（材料加工工程专业论文）汽车前轴精密成形辊锻及模锻工艺与模具cad技术开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 前轴是汽车的关键零件，传统的前轴锻造工艺设备投资大，且设备使用维修困难， 一般汽车零部件很难承受。精密成形辊锻及模锻复合成形工艺，具有设备投资少、工 艺适应性强、材料利用率高等优点，但对于所需要的模具仍采用手工设计与传统的方 法制造，严重制约了该精密成形工艺的应用。因此有必要在现有的功能强大的三维设 计软件u g 的基础上开发出专用的前轴精密成形辊锻及模锻工艺与模具c a d 系统( 简 、 称为前轴c a d 系统) ，以提高设计效率，缩短产品的开发周期。 本文首先综述了国内外锻模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。 介绍了锻模设计中模锻工艺及模具设计的主要内容，分析了常见的前轴锻造工艺 锤上模锻工艺、热模锻压力机上模锻工艺和辊锻工艺的特点，通过几种工艺的比 较分析了前轴精密成形辊锻及模锻复合成形工艺的优越性。 然后介绍了前轴c a d 系统的功能需求、设计思想和总体结构，叙述参数化技术 在前轴c a d 系统中的应用。 在分析传统计算毛坯工艺设计的不足的基础上，论述了前轴c a d 系统获取计算 毛坯横截面面积的原理，对比恒定步长算法，提出了一种变步长的算法。然后介绍了 锻件设计和锻模设计等功能模块的实现，并以z c l 0 2 2 前轴为例，说明了前轴系统所 能完成的功能和系统的推广使用，分析了其尚待解决的问题。 关键词：成形辊锻模锻复合成形工艺模a 。参数化 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef o r w a r ds h a f ti sak e ya u t o m o b i l ep a r t t h ec o n v e n t i o n a l f o r g i n gp r o c e s so f f o r w a r ds h a f ts p e n d sm o r ee x p e n s e so ne q u i p m e n t s s e r v i c i n gt h ee q u i p m e n ti sd i f f i c u l t t h ef o r g i n go fc o m m o na u t o m o b i l ep a r t sc a n te n d u r et h i sp r o c e s s t h ec o m b i n e df o r m i n g p r o c e s so f p r e c i s i o nf o r m i n g r o l lf o r g i n ga n dd i ef o r g i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s t h i sp r o c e s s s p e n d sl i t t l ee x p e n s e so ne q u i p m e n t s i th a ss t r o n ga d a p t a b i l i t ya n d c a nm a k eg o o du s eo f m a t e r i a l s b u tt h ed i e sa r es t i l ld e s i g n e db yh a n d w o r ka n dm a d eb yc o n v e n t i o n a lm e t h o d s t h e s eg r e a t l yr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no ft h ep r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s s i t sn e c e s s a r yt o d e v e l o p a s p e c i a lp r e c i s i o nf o r m i n g r o l lf o r g i n ga n dd i ef o r g i n gp r o c e s sa n dc a d s y s t e mo f f o r w a r ds h a f t ( n a m e df o rs h o r tt h ec a ds y s t e mo ff o r w a r ds h a f t ) b a s e do nu gs oa st o i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f