十字軸零件模鍛工藝的數(shù)字化設(shè)計(jì)

趙志翔

(西南技術(shù)工程研究所,重慶400039)

十字軸零件模鍛工藝的數(shù)字化設(shè)計(jì)

趙志翔

(西南技術(shù)工程研究所,重慶400039)

目的 設(shè)計(jì)十字軸零件模鍛工藝流程。方法 運(yùn)用模鍛工藝及模具設(shè)計(jì)系統(tǒng),對(duì)一種典型十字軸零件的模鍛工藝進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。結(jié)果 設(shè)計(jì)證明,采用該系統(tǒng),僅需少量的人機(jī)交互,大幅提高了設(shè)計(jì)效率,滿足產(chǎn)品低成本、短周期、高質(zhì)量要求,設(shè)計(jì)效率達(dá)到了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的3倍以上。結(jié)論 模鍛成形工藝與模具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)在輔助設(shè)計(jì)上產(chǎn)生了顯著的優(yōu)越性,同時(shí)還提供了可供參考的極具價(jià)值的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。

數(shù)字化設(shè)計(jì);模鍛;模具;工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展,基于知識(shí)的高效率數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在各種成形工藝和模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來越廣泛。由于其在大規(guī)模生產(chǎn)中提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期以及降低生產(chǎn)成本的卓越優(yōu)點(diǎn),逐漸成為企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在各類成形工藝中,模鍛成形工藝與模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量受設(shè)計(jì)人員的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的影響較大,因此,采用數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),運(yùn)用規(guī)范性準(zhǔn)則,能夠較好地在模鍛成形工藝與模具設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用,達(dá)到擴(kuò)展設(shè)計(jì)人員的思維空間,提高智能系統(tǒng)的靈活性和向?qū)Чδ芗肮に囋O(shè)計(jì)效率的目的。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

模鍛成形工藝與模具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)是西南技術(shù)工程研究所自行研發(fā),基于知識(shí)的、以工藝實(shí)例推理和參數(shù)化建模為基礎(chǔ)的熱模鍛工藝與模具輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行,以UG三維造形軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)。該系統(tǒng)包括了鍛件圖設(shè)計(jì)、設(shè)備噸位設(shè)計(jì)、工步設(shè)計(jì)、模膛設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等八大模塊,每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)相關(guān)的工藝設(shè)計(jì)方案,模塊與模塊之間通過設(shè)計(jì)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)起來,數(shù)據(jù)適時(shí)存儲(chǔ),形成統(tǒng)一的作業(yè)流程。當(dāng)用戶需要獨(dú)立使用其中某個(gè)或幾個(gè)模塊時(shí),系統(tǒng)也能夠單獨(dú)調(diào)用每個(gè)模塊,且用戶可以在模塊之間自由切換。

模鍛成形工藝與模具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)[1]:

1)基于知識(shí)的鍛造成形工藝與模具快速集成設(shè)計(jì)技術(shù)[2]。采用基于實(shí)例的推理輔助創(chuàng)成式鍛造工藝與模具集成設(shè)計(jì)技術(shù),在冷/熱鍛件模型生成、坯料尺寸計(jì)算、成形工藝確定和鍛件/模具關(guān)鍵特征的參數(shù)化造型等環(huán)節(jié)提高自動(dòng)化程度;利用工藝設(shè)計(jì)的信息模型驅(qū)動(dòng)模具型腔的生成。

2)數(shù)據(jù)與程序的獨(dú)立[3]。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQL Server開發(fā),有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)瀏覽、知識(shí)的維護(hù)和更新、權(quán)限管理等功能。設(shè)計(jì)系統(tǒng)是建立在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之上,設(shè)計(jì)過程中涉及的所有參數(shù)、知識(shí)等均從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取,并把設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣以產(chǎn)品編號(hào)(Prd ID)為鍵,可以方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)直接讀取整個(gè)案例(case)的內(nèi)容;避免數(shù)據(jù)的重復(fù)操作而產(chǎn)生前后不一致。系統(tǒng)不同的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)涉及到相同的數(shù)據(jù)時(shí),可以根據(jù)Prd ID從數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行讀取,而不進(jìn)行再次計(jì)算,提高了設(shè)計(jì)效率并且避免前后不一致的發(fā)生。

3)RBR與CBR融合[4]。系統(tǒng)以RBR為設(shè)計(jì)指導(dǎo)思路,在比較依靠經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),可以以參數(shù)為節(jié)點(diǎn),調(diào)出供參考的case來輔助設(shè)計(jì)。

