st a k e na sa ne x a m p l et oi n t r o d u c et h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n ti n d e t a i l ，t ob u i l dap r o d u c t i o nd a t a b a s eo fc o l de x t r u d i n gc r o s s s h a f tp a r t ss t h i sc a n b u i l dm o d e l sa u t o m a t i c a l l y i tm e e t st h en e e d so fc h a n g e si nr e a s o n a b l ep a r a m e t e r , i i i a b s t r a c t i m p r o v e st h ed e v e l o p m e n ts p e e do fs u c hp r o d u c t s ，r e d u c e sr e p e t i t i o u sw o r ko ft h e d e s i g n e r s ，a n dt h em i s t a k e s a b o v ea l l ，g i v et h ep l a n ts o m ea d v a n t a g e s ；o nt h eb a s e o ft h ep r o d u c td a t a b a s e ，w ec a l lr e a l i z et h em a n a g e m e n to ft h ep a r t ss y s t e m a t i c a l l y , n o to n l yc l a s s i f i e sc l e a r l y , b u ta l s oe x t r a c t sr a p i d l yd u r i n gd e s i g np r o c e s s ，a n di tc a l l b eu s e de f f i c i e n t l y i nt h ee x p l o i t a t i o np r o c e s so ft h ei n t e r f a c e so ft h es y s t e m ，t h i sa r t i c l ep u t su p e x p l o i t a t i o nw i t hs y n c h r o n o u sm o d eo fp r o t o o l k i tl a n g u a g e ，w h i c hl e t st h i ss y s t e m r u nm o r es t e a d i l y i nt h es a m et i m e ，“u i d i a l o gb o x e sa n dm e n u sw i t hs a m es t y l e a r eg o t t e n t h i sa r t i c l ed e s i g n sf a c i l i t ya n da p p l i e dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n a l i n t e r f a c e s ，w h i c hg r e a t l yi n c r e a s e st h eu s ea n dm a n a g e m e n tr a t eo ft h i ss y s t e m o n t h e s eb a s i s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni d e ao fa c h i e v i n gd i g i t a ld e s i g no fc o l de x t r u d i n g c r o s s 。s h a f tp a r t sa n di t sm o u l d u s i n gp r o t o o l k i t , e x p l o i t sd i g i t a ld e s i g ns y s t e m o fc o l d e x t r u d i n g c r o s s s h a f t p a r t s a n di t sm o u l d t h i s s y s t e ma p p l i e s p a r a m e t r i z a t i o na n dd i g i t a l i z a t i o no fp r o es y s t e mt ot h ep r o c