計算機(jī)輔助楔橫軋工藝及模具設(shè)計 摘要 c a d c a e c a m 技術(shù)是體現(xiàn)企業(yè)設(shè)計制造水平的重要標(biāo)志。在楔橫軋工藝 開發(fā)和模具設(shè)計中應(yīng)用c a d c a e c a m 技術(shù)，有利于促進(jìn)楔橫軋工藝的發(fā)展和 推廣應(yīng)用。本文將三維c a d 技術(shù)引入到楔橫軋工藝與模具設(shè)計領(lǐng)域中，提出 了基于軋件特征的楔橫軋模具設(shè)計方案，開發(fā)了相應(yīng)的模具設(shè)計c a d 系統(tǒng)， 并嘗試著將有限元數(shù)值模擬技術(shù)作為虛擬調(diào)試手段應(yīng)用于楔橫軋工藝與模具設(shè) 計中。 本文對楔橫軋工藝與模具設(shè)計進(jìn)行了較深入、系統(tǒng)的研究。首先，對三維 c a d 技術(shù)、基于特征建模技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)做了闡述，并將之引入到楔橫軋工 藝與模具設(shè)計中。其次，文中闡述了對軋件成形特征的描述，基于此對楔橫軋 模具楔體特征進(jìn)行了分類、定義等，并詳細(xì)地說明了軋件特征與模具楔體特征 的映射關(guān)系，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了楔橫軋模具設(shè)計c a d 系統(tǒng)，包括：軋件特征 描述、楔體特征參數(shù)化設(shè)計、模具楔體特征的拼合設(shè)計、軋齊曲線與曲面設(shè)計。 其中重點(diǎn)介紹了軋齊及軋齊原理、軋齊曲線方程的求解和提前量的計算、軋齊 曲線及軋齊曲面的生成技術(shù)。然后，以汽車起動軸的楔橫軋模具設(shè)計為例具體 闡述了應(yīng)用該c a d 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程。最后，將有限元數(shù)值模擬技術(shù)引入 到楔橫軋模具與工藝調(diào)試中，闡述了虛擬調(diào)試的過程和分析了有限元模擬結(jié)果， 概括了軋件缺陷診斷分析模塊可作為技術(shù)人員提供參考。 關(guān)鍵詞：楔橫軋c a d 系統(tǒng)3 一dc a d 技術(shù)軋齊有限元數(shù)值模擬 c o m p u t e r a i d e d d e s i g no f p r o c e s sa n dd i ef o rc r o s s w e d g er o l l i n g a b s t r a c t c a d c a e c a mt e c h n o l o g yi sa ne m b o d i m e n to fe n t e r p r i s em a n u f a c t u r i n g l e v e l t h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yi np r o c e s sa n dd i ed e s i g nf o rc r o s sw e d g e r o l l i n g ( c w r ) w i l lp r o m o t et h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n ta n dt e c h n o l o g yt r a n s f e ro f c w r i nt h i sp a p e r ，3 - d i m e n s i o nc a d t e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e di n t oc w rf i e l d ， p r o c e s sa n dd i ed e s i g ns c h e m eb a s e d o nr o l l e dp i e c e si sp r e s e n t e d ，ac o r r e s p o n d i n g c a d s y s t e mi sd e v e l o p e d ，a sw e l l a sf e ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi su s e da st h e v i r t u a lt e s t c o m p r e h e n s i