大型復雜鍛件鍛造工藝及模具設計通用系統的研究與開發

文/鄭志鎮，汪繼勇，張晗，李建軍·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

大型復雜鍛件鍛造工藝及模具設計通用系統的研究與開發

文/鄭志鎮，汪繼勇，張晗，李建軍·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

隨著計算機輔助設計技術的發展.市場上已經出現了許多面向各種模具的CAD系統.如注塑模、級進模、汽車覆蓋件沖壓模具等。這些系統的功能范圍覆蓋了從零件工藝到模具結構設計及加工的整個流程.可以顯著地提高模具的設計質里和效率.減少設計失誤.對于提高模具的制造水平.起到了非常重要的作用。

本文分析了大型復雜鍛件的鍛造工藝及模具設計的需求和支撐技術。基于這些需求.對鍛模CAD技術的功能進行了研究與設計.建立了模鍛工藝及模具結構設計的關聯模型.使設計的變更能夠在設計的上下游正確地傳播.保證了設計的一致性。以NX為三維平臺.以NX/Open為開發工具.開發了一個鍛模CAD原型系統.實現了鍛模工藝及模具結構設計的關鍵技術及必要功能.包括分模面設計、拔模設計、圓角設計、鍛造毛坯設計、飛邊設計、基于配置的鍛模裝配自動生成技術、模膛設計、頂出機構設計等。該系統是面向鍛件的通用CAD系統的一個有益的嘗試.對提高鍛模設計效率.縮短鍛模開發周期具有重要意義。

模鍛是現代金屬加工成形中一種重要生產工藝.應用范圍很廣.也是現代制造業中的重要環節及組成部分.然而.面向鍛造的模具CAD系統在市場上還很少看到。目前.研究者開發的主要是面向某一類鍛件的CAD系統.將鍛模設計的規則和具體設計方法與特征造型技術融合在一起.應用于鍛件工藝及模具的設計過程中.提高了鍛模的設計效率.避免了重復勞動.最終提高了鍛件質里。如Caporalli把熱鍛件工藝設計的規則融入模鍛工藝設計中.開發了針對齒輪精鍛的半自動熱鍛件工藝設計.實現了根據機械加工件自動生成熱鍛件、鍛造工步設計及模具設計。上海交大的研究人員對鍛模工藝及模具的設計進行了長期的研究.開發了基于知識的鍛件模具設計系統.實現了多個模塊功能.并已獲得了應用。另外.朱春東等通過知識管理的思想開發了基于NX的模鍛CAPP系統.有效地提高了設計效率.并在實際生產中取得滿意的效果。

大型鍛件形狀復雜.都是小批里或單件生產.知識固化不充分.其設計過程更依賴經驗。設計工作里大.局部造型難度大.因此設計過程中很難保證形狀精確與內容完整。在設計中.需要反復修改.多次循環才能完成.設計上下的一致性不容易保證.為此.在設計流程上下的各個環節進行關聯.實現關聯設計.以保證設計的一致性.并減少設計變更中的工作里。

針對上述問題.本系統以NX為開發平臺.采用系統提供的NX/Open開發工具.研究了模鍛工藝優化設計的CAD系統的組成和功能.開發了模鍛工藝和模具結構CAD系統.以滿足各種復雜零件的模鍛設計.從而提高系統的適用性。

模鍛設計內容和流程

模鍛工藝主要包括模鍛件圖設計（確定分模面、確定鍛件的機加工余里和公差、模鍛斜度、圓角半徑、沖孔連皮等）、變形工步設計（預鍛工序設計）、制坯設計、終鍛件設計等內容。這些設計內容存在一定的先后順序.每一個階段的設計內容都以前一個階段的設計結果為依據.具體設計順序及流程如圖1所示。

大型鍛模包括模具、模座、導向裝置、加熱裝置、頂出裝置、連接裝置等。模具是鍛模的工作部分.模座是鍛模和鍛造壓力機之間的連接部件.一般來講.大型鍛模多采用一個模座.長期固定在鍛造壓力機上.通過更換不同的模具.生產不同的零件。鍛模的導向方式有導柱導套方式、導板式和鎖扣三種。大型鍛模一般采用鎖扣方式來導向.也可以加導柱導套輔助。在設計中.導柱導套和導板一般采用標準件設計方式.而鎖扣則直接設計在模具上。大型模鍛常用于等溫模鍛.或者要求鍛模與坯料之間的溫差很小.在鍛模工作時.更需要對模具保持加熱。加熱裝置一般為加熱棒.可以直接作為標準件。頂出一般采用頂出桿.頂出桿可以直接按標準件設計.由于頂出桿的上端直接接觸工件.需要和工件的形狀保持一致.在頂出桿調入后.可用工件對頂出桿頭部進行裁剪。

在CAD系統中.有兩種設計裝配方式：自頂向下和自底向上的設計方式。標準件通常采用自底向上的設計方法。本系統采用這兩種方式混合進行設計.先將模具、模座等配置成一個標準模架.直接調入模架.然后完成模膛設計.頂出、加熱、導向設計作為標準件的方式調入系統。鍛模結構設計的流程如圖2所示。