e s so fd e s i g n i n gc o l d e x t r u d i n gc r o s s s h a rm o u l d ，a c h i e v e sd i g i t a ld e s i g no fd i f f e r e n tc o l de x t r u d i n g c r o s s s h a f tm o u l d k e yw o r d s ：c r o s s s h a f t ，c o l de x t r u s i o n ，f o r m i n gp r o c e s s ，f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，m o u l dd i g i t i z a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丝叠! 埏 日 期：逊z ：! 垄 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：喔叠! = 盆导师签名：e l 期：丝! 星：! ! ! 至 山东大学硕七学位论文 1 1 引言 第一章绪论 十字轴类零件的加工方法有切削加工、热模锻、冷挤压等。 利用切削加工方法加工十字轴类零件，生产工序多，效率低，材料浪费严 重，并且切削加工会破坏零件的金属流线结构。 目前国内大多采用热模锻方式成形十字轴类零件，加热时产生氧化、脱碳 等缺陷，必然会造成能源的浪费，并且后续的机加工不但浪费大量材料，产品 的内在和外观质量并不理想。 相比之下，十字轴冷挤压成形的具有以下优点： 1 、提高劳动生产率。用冷挤压成形工艺代替切削加工制造机械零件，能使 生产率大大提高。 2 、制件可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。冷挤压十字轴类零件的精度 可达i t g - - - i t 8 级，表面粗糙度可达r ao 2 1 6 。因此，用冷挤压成形的十 字轴类零件一般很少再切削加工，只需在要求特别高之处进行精磨。 3 、提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化，以及在零件内部形 成合理的纤维流线分布，使零件的强度高于原材料的强度。 4 、降低零件成本。冷挤压成形是利用金属的塑性变形制成所需形状的零件， 因而能大量减少切削加工，提高材料的利用率，从而使零件成本大大降低【3 】【引。 1 2 课题的来源及研究背景 近几年，随着汽车行业及其它相关产业的发展，十字轴类零件的应用越来 越广，地位也越来越重要。国内传统的生产十字轴工艺主要采用热模锻工艺： 制坯一加热一模锻一切边。但由于加热时工件产生氧化、脱碳等缺陷，影响挤 压件的尺寸精度和表面粗糙度，还会造成能源的浪费，工作环境较差，并且后 续的机加工不但浪费大量材料，而且还会破坏零件的金属流线结构，产品的内 在和外观质量并不理想。 第一章绪论 由于十字轴类零件自身结构的原因，在复杂高频率的运转状态下容易出现 应力集中，通常处于高负荷，属于易损件。目前，冷挤压技术的应用己遍及各 个工业部门。但由于十字轴冷挤压成形工艺有一定的难度以及设备要求比较高， 国内用冷挤压技术生产十字轴的生产工艺还不是很成熟。因此，很多生产企业 迫切需要对十字轴冷挤压成形工艺进行研究，并确定合理的加工工艺及其模具 结构。 1 3 课题的研究对象 近年来，我国的汽车制造业得到了快速发展，因此对汽车行业提出了更多 的个性化要求，刺激了更多汽车型号的开发，同时也带动了汽车配件的高速发 展，有很多配件都具有某些相似的特征，比如十字轴是汽车配件中应用广泛的 一类零件，产品外形如图1 1 所示： 嘹攀鬟 图1 - 1 十字轴系列零件图 所以，本课题将以冷挤压十字轴类零件作为研究对象，对十字轴冷挤压成 形工艺进行研究并设计新型的十字轴冷挤压模具结构，开发其模具组件的数字 化系统。 1 4 课题的研究方法 首先采用p r o e 三维造型软件对冷挤压十字轴类零件的一个通用零件进行 三维实体化造型。 通过d e f o r m 3 d 有限元模拟软件，分别对单向挤压和双向对称挤压成形 过程进行模拟，分析了变形过程中金属的应力分布及金属流动情况。根据模拟 结果，确定合理的工艺方案，并且设计新型的十字轴冷挤压模具结构。 山东大学硕士学位论文 量ii i m l ! 皇曼皇曼鼍量量皇曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼皇量曼曼皇曼量皇曼曼量 通过p r o e 中的族表法创建了十字轴零件的三维零件库，实现了产品管理 的数字化。