v er e s e a r c h0 1 1p r o c e s sa n dd i ed e s i g nf o rc w r h a sb e e nm a d e d e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l y f i r s t l y ，3 - d i m e n s i o nc a dt e c h n o l o g y 、f e a t u r eb a s e d m o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r i z a t i o nt e c h n o l o g ya r ee x p l a i n e dr e s p e c t i v e l y ， a n dt h e ni n t r o d u c e dt h e mi n t oc w r f i e l d s e c o n d l yd e f o r m i n gf e a t u r ed e s c r i p t i o n o fw e d g ef e a t u r ei sc l a s s i f i e da n dd e f i n e d ，a sw e l la st h em a p p e dr e l a t i o nb e t w e e n c w r p i e c e sf e a t u r ea n dw e d g ef e a t u r eo fc w r d i ei s e x p a t i a t e d o nt h eb a s eo f t h i s ，ac a ds y s t e mf o rc w r i sd e v e l o p e d ，w h i c hi n c l u d e sd e f o r m i n gf e a t u r eb a s e d d e s c r i p t i o nc w rp i e c e s ，t h ep a r a m e t e “z a t i o n a n d a s s e m b l yd e s i g n o fw e d g e f e a t u r ef o rc w r ，a n dd e s i g no fs t e p s h a p i n gc u r v ea n ds u r f a c e ，t h e r ei n t os t e p s h a p i n ga n d i t st h e o r y ，s o l u t i o nt o s t e ps h a p i n g c u r v ee q u a t i o n ，c o m p u t a t i o no fs t a r t p o s i t i o n o f s t e p - s h a p i n g c u r v ea n d s t e p s h a p i n g c u r v ea n ds u r f a c e b u i l d i n g t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y t h e nac w rd i ed e s i g no fs t a r t i n g s h a f t a u t o m o b i l ei st a k e na sa n e x a m p l e ，t h ed i ea n dp r o c e s sd e s i g nc o u r s ef o rc w r u s i n g t h i sc a ds y s t e mi s i l l u s t r a t e d f i n a l l y ，f e m s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e di n t oc w r p r o c e s sd e b u g g i n ga n di t ss i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e d t h e f a u l td i a g n o s ef o rc w r p i e c e si sa l s os u m m a r i z e da n dc a nb eu s e da sr e f e r e n c e k e yw o r d s ：c w r ，c a ds y s t e m ，3 - d i m e n s i o nc a d ，s t e ps h a p i n g ，f e ms i m u l a t i o n 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù) 我所知，除了文中特別如以標(biāo)志和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 研究成果，瞧不包含為獲得金螋些友堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示謝 意。 