基于C#的超硬磨具CAD/CAM系統研究與開發*

李 麗，武照云

(1.河南職業技術學院 汽車工程學院，河南 鄭州 450046； 2.河南工業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

超硬磨具是用超硬磨料(人造金剛石或立方氮化硼)所制成的磨具，是磨具中的一大系列[1]。超硬材料磨具可以分為兩大類：超硬材料固結磨具和超硬材料涂附磨具。隨著機械加工技術的發展及各種新型材料的不斷涌現，零件加工精度要求也不斷提高。由于超硬磨具有硬度超高、導熱率好、耐磨性好、使用周期長等優勢，在汽車工業、電子工業、陶瓷加工、寶石切割、硬質合金等領域得到了廣泛應用[2]。

如今在國內，特別是中小型磨具制造加工企業，仍然采用比較“原始”的人工收集和填寫相關磨具制造加工參數和數據，這造成了大量勞動時間的浪費和設備利用率低下，嚴重制約了企業的發展空間。CAD/CAM系統被廣泛應用在眾多工業領域，CAD/CAM系統將設計與生產結合起來，具有參數化、變量化的特點，它同時將設計技術和制造技術相結合，提升了設計精確性和效率。在整個CAD/CAM系統設計過程中，通常以樹狀分支法來梳理邏輯流程，同時以模塊化來使整個系統更加簡單和明確，再將各模塊銜接并進行二次開發，從而一步步設計出滿足設計要求的CAD/CAM系統[3-4]。

筆者所開發的超硬磨具CAD/CAM系統以計算機輔助技術為手段，將超硬磨具的設計與加工工序流程以計算機可執行程序的形式進行呈現，實現磨具設計與加工制造信息的可視化和智能化。

雖然不同類型的超硬磨具由于其不同的磨料、結合劑和濕潤劑，或因特殊的需求和設備，其加工制造工藝流程也會有不同之處。但主要加工制造工藝流程為：磨料、基體、結合劑和潤濕劑按一定配方配料→混料→成型→干燥→燒結→精加工[5]。根據中小型超硬磨具制造企業生產工序和各工藝特點，超硬磨具CAD/CAM系統包含5個主要的模塊：原材料選擇模塊，成型料配制模塊，成型模塊，燒結模塊和精加工模塊。通過對超硬磨具加工制造流程的模塊化設計，使得系統人機交互界面友好，設計制造流程清晰明了。即使中小型企業員工流動性大，技術熟練程度一般，也會很容易掌握超硬磨具制造工藝及參數選擇，有效保證了產品質量，使磨具的設計與生產制造更加簡單化、高效化和智能化。

1 系統功能模塊設計

本文開發的超硬磨具CAD/CAM系統按照數據層、應用層和界面層的三層體系架構原則[6]，以超硬砂輪磨具為典型對象，對系統的總體結構進行了設計。其主要功能模塊包括：原料選擇模塊、成型料配制模塊、成型模塊、燒結模塊、精加工模塊等。

1.1 原材料選擇模塊

超硬砂輪磨具主要是由磨料、結合劑、濕潤劑和基體構成，在這一模塊里，需要選擇出所需要的磨料、結合劑、濕潤劑和基體材料等組成成分。超硬磨料主要有金剛石和立方氮化硼兩種；金屬結合劑按其合金類型大致可分為四大類，即青銅結合劑、鈷鎳結合劑、鎢合金結合劑以及硬質合金結合劑；濕潤劑常用種類有蒸餾水、聚乙烯醇水溶液以及含3%左右的硼砂水等；基體可以選用鋼基、銅基或鋁基。

1.2 成型料配制模塊

在這個模塊中，需要計算出所選原料的用量。通過設定砂輪的外徑、生產數量、砂輪厚度、金剛石層厚度和非金剛石層厚度，計算出金剛石層體積、非金剛石層體積、以及基體外徑(見圖1)。再選擇所用的金剛石濃度，通過查閱金剛石濃度與質量、體積的關系可以算出金剛石的用量。選擇成型方法后，通過成型密度可以算出金剛石層及非金剛石層中結合劑的用量。設定砂輪內徑，并由此計算出基體體積，并根據所選基體密度來確定基體的用量。

圖1 體積計算界面

1.3 成型模塊

成型過程是把成型料在磨具內壓制成為擁有一定強度、尺寸、形狀的半成品的過程。金剛石砂輪的成型磨具，通常是由磨套、芯體、芯棒、壓環及底板等部分組成。在這個模塊中，需要確定成型方法(冷壓法或熱壓法)；再根據所選成型方法選擇合適的單位壓力，計算出壓制磨具所需的總壓力。根據計算出磨具的總壓力，通過對砂輪結構尺寸求得磨具各部分尺寸、選擇成型設備的型號。

1.4 燒結模塊

燒結工序是金屬結合劑金剛石制品磨具制造中重要的工序，它影響產品的最終性能。燒結過程是在溫度的作用下，物料間發生擴散、熔融、溶解、流動，收縮再結晶等一系列物理化學變化的綜合作用過程，使結合劑粉末顆粒之間產生強固的連接力，從而達到燒結制品的目的。

在這個模塊中，需要確定燒結相關參數。根據所選成型方法選擇合適的燒結設備(管式爐、井式爐或電阻加熱燒結壓機)，接著選定所選燒結設備的參數。根據不同的成型方式，點擊“查看曲線”按鈕可顯示“熱壓成型曲線”及“冷壓成型曲線”。根據每個界面選擇控制燒結溫度及燒結時間。

1.5 精加工模塊

金剛石磨具的精加工，包括車加工和磨加工，磨具的這種車磨加工，又稱全加工或后加工。幾乎所有的金剛石磨具都需要進行車加工。車加工主要內容是基體端面、外圓底面和外圓的精車和孔徑尺寸的精車，此外還有異型砂輪精車。磨加工可以分為砂輪端面的粗磨加工，外圓磨加工和端面磨加工。

本模塊中，需要確定精加工中車削加工所需的車床、卡盤及測量器具，接下來選擇磨削階段所需合適的加工砂輪的磨粒粒度及砂輪粒度。

2 系統開發與應用

基于上述系統功能模塊設計與分析，以 VS 2010 為系統開發平臺，選取C#為程序設計語言，以SQL Server 2008為系統數據庫，設計并開發了超硬磨具CAD/CAM集成系統(運行界面如圖2所示)。該系統基于三層體系架構進行設計，按照MVC(Model View Controller，模型-視圖-控制器)模式進行開發，大大提高了開發效率。目前，該系統已經在河南省某超硬磨具制造企業進行實際應用，使得該企業的超硬磨具生產過程實現了CAD與CAM的高效集成，極大的提高了企業產品設計與生產管理的信息化水平。

圖2 系統運行界面

3 結 語

基于C#的超硬磨具CAD/CAM系統，可以將超硬磨具產品設計與生產管理過程中的信息進行有機集成，從而提高企業工作效率和產品質量，降低勞動強度與企業運營成本，大大提高企業的管理信息化水平和生產自動化水平。