设置相关的变量、参数，实现零件的参数化开发，并利用p r o e 中 的二次开发组件p r o t o o l k i t ，对十字轴零件的产品设计、模具开发进行了二 次开发，编写相应的程序，设置了相关的模块和对应的响应动作，生成了十字 轴零件的数据库，实现了零件的数字化管理。 1 5 课题的研究内容 本文主要冷挤压十字轴类零件为研究对象，以先进的三维实体造型软件 p r o e 为平台并利用d e f o r m 3 d 对成形过程的有限元模拟，系统的研究冷挤 压十字轴类零件冷挤压成形工艺，从而设计十字轴冷挤压成形的新型模具结构 以及开发模具组件数字化系统。 以下是本课题各章的主要研究内容： 第一章绪论：介绍了冷挤压十字轴类零件的研究背景、课题来源、研究对 象以及研究方法等。 第二章系统开发工具简介：本文简单介绍了本课题的系统开发工具： p r o e 、族表、p r o t o o l k i t 、d e f o r m 3 d 、v c + + 6 0 等。叙述了p r o t o o l k i t 二次开发的工作模式及其应用程序的基本结构，并介绍了p r o t o o l k i t 二次开 发的过程。 第三章十字轴冷挤压成形有限元模拟分析及其模具结构确定：应用有限元 模拟技术对十字轴冷挤压成形过程进行模拟，并通过十字轴类零件的双向对称 挤压与单向挤压进行了对比确定十字轴类零件的成形工艺，从而获得了模具的 运动状态对十字轴类零件挤压成形过程的影响规律，并确定了新型十字轴冷挤 压模具结构。 第四章基于族表法的冷挤压十字轴类零件产品开发：以冷挤压十字轴为例 详细地介绍了用族表法建立了十字轴类零件产品库的过程，介绍了十字轴产品 库的建立、管理和使用方法以及产品库的特点。 第五章冷挤压十字轴类零件模具的参数化设计：以冷挤压十字轴为例详细 介绍采用“参数和“关系式 相结合的方法来实现十字轴类零件及模具的参 第一章绪论 数化开发过程，并且还对所设计的模具组件进行虚拟装配设计，解决了零件间 静态干涉的问题。 第六章冷挤压十字轴类零件及其模具数字化系统开发：在冷挤压十字轴类 零件族表和参数化基础上，利用p r o t o o l k i t 实现冷挤压十字轴类零件及其模 具的数字化设计的构想，并建立了冷挤压十字轴类零件及其模具的数字化设计系 统。该系统将p r o e 系统的参数化与数字化功能应用于冷挤压十字轴模具开发过 程中，实现了不同规格的冷挤压十字轴类零件成形模具的数字化设计，从而提高 了冷挤压十字轴类零件及其模具的设计效率和管理效率。 第七章总结与展望：总结本课题的主要工作，并指出了进一步研究的方向。 4 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章系统开发工具简介 随着个人计算机的普及，c a d 系统，开始转移到个人机中。美国p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n - - 参数技术公司) 公司的p r o e n g i n e e r 是其 中的一个代表，也是当今非常实用、非常成熟的使用参数化的三维造型技术的 大型c a d c a e c 舢软件。p r o e n g i n e e r 功能强大，它目前已广泛应用于工业 设计、机械设计、辅助制造、数据管理等领域，特别是在模具设计和制造行业 有着广泛的应用【1 2 1 。 2 2p r o ，e n g i n e e r 简介 目前，已经有许多功能强大的商品化三维设计软件可以方便的实现制造业 的产品数字化，例如：p r o e 、u g 等，鉴于p r o e 的强大功能以及其在国内的 广泛使用，本课题采用p r o e 作为支撑软件，实现双杯类零件及其模具的数字 化。 p r o e 是p t c 公司的产品，p t c 公司提出的单一数据库、参数化设计、基 于特征和全相关的概念从根本上改变了机械c a d c 胱a m 的传统概念，这种 全新的设计理念已经成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。 p r o e 在提供强大的设计、分析、制造功能的同时，也为用户提供了功能强 大的二次开发工具。常用的二次开发工具有：族表( f a m i l yt a b l e ) 、用户定义特征 ( u d f ) 、p r o p r o g r a m 、j - l i n k 、p r o t o o l k i t 等。 2 2 1 族表( f a m i l yt a b l o 族表是本质上相似零件( 或组件或特征) 的集合，但在一两个方面稍有不同， 如大小或局部特征等。例如，不同规格的套筒扳手，它们看起来形状是一样的， 并且具有相同的功能，只是某些尺寸有所不同，因此，把它们看成是一个零件 第二章系统开发工具简介 量曼曼曼舅舅曼曼量篡i! i 量量量置皇蔓蔓曼曼皇舅曼皇量曼曼曼喜皇 族是很有用的。 