4)自由擴(kuò)展的case庫(kù)[5]。每次的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和生成的鍛件圖、工步、模膛等信息都會(huì)以一個(gè)完整的case形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

5)無處不在的知識(shí)提示[6]。充分體現(xiàn)基于知識(shí)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)過程中采用的大量的知識(shí)提示和幫助信息。

2 數(shù)字化模鍛系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2.1 十字軸零件余量設(shè)計(jì)

如圖1所示為某廠生產(chǎn)的車用轉(zhuǎn)向盤,是典型的十字軸類模鍛產(chǎn)品,該產(chǎn)品的4個(gè)軸以中間圓環(huán)為中心呈對(duì)稱分布,鍛件對(duì)四軸同心度要求較高,且進(jìn)度要求在1個(gè)月內(nèi)完成生產(chǎn)開發(fā)及試制。

圖1 車用轉(zhuǎn)向盤零件Fig.1 Deflector pan of automobile

針對(duì)該構(gòu)件,應(yīng)用數(shù)字化模鍛系統(tǒng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。進(jìn)入模鍛成形工藝與模具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始操作界面,輸入產(chǎn)品基本信息后,調(diào)入U(xiǎn)G三維造型,進(jìn)入工藝設(shè)計(jì)階段,如圖2所示[7]。

圖2 模鍛系統(tǒng)初始操作界面Fig.2 Initial operation interface of design system of die forging process

在模鍛工藝設(shè)計(jì)中,鍛件圖設(shè)計(jì)尤為重要,包括分模面選擇、添加余量、連皮設(shè)計(jì)、斜度與圓角、參數(shù)計(jì)算和參數(shù)導(dǎo)出幾個(gè)子模塊。

根據(jù)鍛件分模面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,結(jié)合構(gòu)件的形狀,選用平面分模面模式,定義分模面在X-Y平面上,并設(shè)置200個(gè)截面數(shù),運(yùn)行后系統(tǒng)即以小步距截?cái)鄴呙枇慵?計(jì)算出這些截面中面積最大者作為分模面,如圖3所示。

圖3 分模面的選擇與計(jì)算Fig.3 Choice and calculation of die parting surface

在添加余量模塊中,根據(jù)《鋼質(zhì)模鍛件公差及機(jī)械加工余量》,確定構(gòu)件余量添加為一般加工精度F1,系統(tǒng)根據(jù)構(gòu)件的基本尺寸和設(shè)計(jì)者選擇的加工精度,從數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)匹配出一個(gè)合理的余量值供設(shè)計(jì)者參考,如圖4所示。設(shè)計(jì)者可以依據(jù)該值直接進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì),也可以對(duì)參考值進(jìn)行修正后繼續(xù)設(shè)計(jì)[8]。

圖4 余量的選擇與添加Fig.4 Choice and addition of allowance

2.2 連皮、飛邊槽設(shè)計(jì)[9]

在連皮設(shè)計(jì)模塊中,系統(tǒng)根據(jù)鍛造手冊(cè),提供了4種連皮(平底連皮、斜底連皮、帶倉(cāng)連皮、拱形連皮)、2種盲孔(平底盲孔、弧形盲孔)供設(shè)計(jì)者選擇,如圖5所示。

根據(jù)該構(gòu)件的形狀,在連皮設(shè)計(jì)模塊選擇圖5b斜底連皮設(shè)計(jì),系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出鍛件的中心孔尺寸。再根據(jù)“斜底連皮”圖中的提示,完成連皮相應(yīng)參數(shù)的輸入后,點(diǎn)擊生成連皮,系統(tǒng)完成連皮設(shè)計(jì),如圖6所示。

圖5 連皮類型Fig.5 Types of recess

圖6 連皮設(shè)計(jì)參數(shù)選擇Fig.6 Parameter choice of recess design

圖7 飛邊槽的類型Fig.7 Types of gutter

在飛邊槽設(shè)計(jì)模塊中[10],系統(tǒng)根據(jù)鍛造手冊(cè)提供了4種飛邊槽類型,如圖7所示。該構(gòu)件選用第一種飛邊槽類型后,系統(tǒng)自動(dòng)獲得實(shí)體與分模面的交線,并生成飛邊截面線串,用戶亦可調(diào)整“飛邊尺寸”參數(shù),控制截面線串形狀。最后通過交線與截面線串的相應(yīng)關(guān)系,生成飛邊,完成鍛件飛邊槽設(shè)計(jì),如圖8所示。