d e s i g na n dt os h o r t e nt h ep e r i o do f p r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t t h i st h e s i ss u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n ds t a t u sq u oo ft h ed i ef o r g i n g c a d s y s t e mi n t e m a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y , p o i n t e do u tt h ep r o b l e ma n dt h et r e n do f t h e c u r r e n td i ef o r g i n gc a d s y s t e m t h ea u t h o ri n e d u c e dt h em a i nc o n t e n to ft h ed i ef o r g i n gp r o c e s sa n dd i ed e s i g n ， a n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro f s e v e r a lf a m i l i a rf o r g i n gp r o c e s s e so ff o r w a r ds h a f t ，s u c ha sd r o p f o r g i n g 、d i ef o r g i n ga n dr o l lf o r g i n g t h e nt h e a u t h o ra n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so ft h e c o m b i n e df o r m i n gp r o c e s so fp r e c i s i o nf o r m i n gr o l lf o r g i n ga n dd i ef o r g i n gp r o c e s so f f o r w a r ds h a f tt h r o u g hc o m p a r i n gt h es e v e r a lf o r g i n gp r o c e s s e s 、 ，i t l le a c ho t h e r t h ea u t h o ra l s oi n e d u c e dt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t 、t h ed e s i g n i n gi d e aa n dt h e s t r u c t u r eo ft h ec a ds y s t e mo ff o r w a r ds h a f ta n dt h e nd e p i c t e dt h ea p p l i c a t i o no f p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y i nt h es y s t e m i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g e so ft h ec o n v e n t i o n a lb l a n kd e s i g n i n gp r o c e s s ，t h e a u t h o rp r e s e n t e dt h ep r i n c i p l et oo b t a i nt h ec r o s ss e c t i o na r e ao ft h ef o r g i n gb yt h ec a d s y s t e m b yc o m p a r i n g w i t ht h ea r i t h m e t i co fc o n s t a n ts t e pl e n g t h ，t h ea u t h o rp r e s e n t e da l l l i 华中科技大学硕士学位论文 a r i t h m e t i co fv a r i a b l es t e pl e n g t h t h e - a u t h o ri n t r o d u c e dt h er e a l i z a t i o no ff o r g i n gd e s i g