族表法通过建立通用零件( g e n e d cp a r t ) 为类属件，然后在其基础上对各参 数加以控制生成实例零件( i n s t a n c ep a r t ) 。它可以集合共同变化的尺寸，以表 格( t a b l e ) 编辑的方式产生，将事先定义好的类属件中可供驱动的尺寸参数、 特征、模型参数等放入表格中，通过在表格中输入新的参数值就可以创建一个 新的实例零件。它可以由一个零件或一个部件派生出形状相似、大小不同的一 系列零件或部件。整个族表通过电子表格来管理，所以又称为表格驱动。族表 法无须编程，创建迅速，适用于标准零件或重复性高、类似性大的零件，如扳 手、螺钉等等，所以，此功能常用来建立标准零件库。 族表法具有以下优点： l 把零件的生成标准化，既省时又省力，对于标准化零件的管理具有很大的 帮助； 2 使用零件族表，可以在零件装配中很容易实现零件的互换； 3 可以从零件文件中生成各种零件，而无需重新构造； 4 可以对零件产生细小的变化而无须用关系改变模型； 5 族表法无须编程，创建迅速； 6 族表中衍生件的产生是独立存在的，不需要为它定义参考基准。 2 2 2p r o t 0 0 l k i t p r 0 厂r o o l t 是p r o e 自带的基于c 语言二次开发工具。 从p r o e 1 8 版开始，p t c 公司推出p r o t o o l k i t 开发工具包，它包含并替 换了其原来开发工具包p r 0 d e v e l o p 。由于p r o 厂r o o l k i t 是向下兼容的，因 此用户不必将现有的p r o d e v e l o p 程序转换成p r o t o o l k i t 程序，同时还允 许采用两种开发工具包进行混合编码，但推荐采用p r o t o o l k i t 进行二次开 t l 及o p r o t o o l k i t 使用面向对象的风格，在p r o e 与应用程序之间通过函数调 用来实现数据信息的传输。因此，用来在p r o e 和应用程序之间传送信息的数 据结构对应用程序来讲是不可见的，而只能通过p r o t o o l k i t 中的函数来访 问。 6 山东大学硕七学位论文 p r 0 厂r o o l t 的功能非常强大，它通过c 语言编程及应用程序能实现与 p r o e 的无缝集成，是p r o e 自带的功能最强大的二次开发工具。p r o t o o l k i t 提供了大量的c 语言库函数和头文件来对p r o e 底层资源进行调用，这些函数 几乎覆盖了p r o e 中的所有操作，基本可以完成所有p r o e 所拥有的功能，是进 行二次开发的理想工具，另外，利用这些函数可以以一种可控的、安全的方式 让外部应用程序访问p r o e 数据库及其它应用模块，因此用户可通过编写c 语 言程序来拓展p r o e 的功能，并将编写的c 语言程序与p r o e 集成为一体。 p r o t o o l k i t 的缺点是需要大量的编程才能实现，开发难度较大。 p r o t o o l k i t 适合于在c 语言程序方面有较丰富的实际操作经验，又有 p r o e 的实际操作经验，且又希望能用户化p r o e 的高级用户。 2 2 3p r o r r o o l l ( i t 的工作模式 p r o t o o l k i t 应用程序有两种工作模式，一种为同步模式( s y n c h r o n o u s m o d e ) ；另一种为异步模式( a s y n c h r o n o u sm o d e ) 。 1 同步模式 同步模式包含两种工作模式，一种是动态连接库模式( d y n a m i c a l l yl i n k e d l i b r a r i e sm o d e ，简称d l l 模式) ；另一种是多进程模式( m u l t i p r o c e s sm o d e ，也 称为派生模式，s p a w n e dm o d e ) 。 动态连接库模式是将p r o t c i o l k i t 应用程序集成到p r o e 中的标准方法。 用户编译c 语言应用程序，并将其连接至p r o t o o l k i t 库文件，就创建了一 个可链接至p r o e 可执行文件的对象库文件，这个可执行文件将在p r o e 启动时 被执行。这种方法称为d l l 模式。 与d l l 模式相比，多进程模式包含更多的交换过程，当p r o t o o l k i t 应 用程序需要频繁调用库函数时，情况更是如此。多进程模式的优点在于：能够 用源代码调试器( s o u r c e c o d ed e b u g g e o 运行p r o t o o l k i t 应用程序，而无需将 整个p r o e 执行程序加载到调试器中。 