基于C#.NET的樹脂磨具CAD/CAM集成系統設計與開發

吳立輝，呂曉磊，武照云，劉楠嶓

(1.河南工業大學機電工程學院，河南鄭州450007;2.河南工業大學電氣工程學院，河南鄭州450007))

自從我國實施制造業信息化發展戰略以來，傳統機械制造行業涌現了一大批計算機輔助設計和制造軟件，這些CAD、CAPP、CAE、CAM 等現代化軟件在很大程度上改變了制造業信息技術手段落后的局面，為傳統制造企業的發展注入了新的活力［1－2］。但是在磨削工具制造行業，由于磨具產品制造方式的獨特性和制造工序的復雜性，真正適合磨具生產制造的CAD、CAPP、CAM 軟件的開發和應用仍然處于落后停滯的狀態［3－4］。因此對于磨具CAD/CAM 集成系統的開發與應用顯得極為重要。

以樹脂磨具為對象，研究適用于磨削工具制造工藝的CAD/CAM 技術，以C#為開發工具，開發面向中小企業的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統，實現樹脂磨具的計算機輔助設計與制造。

1 樹脂磨具制造工藝過程

樹脂磨具是利用樹脂將磨料粘結在一起的具有不同形狀的磨削工具，用于磨削、研磨和拋光等加工工序。它具有結合強度高、可塑性與延展性好、耐熱性較低和硬化溫度低等特點，且樹脂磨具生產周期短、設備簡單、投資少、見效快，有利于專業生產，廣泛用于汽車、軸承、鐵道車輛、船舶制造等機械加工領域［5］。

樹脂磨具的制造工藝過程可以分為5 個階段:磨具配方設計;磨料、結合劑及填料混合;成型料壓制成型;成型后的加熱硬化;最后的修整與加工［6］。典型的樹脂磨具工藝流程如圖1所示。其中，磨具配方設計、成型與硬化是關鍵的工藝環節，對磨具的最終質量具有決定性的影響。開發樹脂磨具CAD/CAM 集成系統對提高以上工藝環節的設計和制造質量具有重要作用。樹脂磨具CAD 是指計算機輔助配方設計，CAM 則包括其余各環節工藝參數的計算機輔助制定與決策。

圖1 典型樹脂磨具制造工藝流程示意圖

2 系統總體結構設計

此系統的主要功能是在樹脂磨具的設計制造過程中采用CAD/CAM 技術將過程中需要計算、設計、設備調配的過程實現數據庫的人機互動，從而減輕工人的復雜腦力勞動，進而提高磨具企業的生產效率。

根據樹脂磨具的工藝過程，基于C#.NET 平臺，設計了系統的總體結構，如圖2所示。該系統總體結構共分為3 層:界面層、功能層和數據層，其中界面層主要與用戶進行交互，實現各工序設計參數的輸入和配方與工藝數據的輸出;功能層包括五大功能模塊，分別是配方模塊、混料模塊、磨具成型模塊、磨具硬化模塊和機械加工模塊，實現從配方設計到修整與加工工藝過程的業務過程處理;數據層包括配方參數數據庫、制造工藝數據庫和工藝模板文件庫，為功能層的CAD 和CAM 模塊提供配方與工藝數據的處理、查詢、修改與存儲等功能。

圖2 樹脂磨具制CAD/CAM 集成系統總體結構

3 系統功能模塊設計

3.1 配方模塊設計

配方模塊主要確定所設計樹脂磨具中的磨料、結合劑、填料以及輔助材料之間的關系［7］。目前確定以上參數比例關系大多采用經驗法，但該方法存在實驗次數多、隨機性大、質量不穩定等問題。針對以上不足，采用回歸分析法［8］解決樹脂磨具的配方設計問題。該方法的實施步驟為:

式中:A 為配方數據量，如結合劑用量、填充劑用量、成型密度等;bi為函數系數;x 為名義硬度值;i為x 的系數，通常取i=3。

(2)確定試驗點數據。基于回歸分析的思想，對于i =3，需要做4 組(A，x)的試驗數據，以此保證構成的方程組具有唯一解。

(3)將試驗所得的實測硬度值換算成名義硬度值。

(4)基于式(1)，聯立求解四元線性方程組，得出回歸方程系數。

(5)按照磨具硬度的設計要求，利用所得的回歸方程計算各配方項的數據量。

3.2 混料模塊設計

混料是使潤濕劑、結合劑和填料均勻地粘附在磨粒上使其相互之間均勻分布的過程。混料一般要經過配料、選擇混料設備、選擇混料工藝等過程。設計混料模塊包括以下環節:

(1)配料計算。計算出坯體的體積，然后根據坯體的成型密度，計算出成型料的單重，再根據坯體的數量，再加上適當的工序消耗量，得出磨料的總量，接下來根據用戶輸入的配方模塊輸出的磨料、結合劑和填料所占的質量比，分別計算出這三者的質量。

2)提高學生自主學習能力。學生課下可以隨時隨地通過快進、后退、暫停或反復播放微課，全面帶動了以學生為中心的自主學習模式，更利于個性化自主學習的形成和自學能力的培養。

(2)混料設備的選取。樹脂磨具選用的結合劑材料和制品粒度不同，選用的混料機械以及成型工藝方法也是不同的，混料模塊中提供逆流混料機、輪碾機以及雙軸葉片混料機等類型混料設備及其規格參數的選取功能。

(3)混料工藝的選擇。混料模塊中提供了依據成型料的粒度來選取填充劑、結合劑的混合時間、過篩號等混料工藝參數等。

3.3 成型模塊設計

磨具成型過程是將給定的成型料通過一定的方法使其成為具有一定形狀和強度的磨具胚體，不但要求磨具胚體的形狀和尺寸符合技術規定，而且要求組織均勻和單重準確。設計成型模塊包括以下環節。

(1)選擇磨具成型方法。樹脂磨具常用成型方法有模壓成型法、熱壓成型法和搟壓成型法，各種方法有各自使用的范圍和成型特點。成型模塊提供了根據樹脂磨具的工藝特點來選擇合適的成型方法，并選擇對應的成型過程規格參數，如油壓機的公稱壓力數據等。

(2)選擇磨具工藝尺寸留量。成型模塊主要提供了根據磨具直徑范圍選擇直徑留量、厚度留量，根據砂輪孔徑的大小范圍選擇砂輪加工方法和孔徑留量。留量的大小是工廠工人在長久的生產經驗之上總結出來的，對此作者也建立了相應的工藝留量數據庫，可供用戶選擇使用。

(3)確定模套與芯棒的尺寸。為了保證成型模具能容納全部的成型磨料，成型模塊提供了根據磨具的孔徑和外徑來確定模套壁厚、上壓板厚度、底板厚度以及芯棒的壁厚等數據。模套和芯棒的高度需滿足下列經驗公式:

式中:H 為模套(或芯棒)的高度;h 為磨具的成型高(厚)度;B 為模蓋和底板的厚度;K 為壓型系數。

3.4 硬化模塊設計

樹脂磨具硬化是將成型坯體經過熱處理，使其發生化學反應，固結成為一定強度、硬度和耐熱性能的磨具。樹脂磨具的硬化工序主要涉及到硬化方法、硬化設備以及裝爐方法的選擇，以及磨具硬化曲線的繪制等。設計硬化模塊包括以下環節:

(1)選擇硬化設備。硬化模塊提供了根據磨具的硬化方式選擇合適的硬化設備和裝爐方式，裝爐方式包括敞開法裝爐、加蓋法裝爐、填砂埋砂法裝爐、圍紙法裝爐法以及疊紙法裝爐等。

(2)硬化溫度監控。樹脂磨具硬化過程的保溫，能使樹脂磨具硬化完全，硬化過程中升溫速度快慢對磨具的產品質量有著極其重要的影響［9］。硬化模塊提供了硬化溫度曲線的設置和監控功能，實現根據實時獲得的溫度數據，生成磨具硬化曲線，并根據磨具的種類適時對這些數據進行調節，以獲得較好的質量品質。

3.5 機械加工模塊設計

樹脂磨具機械加工主要是使磨具具有較為精確的幾何尺寸、形狀和平整表面。樹脂磨具的機械加工主要分為樹脂磨具的平面加工、孔徑加工和外徑加工等步驟。設計機械加工模塊包括以下環節:

(1)樹脂磨具的平面加工參數設置。機械加工模塊首先提供了用于抹去磨具表面硬皮的砂輪和鐵砂的粒度參數，接下來可以根據鐵砂粒度方便查看不通過篩網號和其質量分數。

(2)樹脂磨具的孔徑加工。機械加工模塊根據砂輪外徑和厚度的不同，提供了不同的孔加工方法，共有鉆孔、灌孔和車孔3 種方法以供選擇。

(3)樹脂磨具的外徑加工。在這個模塊里，依據加工砂輪的外徑大小，提供了用于進行外徑加工的裝卡砂輪厚度、磨輪尺寸、磨輪橫行程、磨輪縱行程以及磨輪橫行程速度等加工數據的選擇。

4 系統開發與實現

在以上系統總體結構和功能設計的基礎上，開發基于C#.NET 的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統。系統開發基于C/S 架構，從Visual Studio 2005(C#.NET)為開發環境，采用SQL Server 2000 建立系統數據庫，采用WebService 技術建立參數約束函數庫，采用Excel 建立工藝模板文件庫，并采用Matrix 為矩陣運算函數庫和圖形繪制函數庫。

在系統界面層，通過調用C#.NET 平臺中的Winform 控件以及Matrix 類庫中的二維圖形繪制函數庫，實現用戶界面開發及圖形顯示。開發形成的樹脂磨具機械加工工藝參數設計界面如圖3所示。

圖3 樹脂磨具機械加工工藝參數設計界面

在系統功能層，針對配方模塊中的配方設計過程運算量大的特點，C#.NET 中引用了Matrix 類庫，利用其中的各種矩陣運算函數(CreateMatrix、Reshap、Mldivide 等)來完成線性方程組的快速求解。在此基礎之上，再將基于回歸分析的配方工藝參數與磨具硬度之間的函數關系式寫入到模塊內部，最后經過用戶的選擇，進而輸出達到用戶各項要求的磨具配方表。其他幾個功能模塊按照樹脂磨具設計生產的一般工序步驟的功能開發實現。

在系統數據層，C#.NET 平臺中采用sqlclient 連接數據庫的方式，運用ADO.NET 編程模型技術來連接并訪問SQL Server 數據庫，并且通過Executesql 函數來實現常用的增、刪、查、改4 種操作，以便于在日常的生產活動中對數據庫中的數據進行實時更新。數據層的數據表主要包括:磨料配方試驗數據表、結合劑配方試驗數據表、輪碾機規格數據表、沖刀尺寸留量表、攤料轉盤轉速表、磨床技術參數表、砂輪孔留量參數表、砂輪的外徑壁厚留量參數表等。數據層的樹脂磨具機械加工工藝參數輸出如圖4所示。

圖4 樹脂磨具機械加工工藝參數輸出界面

目前，基于C#.NET 的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統已開發測試完畢，并在某磨具制造有限公司的設計部門進行應用，效果良好。

5 結論

針對目前樹脂磨具設計水平與手段落后的問題，研究了樹脂磨具的計算機輔助設計方法與制造技術。以C#.NET、SQL Server、Matrix、Excel 為技術支撐，開發了面向中小企業的樹脂磨具CAD/CAM 集成系統。該系統實現了樹脂磨具各設計加工環節的計算機輔助設計，提高了中小型樹脂磨具制造企業的設計水平和效率，且為其他類型磨具的CAD/CAM 應用提供了參考，在磨具行業具有廣闊的應用前景。

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【3】徐冰.生產樹脂薄片砂輪的半自動輔機及模具的試制與探討［J］.磨料磨具與磨削，1992(4):37－38.

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【6】陳義輝.樹脂磨具制造［M］.北京:機械工業出版社，1984.

【7】李印江，雷建榮，胡在簋.磨具配方的配料比設計［J］.磨料磨具與磨削，1992(3):34－38.

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【9】翁楠，劉楠嶓.面向磨具設計制造過程的質量控制系統研究［D］.鄭州:河南工業大學，2012.