n 、 t h ef o r g i n gd i ed e s i g na n ds oo n t a k i n gz c l 0 2 2f o r w a r ds h a f ta sa ne x a m p l e ，t h ea u t h o r i n t e r p r e t e dt h ef i m c t i o no f t h es y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n a tl a s t ，t h ea u t h o ra n a l y z e ds o m e p r o b l e m st ob er e s o l v e do f t h ec a ds y s t e m f o rf o r w a r ds h a f t k e yw o r d s ：f o r m i n gr o l lf o r g i n g d i ef o r g i n gc o m b i n e df o r m i n gp r o c e s sc a do fd i e p a r a m e t r i c i n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章分析了课题的来源和意义，介绍国内外锻模c a d 的发展状况及发展趋势 最后介绍作者的主要研究工作。 1 1 课题的来源和意义 图1 1 前轴锻什 前轴( 图1 1 ) 是汽车上承受载荷较大的重要保安件之一，要求具有较高的强度和 疲劳寿命。该零件形状复杂，虽然左右形状对称，但其截面起伏较大，特别是钢板位、 限位块部位具有深而窄的截面，这些都给辊锻和模锻工艺带来困难，因而其模具设计 较为复杂。市场经济和计算机技术的飞速发展，极大地推动了前轴产品结构的更新换 代，采用传统的手工绘图以及二维的c a d 软件设计模具和手工编制n c 代码制造模具 已经远远不能满足市场瞬息万变的需要。因此华中科技大学塑性成形模拟及模具技术 国家重点实验室和谷城车桥股份有限公司联合申请了科技型中小企业技术创新基金资 助项目，本课题即是该项目的预研项目。 开发前轴精密成形辊锻及模锻工艺与模具c a d 技术的基本原理与思路是：以前 轴精密成形辊锻和模锻相结合的复合成形工艺为基础，以u g 为软件平台，开发高水 平的前轴精密成形辊锻及模锻工艺与模具c a d 软件，实现前轴锻件生产所需全部锻 华中科技大学硕士学位论文 模的自动化和半自动化设计，能提高设计效率6 8 倍，结合前轴精密成形辊锻和模锻 模具c a m 技术，能综合提高制造效率2 3 倍。 首先采用成形辊锻工艺实现前轴中段工字型断面的成形和两端的制坯，接着在 2 5 m n 商能螺旋压力机上整体模锻对两端进行终锻成形和全长整形。这种复合成形工 艺彻底克服了单纯成形辊锻前轴长度误差大和1 2 0 m n 热模锻压力机上整体模锻设备 昂贵的缺点，使前轴的关键尺寸即前轴锻件的长度尺寸精度达到1 2 0 m n 热模锻压力 机上整体模锻的水平，同时其设备投资仅为整体模锻工艺所需设备投资的1 1 0 。 利用u g 软件平台的参数化技术，通过定义一组参数包括几何约束和尺寸约束来 控制设计的结果，并能通过修改这组参数来调整整个设计模型，因此，能更方便的创 建一系列在形状和功能上相似的设计方案，将大大提高产品的开发和设计速度。 1 2 国内外锻模c a d 系统的发展概况 1 ，2 1 国外锻模c a d 系统的发展概况 国外从6 0 年代初就开始了模具c a d c a m 的研究工作，到7 0 年代已经研制了模 具c a d c a m 的专门系统。锻模c a d 最初始于美国加利福尼亚m a r t i nm a r i e t t ao 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、西德的一些公司开始使用独 立的系统设计和制造锻模。 荚国空军材料实验室( 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t c i 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 华中科技大学硕士学位论文 学已经在v a x i l - - 7 8 0 计算机上用f o r t r a ni v 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。 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k z 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 2 2 国内锻模c a d 系统的发展概况 由于硬件资源的影响，我国模具c a d c a m 的研究工作起步较晚，起步于7 0 年 华中科技大学硕士学位论文 代末，经过近2 0 年的发展取得了一些成果。 