在一个p r o e 会话中，可以运行多个p r o t o o l k i t 应用程序，并能综合使 用各种模式。在开发阶段可以使用多进程模式，因为在此模式下在p r o t o o l k i t 应用程序的调试比较方便，但是在为客户安装应用程序时，需要转化为d l l 模 7 第二章系统开发t 具简介 式，因为d l l 模式的性能更好。在转换时需要仔细测试程序，因为在不同模式 下，错误的表现形式不同。因此，合理的p r o e 二次开发方式是在开发 p r o t o o l k i t 应用程序时使用多进程模式，在为客户安装p r o t o o l k i t 应用 程序时使用d l l 模式。 在同步模式下，p r o t o o l k i t 应用程序和p r o e 产生各自的进程，每个进 程都能给另一进程发送消息( 请求) ，请求执行某个操作，但它必须等到一条表 明另一进程的操作已经完成的返回消息，才能进行下一步的操作。控制权在两 个进程间交换，总有一个进程处于等待状态。因此，在同步模式下，p r o t o o l k i t 应用程序和p r o e 进程之间不是并行工作的。 2 异步模式 异步模式和同步模式有着本质的不同，在异步模式下，p r o t o o l k i t 应用 程序和p r o e 能够并行，也就是说能够同时进行各自的操作。在应用程序与p r o e 的通信方面，异步模式也与同步模式不同，它采用的是远程程序调用( r p c ， r e m o t ep r o c e d u r ec a l l s ) 的方式。 异步模式和同步模式的另一个主要区别在于p r o t o o l k i t 应用程序的启 动方式，在同步模式下，p r o e 根据注册文件的信息启动应用程序；而在异步模 式下，应用程序( 包含自己的m a i n ( ) 主函数) 能够独立于p r o e 而启动，然后启动 p r o e 或与正在运行的p r o e 进程连接。 由于异步模式使用了远程程序调用技术，程序的执行速度要比同步模式下 慢得多，异步模式的代码也比同步模式复杂。因此在异步模式下，应用程序的 性能将比同步模式要低得多。考虑到p r o t o o l k i t 应用程序是离不开p r o e 环 境的，所以本课题采用的是同步模式。 2 2 4p r o t o o l k i t 应用程序的基本结构 p r o t o o l k i t 应用程序的基本结构可分为三个部分，即头文件包含部分、 用户初始化函数部分和用户结束中断函数部分。 头文件部分即应用程序包含文件部分，也就是指定p r o t o o l k i t 应用程序 所使用对象函数的原型文件。每个p r o t o o l k i t 应用程序都必须包括的头文件 是“p r o t o o l k i t h 。如果使用了p r o t o o l k i t 对象函数，则应包含该函数 8 山东大学硕七学何论文 原型的头文件( h 文件) ，否则在编译该文件时，会出现编译器不能对函数参数 类型进行检查的错误。 p r o t o o l k i t 应用程序的核心是用户初始化函数u s e r i n i t i a l i z e 0 和用户结 束中断函数u s e r ，在启动和结束 应用程序时调用它们。t e r m i n a t e o p r o t o o l k i t p r o t o o l k i t 应用程序必须含有这两个函数。u s e r _ n i t i a l i z e 0 和u s e r _ t e r m i n a t e 0 这两个函数都有前缀“u s e r ，表明应用程序是开发者编写的。 u s e ri n i t i a l i z e o i 函数用来初始化p r o t o o l k i t 应用程序并且创建图形窗口。 该函数包含应用程序的所有初始化进程，包括对p r o e 菜单的修改( 或添加) 、对 话框的增添和窗口信息初始化等操作。若此函数的返回值为0 ，则表明 p r o t o o l k i t 应用程序初始化成功。其他返回值均说明程序有错误，系统会加 以相应的错误代码说明。 u s e rt e r m i n a t e ( ) 是用户结束中断函数。用其结束p r o t o o l k i t 应用程序的 执行，该函数的返回值是v o i d 。 2 2 5p r o t o o l k i t 二次开发基本过程 p r o t o o l k i t 典型开发过程包括编写源文件( 菜单资源文件、窗口信息资 源文件、对话框资源文件和p r o t o o l k i tc 程序等) 、程序的编译和连接，以 及程序的注册和运行。 