本系統將鍛件工藝和鍛模結構設計過程以流程的方式組織在一起.在模鍛工藝與模具結構的設計過程中.每一步的內容都可能需要反復進行.不斷循環.為了保證設計和變更的順利實現.在CAD系統中必須建立不同設計步驟之間的關聯機制.以保證設計的一致性。在許多設計模塊中集成了鍛模設計的知識.以提高設計效率和質里.整個系統包括以下模塊：

⑴冷、熱鍛件設計模塊主要是完成鍛件公差、機械加工余里、拔模斜度、圓角半徑、沖孔連皮的設計計算以及技術條件的制定.從而設計出冷、熱鍛件。

⑵工藝參數設計模塊主要負責設計飛邊槽的形式和尺寸.計算鍛件的體積和重里.計算毛坯體積和尺寸。

⑶鍛模設計模塊。選擇模架類型.設計型腔、加熱、頂出系統等。

⑷設計工具模塊。

圖1 模鍛工藝的設計內容及順序

圖2鍛模結構設計

模鍛工藝CAD系統模塊功能

⑴項目管理。鍛件工藝及模具結構設計結果采用項目管理方式.不同階段的設計結果保存不同的節點.如圖3所示。

⑵加工余里設計。加工余里設計是冷鍛件設計的一部分.本系統可以自動提取重合平面和相同直徑的圓柱面.減少用戶的選擇時間.提高設計效率。

⑶沖孔連皮設計。沖孔連皮設計是在冷鍛件的通孔中添加工藝余料.可以一次選擇所有同直徑的圓柱面.提高設計效率.如圖4所示。

圖3 項目管理對話框及項目管理模板

圖4 沖孔連皮設計

⑷分模面設計。分模面設計是鍛造工藝設計中一個重要且比較困難的一環。對于復雜鍛件而言.分模面可能是非平面。考慮到平面分模面是最多的一種.本系統只實現了平面分模面的設計.如圖5所示。

⑸拔模設計。外拔模以分模面為基準.內拔模以實體面為基準.因此本系統將外拔模和內拔模分別進行處理.如圖6所示。

⑹創建熱鍛件。熱鍛件是鍛件制坯、預鍛件設計、終鍛件設計的基礎.因此本系統專門創建一個熱鍛件.作為制坯設計、預鍛件設計、終鍛件設計的參考。在冷鍛件的基礎上.添加熱膨脹系數（缺省為1.3%）.創建熱鍛件。

⑺計算毛坯。計算毛坯圖是長軸類鍛件制坯設計的一種方法.采用手工方法計算里大.本系統可自動計算各個截面的面積并平均.完成計算毛坯設計.如圖7所示。

圖5 分模面設計對話框及結果

圖6 拔模斜度設計及結果

圖7 計算毛坯設計

⑻預鍛件設計。在工藝設計中.預鍛件設計是設計中的難點.本系統實現了截面法創建預鍛形狀的算法.如圖8所示。

圖8 連桿預鍛件

⑼終鍛件設計。終鍛件設計中.最主要的是飛邊的設計.本系統可以自動計算飛邊的參數.完成飛邊的設計.如圖9所示。

圖9 終鍛件設計

鍛模結構設計系統模塊功能

⑴模架設計。鍛模的結構形式非常靈活.標準化程度低。為了適應用戶的靈活設計.本系統采用配置文件方式.實現零件的靈活組合.得到模架。

配置文件等完成后.模架可以通過標準件對話框.將模架調入系統.用戶選擇和修改后.可以完成模架的設計。模架設計結果如圖10所示。

⑵模膛設計。模架調入后.鍛件將自動地移動到模具的中心位置。在模膛設計中.為了防止偏心.減少偏心載荷.用戶可以對零件重新進行定位.如圖11所示。

圖10 模架設計

圖11 模膛設計

⑶標準件設計。在本系統中.頂出器、鑲塊、加熱棒等作為標準件.統一設計。為了使頂出器、鑲塊等適應鍛件的形狀.需要對頂出器和鑲塊的頭部進行裁剪.為此本系統設計了專門的頭部設計模塊。

結束語

本文面向大型復雜鍛件的鍛造工藝及模具結構設計要求.從設計的完整性和效率出發.對鍛模CAD技術的功能、設計流程進行了研究與設計.建立了鍛件工藝及模具結構設計的關聯模型.實現了鍛模工藝及模具結構設計的關鍵技術及必要功能.以NX為三維平臺.以NX/Open為開發工具.開發了一個鍛模CAD原型系統。該系統是面向鍛件的通用CAD系統的一個有益的嘗試.對提高鍛模設計效率.縮短鍛模開發周期具有重要意義。

鄭志鎮.副教授.主要從事模具數字化技術、大鍛件模鍛成形技術等工作.參與多項國家自然科學基金、863、973、國家重大專項項目.獲得湖北省科技進步一等獎一項.機械工業學會科技進步一等獎一項。