清华大学开发了一个建立在a u t o c a d 软件平台上的曲轴锻模c a d 系统【3 5 】，。提供 了一系列适用于曲轴锻模设计的实用功能，设计师可以利用这些功能进行曲轴锻件、 热锻件、预锻件和锤锻模的设计，同时还可以利用a u t o c a d 的各种工具进行图形处 理。 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 ) p 2 。该系统采用i d e f o 建模方法建立功能模型，采用统一的数据结构， 直接从c a d 中产生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。 南昌大学机电研究所开发了摇臂类锻件锻模c a d 1 4 】。该系统利用a u t o c a dr 1 2 0 的a m e ( 高级造型扩展) 模块完成摇臂类锻件的三维实体造型，可以完成从截面面积 计算到出模具图的一系列工作。主要实现的功能有：三维造型、造型的数据处理、截 面计算、有关制坯型槽、飞边槽和钳口及模块设计等设计工作。 大连铁道学院开发一种连杆锻模c a d 系统【5 0 l 。该系统以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，使用者只需输入零件几何参数，即可自动进行冷、热锻件、 模锻工艺及锻模的设计，适用于两头一杆锻件的锻模设计。 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i5 1 i 。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。 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究和开发。 1 2 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： 华中科技大学硕士学位论文 ( 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 n u 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 机的整体已提上议事日程，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，己不 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 华中科技大学硕士学位论文 - - i _ o ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! o ! ! ! ! ! ! o 苎! ! o _ o ! ! ! ! ! o o ! ! ! o _ _ _ ! ! ，o o ! ! o _ o _ i o ! ，_ o l o _ _ _ 一il o i o - i _ _ 一 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 特征阳j 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。 1 3 作者的主要研究工作 在攻读硕 学位期间，作者参与了科技型中小企业技术创新基金资助项目和华中 科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室丌放课题等课题的研究丌发，主要 做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 阅读并消化了国内外关于模具c a d 方面的资料，充分了解掌握锻模c a d 、 系统的国内外发展现状。 ( 2 ) 以u g 为软件平台，开发前轴精密成形辊锻及模锻工艺与模具c a d 系统， 其具体内容为： 1 ) 实现前轴锻件三维实体的半自动自动设计； 2 ) 实现计算毛坯的半自动自动设计； 3 ) 实现前轴第一、二道制坯辊锻模和第三道成形辊锻模模膛的半自动自动设计； 4 ) 实现自u 轴整体模锻模膛的半自动自动设计。 ( 3 ) 将参数化技术应用于前轴c a d 系统，增强软件修改的灵活性。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 前轴复合成形工艺及前轴0 a d 系统的总体结构 本章介绍锻模设计的具体内容及设计步骤，介绍常用模锻工艺各自的特点，分析 前轴模锻和辊锻复合成形工艺的优越性，描述前轴c a d 系统的主要功能、设计思想 和总体结构，并介绍参数化技术的原理和基本方法，以及参数化技术在前轴c a d 系 统中的应用。 