學(xué)位論文作者簽字t 岔乞裳蘆字日期：a 罕年占月& 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解金墅至些叁堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留 并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱或借闐。本人授權(quán)金 星王些塞堂可以將學(xué)位論文的全部或部分論文內(nèi)容編八有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影 印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文者躲客云秒導(dǎo)師虢歹御 簽字日期：a 曄拍a 日 簽字日期：p 吁年6 月z 日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位： 通訊地址： 電話： 郵編： 致謝 本文是在我的導(dǎo)師王雷剛教授的關(guān)懷、幫助和悉心指導(dǎo)下完成的，導(dǎo)師嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識和非凡的敬業(yè)精神令學(xué)生敬佩，將是我以后工作和 學(xué)習(xí)的楷模。在學(xué)習(xí)期間，導(dǎo)師為學(xué)生創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)和工作條件，保證了 我順利地完成學(xué)業(yè)和論文工作。在此，謹(jǐn)對導(dǎo)師的辛勤培養(yǎng)與無私的關(guān)懷表示 衷心的感謝。 劉全坤教授為我創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)和工作條件，并在學(xué)習(xí)和生活上予以細(xì) 致的關(guān)懷，在此，向劉教授表示誠摯的感謝。 感謝薛克敏教授、洪深澤教授、曹詩卓教授、董定福副教授等在三年的學(xué) 習(xí)期間給予的幫助、關(guān)懷和教誨。 感謝合肥鍛件制造有限公司朱世明總經(jīng)理和技術(shù)科的葉永旭科長、秦學(xué)楓 技術(shù)員、周昌根技術(shù)員等給予的熱情支持和指導(dǎo)。 李燕、王成勇、李冬生、王榮輝、楊穎、陳從升、謝玉敏、魏士金、尹潔 林等同學(xué)在學(xué)習(xí)期間團(tuán)結(jié)互助，熱情交流，給了我很大的幫助，在此一并表示 衷心的感謝。 三年的碩士研究生生活，使我學(xué)到了許多東西，同時也明確了今后努力的 方向。在本論文完成之際，謹(jǐn)向所有給予我?guī)椭椭С值娜藗冎乱哉\摯的謝意】 作者：金云光 二零零四年五月 第一章緒論 楔橫軋是一種高效的金屬塑性成形新工藝和新技術(shù)。它既是冶金軋制技術(shù) 的發(fā)展，因?yàn)樗鼘④堉频冉孛嫘筒?，發(fā)展到軋制變截面軸類零件：它又是機(jī)械 鍛壓技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)樗鼘嗬m(xù)整體塑性成形，發(fā)展到連續(xù)局部塑性成形。所 以楔橫軋技術(shù)在學(xué)科上屬于冶金與機(jī)械學(xué)科的交叉，在產(chǎn)品生產(chǎn)上屬新興科技 產(chǎn)業(yè) 。 楔橫軋與傳統(tǒng)的鍛造、切削加工工藝比較，生產(chǎn)某些批量大的軸類零件毛 坯，具有效率高、節(jié)材節(jié)能、產(chǎn)品精度高、勞動條件好、摸具壽命長、產(chǎn)品成 本大幅度下降等優(yōu)點(diǎn)。所以該技術(shù)日益受到人們的重視，但由于工藝和設(shè)備特 殊，尤其是它的模具設(shè)計、制造以及工藝調(diào)整十分復(fù)雜，故至今這項(xiàng)技術(shù)在世 界上只為少數(shù)幾個國家掌握。 