l 编写源文件 源文件包括资源文件和程序源文件：资源文件包括菜单资源文件、窗口信 息资源文件、对话框资源文件( 分别用来完成创建和修改p r o e 菜单、窗口信息 和对话框等功能) 等；程序源文件是指编写的c 语言程序，它是整个 p r o t o o l k i t 程序开发的核心部分。 2 程序的编译和连接 为了编译连接所编制的程序代码，一般需要制作m a k e f i l e 工程文件，可以 根据p r o t o o l k i t 自带的m a k e f i l e 修改。此文件是用来说明如何进行应用程序 编译和连接并最终生成可执行程序。 根据p r o t o o l k i t 提供的m a k e f i l e 文件进行编译和连接，有两种编译方法， 一种方法是采用m s d o s 方式，另一种编译方法是在v c 环境中进行。两种方 9 第二章系统开发t 具简介 法最后生成的e x e 文件完全一样，只是这两种方法的调试环境不同，由于 m a k e f i l e 文件是从u n i x 系统中移植过来的，很多规范和语法都遵循着u n i x 系统 的习惯，其编写过程比较复杂；另外在v c 调试环境下可以反复修改源程序， 所以一般采用v c 开发环境作为调试环境。 本课题所使用的平台是w i n d o w s 平台，如果不特别指明的话，本课题一律 采用v c + + 6 0 做调试器。 3 应用程序的注册 编译连接成功并生成可执行程序后，要把p r o t o o l k i t 应用程序集成到 p r o e 系统中，必须进行应用程序的注册，然后才能运行。 注册p r o t o o l k i t 应用程序，就是向p r o e 系统提供该程序的相关信息， 也就是告诉p r o e 此应用程序的可执行文件在那里、菜单资源文件和对话框资 源及信息资源文件在那里以及此程序所依据的p r o t o o l k i t 的版本信息等。需 要制定一个p r o t k d a t 文件，通过该文件来实现应用程序的注册。 编辑注册文件后，就可以利用注册文件执行p r o t o o l k i t 应用程序的注 册，有两种注册方式：一种是自动注册；另一种是手动注册。与自动注册方式 相比，手动注册方式可以在不关闭p r o e 系统的前提下反复修改应用程序，这 对于编程工作有非常实际的意义。 4 应用程序的运行 在含有p r o t k d a t 注册文件的目录下启动p r o e ，前面所生成的应用程序会自 动执行，执行结果将在p r o e 窗口内显利1 1 2 1 。 至此，p r o t o o l k i t 应用程序的全部开发过程就全部介绍完毕。 2 3d e f o r m 3 d 简介 d e f o r m 3 d 是美国b a t t e l l 研究院开发的一套基于有限元的工艺仿真系 统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。 在模拟过程中，按照变形前后体积不变原则，能够对成形过程的三维金属 流动做过程模拟分析。主要功能如下：模拟分析，自由锻、模锻、积压、轧制、 摆碾、平锻、辗锻等多种塑性成形工艺过程；模拟和分析冷、温、热塑性成形 1 0 山东大学硕士学位论文 曼曼曼皇量皇曼曼量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼量曼曼蔓曼皇曼鼍曼量曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼篡i j !m ,q! i 皇曼曼皇皇曼曼量鲁量曼舅曼曼置 问题；模拟和分析多工序塑性成形问题。 d e f o r m 3 d 有着很好的准确性和稳定性。模拟引擎在大变形金属流动， 行程载荷和产品缺陷预测等方面同实际生产相符保持着很高的精度。 自动网格生成器可以基于特定的分析过程控制局部单元尺寸优化完成网格 划分。依据分析成形过程特点，网格生成器在有精度要求的区域生成质量更优 的单元，降低了整体的计算规模和运算要求。由用户自定义的局部网格密度控 制为较高层次用户提供了更加灵活的方法。 d e f o r m 3 d 不仅提供了完善的分析功能，而且采用了直观的图形用户界 面。并提供了诸如切除飞边的布尔运算等3 d 几何模型处理的功能。f e m 引擎 同样可用于剪切和裁边的模拟计算。即使是更为复杂的机加工也可以进行模拟 【9 】。 2 4v i s u a lc + + 简介 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 ( 简称v c + + 6 o ) ，是微软可视化编程套件v i s u a l s t u d i o 的一个重要组成部分。这套w i n d o w s 应用程序开发系统是由m i c r o s o f t c c + + 演化而来的。 