2 1 锻模设计的主要内容 锻模的设计步骤如下： ( 1 ) 根据零件图制定冷锻件图： ( 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 ) 决定设备吨位：为了能分析比较，一般需用二个以上的不同公式进行计算； ( 4 ) 设计热锻件图和终锻模膛； ( 5 ) 决定飞边槽的型式和尺寸： ( 6 ) 作计算毛坯图( 用坐标纸) ； ( 7 ) 选择制坯工步； ( 8 ) 决定坯料尺寸( 应按标准规格选择) ； ( 9 ) 设计预锻模膛： ( 1 0 ) 设计制坯模膛； ( 1 1 ) 模具结构设计： ( 1 2 ) 绘制锻模图、切边模图等。 锻模设计主要包括工艺设计和模具结构设计两大部分。 2 1 1 模锻工艺设计 模锻工艺设计主要包括下面的内容： 华中科技大学硕士学位论文 l 、锻件图设计 模锻生产过程、工艺规范制订、锻模设计、锻件检验及锻模制造，都离不开锻件 图。锻件图根据零件图设计，设计时应解决下列问题：确定分模位置；确定机械加工 余量和锻件公差：确定模锻斜度和圆角半径：确定冲孔连皮的型式和尺寸。 2 、终锻模膛设计 终锻模膛是锻模上各种模膛中最主要的模膛，用来完成锻件最终成形。终锻模膛 按照热锻件图加工制造和检验，其主要内容是绘制热锻件图、确定飞边槽的型式和尺 寸、确定钳口尺寸。 3 、预锻模膛设计 预锻模膛使制坯后的坯料进一步变形，以保证终锻时获得成形饱满、无折叠、无 裂纹或者其他缺陷的优质锻件，同时有助于减少终锻模膛的磨损。预锻模膛根据终锻 模膛或热锻件图为基础进行设计。 4 、制坯工步选择 制订模锻工艺过程的主要任务是确定制坯工步。制坯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。制坯工步的选择就是确定在终锻或预锻前，需要进行哪些制坯工步。 5 、制坯模膛设计 长轴类锻件的制坯模膛根据计算毛坯截面图和计算毛坯直径图设计。 6 、毛坯体积计算与尺寸确定 根据计算出的锻件的体积和重量，再考虑到飞边、连皮等，可以计算出毛坯的体 积和重量，并据此查找毛坯的标准型号，确定出毛坯的截面形状和下料尺寸。 7 、锻造载荷的计算 布置模膛的位置、校核模具的强度和选用锻造设备等。都需要计算锻造载荷、能 量和压力中心。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 锻模结构设计 锻模结构设计主要包括下面的内容： “ 1 、模膛的布排 模膛的布排根据模膛数量以及各模膛的作用和操作顺序安排，对终锻、预锻模膛 和制坯模膛的要求不同。一般在确定终锻和预锻模膛后按工步顺序安排制坯模膛。 2 、模块的设计 从锻模的强度出发，一般根据经验公式和图表确定模具的模块高度、模壁厚度、 承击面积以及燕尾根部的转角。 3 、模块的尺寸 锻模尺寸与模膛数量、模膛尺寸、模壁厚度和模膛的布排方法等有关，同时还应 考虑与设备规格相符合的问题。锻模的尺寸主要有以下参数：锻模的宽度、长度、高 度、检验角。另外还要确定锻模中心与模块中心的关系。 4 、紧固件的设计 包括用来紧固锻模的楔块和定位键，可按“锻模设计标准”进行设计。 2 2 常用模锻工艺的特点 模锻是成批或者大批大量生产锻件的主要锻造方法。其特点是，在锻压机器动力 作用下，毛坯在锻模型槽中被迫塑性流动成形，从而获得质量很高的锻件州。最常用 的模锻工艺包括锤上模锻、热模锻压力机模锻和辊锻工艺三种。 2 2 1 锤上模锻 锤上模锻已具有老化特征，但是直到现今在国内外的锻造行业中，仍然占有非常 重要的地位。这是因为锻锤与其他锻压设备相比，具有工艺适应性广、设备造价较低 的优点。模锻锤的打击能量可在操作中调整，能够实现轻重缓急打击。毛坯在不同能 量的多次锤击下，经过镦粗、打扁、拔长、滚挤、弯曲、卡压、成型、预锻和终锻等 各类工步，使各种形状的锻件得以成形。但是锤上模锻工作时的振动和噪音大。 9 华中科技大学硕士学位论文 i 2 2 2 热模锻压力机上模锻 与锤上模锻相比，热模锻压力机上模锻锻件具有下列优点： ( 1 ) 机械加工余量和锻件公差小； ( 2 ) 模锻斜度小； ( 3 ) 锻件各处的机械性能较为一致，流线分布比较均匀。 热模锻压力机生产率比较高；易于实现锻造过程的机械化和自动化；对工人的操 作技巧要求较低，能减轻劳动强度。但是也有以下缺点： ( 1 ) 在锻造过程中，金属沿水平方向流动较为强烈，形成较大的飞边： ( 2 ) 滑块行程不能调节，不适宜进行拔长、滚挤等制坯操作； ( 3 ) 采用闭式模锻工艺时，对下料重量准确程度要求较高，否则容易发生闷车， 中断生产，甚至损坏模具或设备； ( 4 ) 坯料的加热质量要求较高； ( 5 ) 热模锻压力机主机价格昂贵，并且需要配上必要的监控装置和附设装置才能 正常发挥效能，因此采用热模锻压力机工艺的设备一次投资费用大。 