1 1 楔橫軋成形工藝概述 1 1 1 楔橫軋成形工藝及模具介紹 l 楔橫軋工藝特點(diǎn) 楔橫軋是一種高效率的金屬成形工藝。它的主要特征為加工件在咧轉(zhuǎn)中局 部連續(xù)成形。產(chǎn)品對象為回轉(zhuǎn)軸類毛坯件i2 1 。 密瓣 圖1 1 楔橫軋成形原理圖 l 一帶楔形模具的軋輥：2 一軋件；3 一導(dǎo)扳 楔橫軋如圖1 - 1 所示，兩個帶楔的模具軋輥軸心線平行布置以相同的方 向旋轉(zhuǎn)帶動圓形軋牛旋轉(zhuǎn)，軋件在模具孔型的作用下，經(jīng)過成形、精整、切斷 后，軋制成各種形狀的臺階軸。楔橫軋的變形主要是徑向壓縮與軸向延伸。 2 楔橫軋模具特點(diǎn)和成形原理 楔橫軋模具特點(diǎn)和成形原理可以用模具的展開圖1 2 和展寬部分的軋制原 理圖1 3 加以說明。 o l 籮氣 i li _ 一 圖1 - 2 楔橫軋典型模具展開圖 f ( fm 罩 i ( 】0i i 餅憊沁學(xué) s - 一l 哪f ，廣f矬 p 1 h ， 虬l(fā) 遼驥jci ( ) i 。冉咿 i m e v ? 圖1 3 楔橫軋模具展開部分原理圖 以軋制中間細(xì)兩頭粗對稱軸類零件為例，其模具的組成部分為：將坯料送 入模具的入料段( f - a ) ；將坯料旋轉(zhuǎn)起來并實(shí)現(xiàn)楔底由零上升到楔頂高的楔入 段( a b ) ；完成主要成形的展寬段( b - c ) ；完成最終成形并保證其精度要求的 精整段( c - e ) ：切除多余金屬并保證頭部要求以及成對軋制成形使其斷開的剪 切段( d e ) ；將軋成的軸類件及切頭引入的出料段( e - f ) 。對于復(fù)雜形狀的軸 2 類件，其模具的組成要比上述的復(fù)雜得多，但基本的組成不變。 楔橫軋的主要成形在展寬段( 圖1 2 中的b c 段) 進(jìn)行。展寬段一般由左 右兩條對稱的斜楔組成，斜面和底面( 基圓面) 所成的角稱為成形角，用口表 示；斜面的展開線與中心線o o 的夾角稱為展寬角，用口表示。成形角a 和展 寬角口是楔橫軋模具設(shè)計中最基本、最重要的兩個工藝設(shè)計參數(shù)。圓形坯料在 旋轉(zhuǎn)的軋輥孔型作用下，即在兩條對稱楔的斜面的作用下，實(shí)現(xiàn)徑向壓縮軸向 延伸變形( 在個別情況下為軸向壓縮徑向擴(kuò)大變形，稱堆料軋制) ，達(dá)到軸類件 的成形目的。 這種楔形模具一般是在車床上變螺距方法加工的，也有靠仿形或數(shù)控機(jī)床 ( 銑床或車床) 加工的。為了加工和拆裝的方便，楔橫軋模具一般做成分塊組 裝式的。從何處分塊( 一般為非等分) ，主要從加工制造方便考慮。 由于楔橫軋機(jī)的類型不同，其模具形式也不同。楔橫軋機(jī)的基本類型有三 種：單輥弧形式、輥式和板式。其中輥式軋機(jī)的楔形模具由于加工比較容易， 具有生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，故在國內(nèi)外運(yùn)用最為廣泛 3 1 。 1 1 2 楔橫軋模具設(shè)計 1 楔橫軋模具結(jié)構(gòu) 將楔橫軋模具設(shè)計分為兩類：對稱軸類件的模具設(shè)計( 如圖1 4 a ) ；非對 稱軸類件的模具設(shè)計( 如圖1 - 4 b ) 。所謂對稱軸類件，是指在軸線上存在一根 對稱垂直軸線的各種軸，否則為非對稱軸類件h 1 。 8 卸_ 目三哥 目 e 正主 】 b ， 圖1 - 4 楔橫軋軸類件 a 1 對稱軸b 、非對稱軸 顯然，對稱軸類件的模具孔型的主要特點(diǎn)：相對于軋輥軸線的某根垂線的 兩邊的楔斜線，是完全對稱的。 這種對稱軸類件的典型模具設(shè)計圖如圖1 - 5 所示，分為五個區(qū)段：楔入段、 楔入平整段、展寬段、精整段以及剪切段。每一段的作用和設(shè)計說明如下： a ) 楔入段( a b ) 一 b 。；香 ir h f 1 ， 卜= ： 。露二二 。歹龜：_ 一 ： = 一 s= = r v 6 fi t ! 圖1 5 楔橫軋典型模具結(jié)構(gòu) 楔入段模具孔型的楔尖高度，按阿基米德螺線，由零( 模具基圓) 增至到 楔頂高h(yuǎn) 處。楔入段的作用是實(shí)現(xiàn)軋件的咬入和旋轉(zhuǎn)，并將軋件壓成由淺到深 的v 形槽，其最深處為a r = r o r l 。如圖1 5 中i i 截面所示。 