由于同是微软的产品，v i s u a l 平台是当前w i n d o w s 应用程序开发中，与 w i n d o w s 平台本身支持的最好的平台。可以在v i s u a lc + + 环境下使用w i n d o w s s d k 的s d k 文档提供的a p i 来进行w i n d o w s 应用程序的开发。 v c + + 6 0 最主要的技术特点：可视化编程和支持面向对象的编程技术。它 提供了一系列可视化编程的工具，如a p p w i z a r d 和c l a s s w i z a r d 等。它们使编 程更为直观。v c + + 6 0 包装了w i n d o w s 内在的复杂的运行机制，通过微软基础 类库m f c ，使得编程更为简单易学。此外，v c + + 6 0 还具有其他技术特点： 如通过a c t i v e x 技术来支持i n t e m e t 编程，支持o d b c 数据库编程等【5 】【1 3 1 。 正是由于v c + + 6 0 上述的特点，本文中，选用它作为程序调试连接的工具。 2 5 结论 本章简单介绍了本课题的系统开发工具：p r o e 、族表、p r o t o o l k i t 、 第二章系统开发1 二具简介 d e f o r m 3 d 、v c + + 6 0 等。叙述了p r o t o o l k i t 二次开发的工作模式及其应 用程序的基本结构，并详细介绍了p r o t o o l k i t 二次开发的基本过程。 1 2 山东大学硕士学位论文 第三章十字轴冷挤压成形有限元模拟分析及其模具结构确定 3 1 引言 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是随着计算机技术的发展而出现的一种有 效的离散数值计算方法。金属塑性成形数值模拟过程中最常用的有限元法为刚 塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。刚塑性有限元法适于冷加工，刚粘塑性有 限元法适于热加工及应变速率敏感性材料的塑性变形过程。在实际的金属塑性 变形中，弹性变形部分远小于塑性变形部分，尤其对于体积成形来说，可以忽 略弹性变形的影响，采用刚塑性刚粘塑性材料模型进行求解，不仅能够得到令 人满意的精度，还可以大大简化有限元列式和求解过程。同时，与弹塑性有限 元法相比较，可采用较大的时间的增加步长。在保证足够的工程精度的前提下， 可提高计算效率。此外，由于刚塑性刚粘塑性有限元法采用率方程表示，这样 材料变形后的构形可通过在离散空间对速度的积分而获得，从而避开了应变与 位移之间的几何非线性问题。所以刚塑性刚粘塑性有限元法自2 0 世纪7 0 年代 提出以后发展迅速，尤其在塑性加工领域的应用更是如此。目前，它已成为对 金属塑性成形过程进行数值模拟的重要手段9 】【1 0 1 。 本文应用有限元模拟技术对十字轴冷挤压成形过程进行模拟，并通过十字 轴类零件的双向对称挤压与单向挤压进行了对比，从而获得了模具的运动状态 对十字轴类零件挤压成形过程的影响规律，为冷挤压十字轴类零件的模具设计 提供了理论依据。 3 2 十字轴类零件有限元模拟分析 在十字轴类零件成形过程中改变模具的运动状态，通过对双向对称挤压和 单向挤压十字轴类零件来进行模拟，并对这两种模拟结果进行分析十字轴类零 件成形过程的应力应变特点，为十字轴类零件的模具设计及其工艺参数的选择 提供理论依据。 第三章十字轴冷挤压成形有限元模拟分析及其模具结构确定 3 2 1 有限元模拟分析平台的建立 在十字轴类零件挤压成形过程中，坯料产生了较大的塑性变形，而弹性变 形相对很小，可以忽略不计，可认为是刚塑性问题，因此可以用刚塑性有限元 法来分析。 从成形原理来看，既可采用单向挤压成形，也可采用双向挤压成形。究竟 采用那种方案最有利于成形，我们通过三维数值模拟软件d e f o r m 3 d 有限元 模拟软件其可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术，模拟分 析十字轴类零件变形过程中的流动情况以及应力应变情况，以确定最佳方案。 3 2 2 冷挤压十字轴类零件有限元模型的建立 应用p r o e 软件建立坯料以及凸模和凹模的三维实体，冷挤压十字轴类零 件单向挤压与双向对称挤压采用相同的模具结构，其实体图如图3 1 所示。成 形过程示意图如图3 2 和图3 3 所示。将坯料和凸、凹模以s t l 格式输出，将 模型导入d e f o r m 3 d 软件中进行模拟。 1 4 ( b ) 凸模 图3 - 1 有限元模拟所需实体图 工 ， _ _ ， 上 ： 1 x h ( c ) 凹模 1 、上冲头2 、坯料3 、上凹模4 、下凹模5 、下冲头 图3 - 2 单向挤压模具示意图图3 3 双向挤压模具示意图 爹黜 一 山东大学硕十学何论文 3 2 3d e f o r m - 3 d