、 2 2 3 辊锻 辊锻工艺是目前锻压生产中具有一定发展前途的先进工艺之一，它是在一般轧制 工艺的基础上逐步发展起来的，辊锻变形的实质是坯料的延伸变形过程。所谓辊锻是 使金属坯料( 冷态的或是热态的) 在装有上下两个相反方向旋转的轧辊上的扇形模块 中发生塑性变形，坯料在高度方向经辊锻模压缩后，除一小部分金属横向流动而使坯 料宽度略有增加外，大部分被压缩的金属沿着坯料的长度方向流动。被辊锻的毛坯， 横截面积减小，长度增加。即坯料凡是经过辊锻的部位其横截面积就减小。由辊锻变 形的实质可见，它适合用于减小坯料截面及沿锻件轴向分配金属体积等变形过程。 辊锻工艺按其用途可分为两类：制坯辊锻和成形辊锻。 l 、制坯辊锻 对于长轴类锻件来说，模锻前的制坯工序主要为拔长和滚挤，即沿坯料长度方向 1 0 华中科技大学硕士学位论文 上进行金属分配。采用辊锻制坯，微率高，质量好，材料利用率高。在生产中辊锻机 常与热模锻压力机或其他模锻设备组成模锻机组，进行大批量模锻生产。 2 、成形辊锻 在辊锻机上实现锻件的终成形、部分成形或初成形的锻造过程称为成形辊锻。成 形辊锻工艺按锻件在辊锻机上的成形程度可分为三种类型： ( 1 ) 完全成形辊锻：在辊锻机上实现锻件成形锻造的工艺过程称为完全成形辊锻。 这种工艺多用于型槽较浅、形状较为简单的锻件和叶片类锻件的直接辊锻成形。例如 医用镊子的冷辊锻成形工艺 ( 2 ) 初成形辊锻：在辊锻机上实现锻件的基本成形( 即完成相当于模锻工艺中的 预锻工步或超过预锻工步的成形程度) ，然后再在较小吨位的压力机上进行整形的锻造 工艺过程称为初成形辊锻。本课题研究采用的辊锻与模锻复合成形工艺中的第三道成 形辊锻就属于初成形辊锻。 ( 3 ) 部分成形辊锻：锻件上的一部分形状在辊锻机上进行成形锻造的工艺过程称 为部分成形辊锻。 成形辊锻工艺和其他锻造方法相比具有如下特点： ( 1 ) 生产效率高。多型槽成形辊锻的生产率与锤上模锻大体相当，而单型槽一次 成形辊锻的生产率则有显著提高。 ( 2 ) 所需设备吨位小。因为辊锻是逐渐连续的变形过程，变形时模具只与毛坯的 一部分接触，所需变形力小。 ( 3 ) 辊锻过程冲击、振动、噪音等公害小，劳动条件好。 ( 4 ) 辊锻是连续的交形过程，便于实现机械化与自动化 但是辊锻也有其工艺局限性，辊锻在坯料长度方向上的尺寸误差比较大，锻件外 观质量较差，并且只适用于长轴类和板片类中的部分锻件。 2 3 汽车前轴复合成形工艺的优越性 根据国家汽车工业发展规划纲要，我国汽车工业在“十五”期间将形成3 0 0 万辆 华中科技大学硕士学位论文 汽车的年生产规模，其中，前轴的需要量约为1 5 0 余万件。 目前，我国具备批量生产汽车前轴生产线的厂家除了三环集团谷城车桥有限公司 外，尚有一汽的1 2 5 m n 热模锻压力机模锻曲轴、前轴生产线；二汽的1 2 0 m n 锲式热 模锻压力机模锻生产线及济南汽车制造厂的1 6 0 m n 模锻曲轴、前轴模锻生产线。以 上三厂生产能力约为2 5 万件左右，国内其他小厂能力之和不到3 0 万件，且工艺水平 落后，产品质量差，并逐渐被淘汰，因此，汽车前轴的生产能力远不能满足市场的需 要。 “汽车前轴成形辊锻工艺”是谷城车桥有限公司的专利技术，属国内外首创，因 此，前轴精密成形辊锻及模锻工艺与模具c a d 属于高度专业化的软件技术，找不到 可以进行比较的同类工艺和同类软件技术，所以，只能同国内外也属于先进的生产前 轴的模锻工艺和锻模的设计与加工技术相比较。 如前所述，汽车前轴生产主要有1 2 0 m n 热模锻压力机模锻、1 6 t 模锻锤模锻和成 形辊锻三种工艺。 l 、1 2 0 m n 热模锻压力机模锻工艺：主要特点是生产线自动化程度商，生产率高， 锻件质量好，基本无公害。但设备、厂房和公用配套设施投资大，若建成年产1 0 万件 汽车前轴生产线需投资2 亿多元，另外其工艺装备制造周期长。现有同本、德国和我 国一汽、二汽采用这种较先迸的生产工艺。一汽和二汽在1 2 0 m n 热模锻压力机模锻 之前，还加入了制坯辊锻。 2 、1 6 t 蒸空模锻锤生产工艺：与1 2 0 m n 热模锻压力机工艺相比，1 6 t 锤模锻 工艺投资较小，在国内外的汽车厂中使用较广。但其生产效率较低，需有大型锅炉或 空压站作为动力源，厂房要求抗震，该工艺带来的震动和噪声公害难以解决。另外我 国的南汽、包头6 1 7 厂等汽车前轴生产厂家还采用5 1 0 t 锤模锻工艺。由于使用不 同吨位的锻锤和分段调头锻压、工人劳动强度大、火次多、能耗高、产品肥头大耳、 加工成本高。 