基于CARD和Pro／E 二次開發(fā)的軋機零件參數(shù)化設(shè)計?

曾慶蘆，李鉑濤，劉 昊，帥美榮，

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省冶金設(shè)備設(shè)計理論與技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030024）

0 引言

目前，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)加工制造的產(chǎn)品通常都是系列化、標準化的，80%以上的新規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計是在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上作少量的修改得到的。借助于計算機實現(xiàn)這一設(shè)計過程時，只要輸入幾個基本參數(shù)，由程序?qū)?shù)作相應(yīng)的處理即可迅速生成圖形，這就是參數(shù)化設(shè)計理念［1-2］。Pro／E參數(shù)化是指零件或組件通過被賦予的特征值來控制其形狀或拓撲關(guān)系，且特征值之間互相關(guān)聯(lián)，該技術(shù)在齒輪、軸等結(jié)構(gòu)比較簡單的產(chǎn)品設(shè)計方面得到了應(yīng)用和推廣［3-4］。三輥Y型軋機3個軋輥呈Y型分布，互成120°，高度對稱分布［5］，適合參數(shù)化設(shè)計。本文將三輥Y型軋機連軋棒材孔型設(shè)計系統(tǒng)（CARD系統(tǒng)）和Pro／E二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)相結(jié)合，從而實現(xiàn)了孔型與軋機零部件的快速生成。

1 計算機輔助孔型設(shè)計軟件

該計算機輔助孔型設(shè)計（CARD）軟件適用于Y型軋機連軋直徑Φ10mm～Φ30mm棒線材的孔型計算，其基本功能為：利用優(yōu)化算法，以能耗最低為目標函數(shù)，以延伸率為決策參數(shù)，獲得優(yōu)化后的孔型延伸系數(shù)后，配合MATLAB計算功能，實現(xiàn)與AutoCAD的連接，自動完成孔型設(shè)計過程的參數(shù)計算、繪圖及孔型自動輸出。計算機輔助孔型設(shè)計流程如圖1所示。

1.1 孔型設(shè)計工藝參數(shù)輸入

棒材連軋工藝參數(shù)輸入界面如圖2所示，輸入?yún)?shù)包括道次、孔型類型、孔型形狀要素、輥縫、填充系數(shù)和延伸系數(shù)等。

圖1 計算機輔助孔型設(shè)計流程

圖2 棒材連軋工藝參數(shù)輸入界面

1.2 孔型設(shè)計計算參數(shù)輸出

孔型設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，主要包括尺寸幾何參數(shù)數(shù)學(xué)模型和力能參數(shù)數(shù)學(xué)模型。該孔型幾何參數(shù)主要包括延伸系數(shù)、孔型內(nèi)切圓直徑、孔型面積、壓下量、寬展、軋件面積、軋制速度和接觸面積等。該孔型設(shè)計力能參數(shù)主要包括軋制壓力、軋制力矩等。圖3為棒材連軋第一道次、第二道次的孔型尺寸幾何參數(shù)和力能參數(shù)。這些計算參數(shù)為進一步的零部件參數(shù)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)。

圖3 計算參數(shù)輸出界面

2 參數(shù)化設(shè)計原理

與傳統(tǒng)二維參數(shù)化設(shè)計不同，本文是通過交互模式，應(yīng)用Pro／E軟件建立三維模型；通過添加若干組設(shè)計參數(shù)或關(guān)系式建立數(shù)據(jù)庫；利用Pro／Toolkit工具箱提供的相關(guān)函數(shù)對模型進行控制［6］。即對零部件的幾何參數(shù)編寫程序，通過查找、賦值過程，起到控制并改變其幾何參數(shù)的目的。參數(shù)化設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 參數(shù)化設(shè)計的基本流程

3 參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用實例

在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，將計算機輔助孔型設(shè)計系統(tǒng)（CARD）與Pro／E參數(shù)化設(shè)計相結(jié)合。即CARD系統(tǒng)負責(zé)計算力能參數(shù)，通過全局變量傳遞并由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行比較和篩選，最終獲得零件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。Pro／E負責(zé)參數(shù)化設(shè)計，通過Pro／Toolkit函數(shù)進行尺寸控制。這樣二者結(jié)合便可獲得理想的三維模型。

3.1 主動軸數(shù)學(xué)模型的設(shè)計

（1）確定最小軸徑。三輥軋機機架和傳動軸具有通用性，所以為保證強度要求，在確定最小軸徑時，必須選取最大軋制力和軋制力矩作為軸徑設(shè)計參數(shù)，按下式初步估算軸的最小直徑：

其中：P為傳動軸的功率，kW；n為傳動軸的轉(zhuǎn)速，r／min；A0為取決于軸的材料和受載情況的系數(shù)，對于調(diào)質(zhì)處理的45鋼，A0=126［7］。

根據(jù)上式初算得到了最小軸徑后，再考慮鍵傳動對強度的影響，一般來說每增加一個鍵槽，軸徑增加5%［8］。

（2）設(shè)計主動軸裝配結(jié)構(gòu)。主動軸裝配簡圖如圖5所示，包括軋輥、滾動軸承、錐齒輪和聯(lián)軸器等。

圖5 主動軸裝配簡圖

（3）傳動軸參數(shù)化設(shè)計。通過對Pro／E進行二次開發(fā)，實現(xiàn)對傳動軸的參數(shù)化設(shè)計。圖6為傳動軸參數(shù)化設(shè)計界面。在型號選擇框內(nèi)選擇相應(yīng)型號，對應(yīng)軸的“直徑”、“長度”數(shù)據(jù)便會初始化各參數(shù)輸入框，三維圖示也隨之變化。然后點擊“校核”按鈕，對軸進行校核。

圖6 傳動軸參數(shù)化設(shè)計界面

3.2 Y型軋機裝配技術(shù)

在Y型軋機裝配之前，要求設(shè)定好各零部件的具體尺寸，以及零部件之間的裝配關(guān)系。在裝配過程中，調(diào)用裝配程序進行裝配。圖7為最終Y型軋機的三維圖。

4 結(jié)論

（1）借助 MATLAB、Excel和 AutoCAD開發(fā)了棒材連軋計算機輔助孔型設(shè)計軟件，實現(xiàn)了孔型參數(shù)、軋輥參數(shù)、力能參數(shù)、校核參數(shù)的Excel輸出及孔型系統(tǒng)的AutoCAD自動輸出，此CARD設(shè)計軟件操作簡便，界面友好，可顯著縮短孔型設(shè)計周期。

（2）本文以三輥Y型軋機關(guān)鍵零件主傳動軸為例，通過確定軸的最小直徑以及軸的結(jié)構(gòu)等，借助Pro／Toolkit二次開發(fā)工具包和CARD系統(tǒng)計算獲取的軋制力能參數(shù)，開發(fā)了軋機主傳動軸的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。并通過調(diào)用裝配程序，實現(xiàn)了Y型軋機裝配，從而提高了軋機的設(shè)計效率。

圖7 Y型軋機三維圖

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