圖8 十字軸的飛邊槽設(shè)計(jì)Fig.8 Gutter design of cross axle component

根據(jù)輸出前面設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)信息,提供給噸位計(jì)算使用,如圖9所示。

圖9 十字軸鍛件模具選擇Fig.9 Die choice of cross axle component

2.3 模膛設(shè)計(jì)[11]

設(shè)計(jì)制坯模膛,系統(tǒng)提供了參數(shù)化的鐓粗臺(tái)和壓扁面設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊“參數(shù)初始化”按鈕,系統(tǒng)對(duì)鐓粗臺(tái)的坯料體積、坯料鐓粗后直徑和鐓粗臺(tái)高度進(jìn)行參數(shù)初始化,設(shè)計(jì)者確定了間距后,點(diǎn)擊“生成鐓粗臺(tái)”按鈕,系統(tǒng)自動(dòng)生成鐓粗臺(tái)。設(shè)計(jì)者在確定壓扁后毛坯寬度和壓扁后毛坯長(zhǎng)度后,點(diǎn)擊“壓扁后尺寸輸出”就可獲得壓扁后寬度和長(zhǎng)度的理論計(jì)算值,如圖10所示[6]。

預(yù)鍛使坯料變形到接近鍛件的外形尺寸,使得進(jìn)行終鍛時(shí),金屬容易充滿模膛,以滿足鍛件的尺寸要求,同時(shí)還可以減少終鍛模膛的磨損,延長(zhǎng)模具的使用壽命。預(yù)鍛模膛與終鍛模膛的區(qū)別在于前者的圓角半徑和拔模斜度略大于后者,如圖11所示[12]。

2.4 鉗口設(shè)計(jì)[13]

在進(jìn)行終鍛模膛設(shè)計(jì)時(shí),調(diào)入之前生成好飛邊的熱鍛件。與預(yù)鍛模膛的設(shè)計(jì)過程相似,用戶定義鉗口尺寸及定位點(diǎn),從模板庫(kù)里導(dǎo)入鉗口到指定位置,如圖12所示[7]。

圖10 制坯模膛設(shè)計(jì)Fig.10 Impression design of preformed billet

圖11 預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)Fig.11 Impression design of pre-forging

圖12 終鍛模膛設(shè)計(jì)Fig.12 Impression design of finish-forging

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配體生成主要包括:考慮力的平衡條件下的鍛模材料選擇、模塊及裝配件選擇、模膛的導(dǎo)入以及上下模的生成[14]。

3 結(jié)語(yǔ)

目前,國(guó)內(nèi)在工藝項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)的企業(yè)已逐漸增多,通過模鍛成形工藝與模具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件成形工藝進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)開發(fā),可大幅減少設(shè)計(jì)人員在三維建模分析中幾何參數(shù)處理的工作量,降低工藝設(shè)計(jì)中理論公式計(jì)算的繁瑣程度,對(duì)零件復(fù)雜工藝參數(shù)的取舍提供了基于知識(shí)的、準(zhǔn)確度高的參考,大幅提高了設(shè)計(jì)效率,對(duì)新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)具有很好的指導(dǎo)作用,對(duì)于現(xiàn)代企業(yè)中知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的快速積累、沉淀及技術(shù)共享有著重要的意義[15]。

[1]李建,趙震,陳軍.基于UG的模鍛設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2006,21(6):98—101. LI Jian,ZHAO Zhen,CHEN Jun.Development of Forging Die Design System Based on UG[J].Forging Equipment and Manufacturing Technology,2006,21(6):98—101.

[2]黃少東,劉川林,張志明.基于知識(shí)的金屬精密塑性成形數(shù)值模擬[J].精密成形工程,2010,2(6):13—18 HUANG Shao-dong,LIU Chuan-lin,ZHANG Zhi-ming. Knowledge-based Numerical Simulation of Precise Bulk Metal Forming[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2010,2(6):13—18.

[3]胡建軍,許洪斌,金艷.塑性成形數(shù)值仿真精度的提高途徑[J].鍛壓技術(shù),2009,34(2):149—151. HU Jian-jun,XU Hong-bin,JIN Yan.Approach for Increasing Precision of Numerical Simulation of Plastic Forming [J].Forging&Stamping Technology,2009,34(2):149—151.

[4]阮鋒,周馳,宋莉波.一種面向?qū)ο蟮膮?shù)化設(shè)計(jì)方法[J].鍛壓技術(shù),1999,24(4):52—54. RUAN Feng,ZHOU Chi,SONG Li-bo.An Object-oriented Method of Parameterization[J].Forging&Stamping Technology,1999,24(4):52—54.