华中科技大学硕士学位论文 | 1 制坯辊锻i2 制坯辊锻2 l巾9 3 0 m m 辊锻机 图2 1 制坯辊锻一1 2 0 m n 热模锻压力机上模锻工艺 图2 2 精密成形辊锻与模锻复合成形工艺 3 、成形辊锻工艺：该工艺将圆钢通过制坯、预成形、终成形三道次辊锻制成带飞 边的锻件，然后通过局部整形、切边、弯鳆、热校正获得最终锻件。其投资小、生产 率高，适应多品种生产。缺点是：前轴锻件长度尺寸波动大，两端的“拳头”角度不 星塑型：旦塑堡蜜：丛婴堕量墼薹! 1 3 产警 亚一 登 华中科技大学硕士学位论文 4 、汽车前轴精密成形辊锻及模锻复合工艺：本课题采用的是精密成形辊锻及模锻 复合成形工艺。它是在成形辊锻工艺基础上，引入整体模锻工艺，原理上汲取各自优 点，但组成优于两者的新工艺。首先采用两道制坯辊锻和一道初成形辊锻工艺实现前 轴中段工字型断面的成形和两端的制坯，接着在2 5 m n 高能螺旋压力机上进行弯盐和 整体终锻成形。其整体终锻成形是指对两端的“拳头”终锻成形，而对中段工字型部 分只是起整形作用，因此所需设备吨位小。这种复合成形工艺产品质量好，材料利用 率高，能耗低，彻底克服了单纯成形辊锻前轴长度方向上误差大和在1 2 0 m n 热模锻 压力机上整体模锻设备昂贵的缺点，使前轴的关键尺寸即前轴锻件的长度尺寸精度达 到1 2 0 m n 热模锻压力机上整体模锻的水平，同时其设备投资仅为整体模锻工艺所需 设备投资的1 1 0 ：模具寿命提高1 2 倍：由于飞边小、金属流线连续分布，前轴的疲 劳寿命提高5 0 ：其工艺适应性好。该工艺是对成形辊锻工艺的继承和发展，赋予传 统的成形辊锻工艺以新的活力。 d u 轴锻件两种主要的模锻生产工艺路线及其所采用的模锻设备对比如图2 1 和图 2 2 所示。 表2 1 主要技术性能指标同国内外同类产品先进技术指标的比较 ! ：艺类别 制坯辊锻+ 整体模锻成形( 一汽、精密成型辊锻及模锻( 谷城 项目 二汽)车桥) ( 三维实体造型+ 参数化设 模具设计手工经验+ c a d 绘幽 计) c a d 。设计效率提高2 3 倍 ( 一汽) 仿形铣( c a d ) c a m ，实现了自动 模具制造 ( _ 二汽) 仿形铣+ 电火花编穰 每根前轴锻件e 边金属 损耗( 以4 顿载重车前轴 1 0 1 0 5 k g 7 4 k g ，节约金属材料2 6 为例) 3 1 k g 弯曲疲势寿命 1 0 0 万次，超过日产柴标准 1 2 0 m n 热模锻压力机：2 亿元；1 6 t分别是模压机和模锻锤i ：艺 投资 模锻锤：6 0 0 0 万元 的1 1 0 和1 3 通过比较可以看出，前轴精密成形辊锻及模锻c a d 系统在辊锻和模锻复合成形 华中科技大学硕士学位论文 的基础上，利用u g 强大的曲面造型和参数化技术，能提高锻模设计与制造的速度和 质量，进而提高锻件质量，减少成型辊锻和模锻时的毛边金属损耗，提高锻件的材料 利用率，缩短产品开发周期，创造良好的经济效益。 2 4 前轴c a d 系统的需求分析 传统的锻模设计过程复杂，设计效率低，数据处理量大，为了克服这些缺陷，前 轴c a d 系统应具备下面的功能： l 、前轴零件、锻件三维实体的自动半自动设计。 2 、计算毛坯截面图与计算毛坯直径图的自动设计与计算、锻件体积和重量的计算、 原始毛坯的尺寸计算。 3 、前轴精密成型辊锻及模锻模具型腔、模具结构的自动半自动设计。 4 、设计结果便于修改，充分利用参数化技术。 5 、具有良好的用户界面。操作方便，即对于缺乏计算机知识或专业知识的人员也 能够方便的进行操作：具有较好的容错机制，即使用户进行了误操作，也不致于使系 统崩溃。 2 5 前轴c a d 系统的设计思想和系统结构 前轴c a d 系统的设计思想就是以u g 为图形设计的支持平台，利用u g 提供的二 次开发语占u g o p e na p i 以及辅助开发模块u g o p e nm e n u s c r i p t 和u g o p e n u i s t y l e r ，使用v i s u a lc + + 6 0 作为开发环境进行二次开发，充分利用u g 的参数化技 术，开发出基于u g 的具有高度针对性和实用性的专业化的前轴c a d 系统。 2 5 1c a d 软件平台u g 美国u g s 公司的u g 软件是一种公认的离水平的三维设计软件，它不仅具有强大 的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，其强大的参数化技术也 便于设计结果的修改，同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于零件或模 华中科技大学硕士学位论文 具自可数控j n - r 。另外，它所提供的二次开发语言模块u g o p e ng r i p 、u g o p e n a p i 和辅助开发模块u g o p e nm e n u s e r i p t 与u g o p e nu i s t y l e r 及其良好的高级语言接 口，使u g 的图形功能和计算功能有机的结合起来，便于用户开发专用的c a d 系统。 2 5 2 前轴c a d 系统结构 前轴c a d 系统结构图如图2 3 所示。 图2 3 前轴c a d 系统结构 锻件设计主要是热锻件的设计，在做出锻件的实体造型之后，提供用户一个友好 6 华中科技大学硕士学位论文 的界面，使用户能够很方便的修改锻件的各种尺寸，得到新的锻件。 工艺设计包括获取锻件横截面面积数据和计算毛坯横截面直径数据以及多种参数 的计算。能够按照恒定步长和变步长两种方式截取锻件横截面，并保存横截面面积和 直径数据到相应的数据文件；用户输入锻件材料密度、飞边槽单边横截面面积和飞边 槽充满系数等参数，能够得到锻件的体积、重量和长度：能够自动绘制计算毛坯截面 图和计算毛坯直径图，并能够对截面图和直径图按照金属体积不变的原则进行简化处 理；能够自动计算并显示辊锻制坯工步所需要的主要参数； 锻模设计包括三道辊锻模具和整体模锻模具等主要锻模的设计。在做出锻模的实 体造型之后，提供用户一个友好的界面，使用户能够很方便的修改锻模的各种尺寸， 得到新的锻模。 2 6 参数化技术在前轴g a d 系统中的应用 传统c a d 制图的着眼点是如何更方便快捷地绘制和修改图形元素，设计师只关 心图形的形状，c a d 系统无法支持概念设计，在设计过程中系统难以反映设计师的设 计意图，比如如何选择设计的约束、修改及求解。如何要求系统的功能和其他知识， 因而造成c a d 系统的效率较低。随着工程设计和工程制图中计算机辅助技术应用的 更加广泛和深入，设计师对图形的整体修改产生了强烈的兴趣和需求，自然希望把他 所关心的某类图形中共性的东西提取出来作为参数，通过对参数的修改，实现以较少 的操作来完成新的设计方案，而参数化设计技术则是实现这一理想的技术基础。 2 6 1 参数化设计的原理 参数化设计的思想最早可追溯到6 0 年代s u t h e r l a n d 开发的人机图形通讯系统 s k e t c h p a d 。在该系统中，首次利用几何约束概念辅助生成和编辑零件的几何图形， 并通过非线性约束方程确定2 d 几何形体的位置在近4 0 年的发展历史中，参数化造 型技术得到了飞跃的发展，特别是8 0 年代中后期，受到越来越广泛的重视。目前，已 有许多商品化的c a d 系统应用了参数化造型技术，如p r o e 、u g 、i d e a s 等。 华中科技大学硕士学位论文 参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸 关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果 的修改受尺寸驱动。生产中最常用的系列标准件就是属于这一类型。 参数化设计的基准点是：原始图和修改后的图形在结构上是不变的。 参数化设计技术的指导思想是：在设计对象的结构形状比较定型的基础上，用一 一 组参数来约束尺寸的关系，只要使用者给参数赋予不同的值，就可以得到不同大小和 形状的零件模型，这种方法也称尺寸驱动。 模型的参数约束分为两大类： ( 1 ) 几何约束例如：相互平行、相互同心、两线等长，这样的约束是确 定它们的几何关系，而这种几何关系在未来的设计中是保持不变的。 ( 2 ) 尺寸约束例如：长度、高度、锥角、半径，这样的约束是确定它们的 尺寸大小和相对距离，在将来的设计中，这些尺寸可能改变，也可能被另外的零件引 用。 2 6 2 参数化技术的基本方法 从基于约束的参数化技术的实施机理来看，目前主要有两大类型： l 、编程参数化 这种方法通过分析模型的特点，确定样板各尺寸之间的数字关系，给定输入参数， 然后确定其它参数的值，并用高级语言在c a d 系统中加以实现。这种方法主要适用 于结构较稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合，常见于在通用商品 c a d 软件上进行二次开发，如进行标准件和常用件的建库工作等，故局限性很大。 一 2 、人工交互参数化 ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法这是一种面向非线性方程组整体求解代数方 法。它将集合形状看作为一系列特征点，将约束关系转换成以特征点为变化的非线性 方程组，通过迭代求解，从而确定出集合细节这种方法适用于很大范围约束类型。 且循环约束可通过约束方程组的联立求解得到处理，但它难以避免数值求解稳定性差 华中科技大学硕士学位论文 的缺点，方程组整体求解的规模和速度难以控制，且迭代初值的选取在很大程度上也