[5]李世龍,莊新村,黃少東.基于知識(shí)的模鍛工藝與模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)[J].鍛壓技術(shù),2012,37(3):140—144. LIShi-long,ZHUANG Xin-cun,HUANG Shao-dong.Development of Knowledge-based System for Die Forging Process and Tool Design[J].Forging&Stamping Technology, 2012,37(3):140—144.

[6]朱春東,張?jiān)陉?yáng),劉宇鋒.基于UG二次開發(fā)模鍛CAPP系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].鍛壓技術(shù),2009,34(1):52—53. ZHU Chun-dong,ZHANG Zai-yang,LIU Yu-feng.CAPP System of Die Forging Base on UG Redevelopment and Key Technology[J].Forging&Stamping Technology,2009,34 (1):52—53.

[7]陳學(xué)文,陳軍,阮雪榆.基于知識(shí)的錘上模鍛設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)中知識(shí)建模與數(shù)據(jù)庫(kù)映射[J].鍛壓技術(shù),2005,30 (4):92—97. CHEN Xue-wen,CHEN Jun,RUAN Xue-yu.Knowledge Modeling and Database Mapping in Knowledge-based Hammer Forging Design Support System[J].Forging& Stamping Technology,2005,30(4):92—97.

[8]左四雨,陳軍.鍛模CAD系統(tǒng)中參數(shù)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究[J].鍛壓裝備與技術(shù),2003(5):72—74. ZUO Si-yu,CHEN Jun.Research of Parameterization in CAD System of Forging Die&Application[J].Forging E-quipment and Manufacturing Technology,2003(5):72—74.

[9]武川,周杰,權(quán)國(guó)政,等.熱模鍛平面分型曲軸模具設(shè)計(jì)及工藝分析自動(dòng)化系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用[J].熱加工工藝, 2006,35(9):92—95. WU Chuan,ZHOU Jie,QUAN Guo-zheng,et al.Application and Research of Auto-designing System for Hot-forging Crank with Horizontal Parting-surface[J].Heat Treatment Technology,2006,35(9):92—95.

[10]沈凌,王建洲.基于AutoCAD的模具參數(shù)化設(shè)計(jì)模型研究[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,5(3):51—53. SHEN Ling,WANG Jian-zhou.The Model ofMould Parameterized Design Based on AutoCAD[J].Journal of Guangdong Communications Polytechnic,2006,5(3):51—53.

[11]NADUTHODIH,KALAKKATH P.Generating Exterior Surface for Headlamps of Passenger Cars from Car Body Profiles[J].International Journal of Computer Aided Engineering and Technology,2009,1(3):368—387.

[12]WOHLMUTHM,SCHAFSTALLH.Forging Simulation-A Question of Competition in a Global Manufacturing Market[C]// Proceedings of the 9th International Conference on Technology of Plasticity,Gyeongju,Korea,2008:2202—2206.

[13]FASTH T.Knowledge Based Engineering for SMEs[D]. Lulea:Lulea Teckniska University,2000.

[14]COOPER S,Lp-Shing FAN,Gui-hua LI.Achieving Competitive Advantage through Knowledge Based Engineering,A Best Practice Guide[D].Cranfield:Cranfield University, 1998.

[15]PENOYER JA,BURNETTG,FAWCETTD J,etal.Knowledge Based Product Life Cycle Systems:Principles of Integration of KBE and C3P[J].Computer-Aided Design, 2000,32:311—320.

Digitized Design of Die Forging Process for Cross Axle Component

ZHAO Zhi-xiang
(Southwest Technology and Engineering Research Institute of China,Chongqing 400039,China)

This experiment designed the die forging process of cross axle component.The design system of die forging process was used for the digitized design of the forming process of a typical cross axle component.Appling this design system of die forging process,the amount ofman-machine interactive action was reduced remarkably.The design efficiency of cross axle componentwas improved by 3 times compared with typical design methods.The design system also satisfied the requirements of low cost,short periods and good qualities of componentmanufacture.In conclusion,this design system of die forging process has the superiority over conventionalmethods.Moreover,the design system will supply a digital communication platform for technicians.

digitized design;die forging;mould;technical design system

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.019

TG316

:A

:1674-6457(2015)04-0088-05

2015-05-10

趙志翔(1982—),男,重慶人,工程師,主要研究方向?yàn)椴牧铣尚闻c控制工程。