楔頂高h(yuǎn) 和出的關(guān)系為：h = a r + j 式中，占為軋件外徑到模具基圓的距離，其數(shù)值一般為o 3 l m m 。 楔入段的長度厶用下式計算： l ： 上l _ 1 t a n c z t a n 楔入段的成形角口與展寬角口的選擇，主要考慮軋件的旋轉(zhuǎn)條件。為了簡 化模具的設(shè)計與加工，常常讓楔入段的成形角口和展寬角口等于展寬段的數(shù)值。 為了防止楔入段時軋件不旋轉(zhuǎn)，除在斜楔面上刻痕外，還需要在楔入段的 開始處前后的基圓上刻平行于軋輥軸線的刻痕。 b ) 楔入平整段( b c ) 楔入平整段模具孔型形狀保持不變，即此段楔尖高h(yuǎn) 不變，展寬角= 0 。 楔入平整段的作用是將軋件在整周上全部軋成深度為加的v 形環(huán)槽，如圖 l 一5 中的i i i i 截面。其目的是為改善展寬段開始時的塑性變形。 楔入平整段的長度工，用下式進(jìn)行計算： 上： 要以 式中，以一軋件的滾動直徑。 一般取三：= o 6 z m 。，保證在二輥楔橫軋機(jī)上的軋件轉(zhuǎn)動半圈以上。 4 c ) 楔入平整段( c d ) 展寬段模具孔型的楔頂高度不變，但楔頂面與楔底寬度由窄變寬。 展寬段是楔橫軋模具完成成形的主要區(qū)段，軋件直徑壓縮，長度延伸這一 主要變形是在這里完成的，軋件在這段的形狀如圖1 5 中的i i i i i i 截面所示。 楔橫軋的主要工藝設(shè)計參數(shù)口與盧，主要依據(jù)這一段的斷面收縮率妒等因 素確定，模具的長度與軋輥的直徑大小也主要受它的影響。 展寬段的長度厶用下式進(jìn)行計算： 厶= 扣t a n 式中，一軋件軋后以d ，為直徑的長度( 如圖1 - 3 ) 。 楔橫軋的軋制壓力與力矩，在五個區(qū)段是不同的。在一般情況下，展寬段 的壓力與力矩在這些區(qū)段中是最大的。 d ) 精整段( d e ) 精整段模具孔型的楔頂高、楔頂面與楔底的寬度都不變化，展寬角口：0 。 精整段的作用有兩個：一是將軋件在整周上全部軋成所需的尺寸：二將軋 件的全部尺寸精度與表面粗糙度精整后，達(dá)到產(chǎn)品的最終要求。軋件在這一段 的形狀如圖l 一5 中的截面所示。 精整段的長度。用下式進(jìn)行計算： 厶；破 一般取l 。= o 6 z r d 。，保證在二輥楔橫軋機(jī)上軋件轉(zhuǎn)動半圈以上。 e ) 剪切段( e f ) 剪切段的作用是將軋好的軋件切斷。既可以把切刀放在中間把軋件切為兩 件或多件，也可以放在兩頭，切除多余的料頭。因切刀的壽命低，切刀多單獨(dú) 做好再固定在模具上。剪切段都放在孔型的最后，常常與卸載段重合。 2 楔橫軋模具設(shè)計的一般原則 在設(shè)計楔橫軋模具時，般應(yīng)遵循以下幾個原則或條件 5 1 。 a ) 對稱原則 楔橫軋模具展寬的左右兩條斜楔，在設(shè)計上希望完全對稱。這樣，在軋制 的過程中模具兩邊作用在軋件的力是對稱的，因而軋件不會由于軸向力不等而 串動，也不會由于切向力不等而扭曲。 如果軸類件在長度上就是對稱的，那么只要在制造上與工藝調(diào)整上加以注 意，就能滿足對稱原則。 b ) 旋轉(zhuǎn)條件 設(shè)計楔橫軋模具時，軋件在模具孔型的帶動下能正常旋轉(zhuǎn)，是楔橫軋必需 的先決條件。 楔橫軋軋件的整體旋轉(zhuǎn)條件。由于問題比較復(fù)雜，還寫不出判別式。建議 用最不利的截面的旋轉(zhuǎn)條件判別式進(jìn)行判斷，其判別式為： t a n 孺d 】d 2 容易產(chǎn)生橫向變形及心部的較大拉應(yīng)力，產(chǎn)生疏松f 6 1 。 2 非對稱軸類件與帶內(nèi)直角階梯軸的模具設(shè)計 多數(shù)軸類件在長度上是不對稱的，為了使作用于軋件兩邊的力符合對稱原 則，必須采取相應(yīng)的措施，比如第一種，成對軋制，將兩個不對稱的軸類零件 相對在一起軋制；第二種，長棒料軋制，用預(yù)楔軋的方法將非對稱軸類件變?yōu)?對稱軋制：第三種，對稱力軋制，將左右兩條斜楔上的工藝參數(shù)( 成形角a 與 展寬角) 采取不等數(shù)值，使作用在軋件上的力，尤其是軸向力盡可能相等。 第四種，對稱楔軋制，由于兩邊的作用力完全對稱，軋制穩(wěn)定可靠 7 1 。 在楔橫軋的產(chǎn)品中，常遇到帶內(nèi)直角的階梯軸，如圖l - 4 b 所示。對這一類 軸類件，在設(shè)計模具時，存在一個軋齊曲線( 又稱截止曲線) 的問題，即對三 維楔橫軋模具設(shè)計存在一個軋齊曲面的問題。也就是模具孔型按軋齊曲線或軋 齊曲面設(shè)計與加工就能軋出內(nèi)直角的階梯軸來。 如果模具孔型不按軋齊曲線或軋齊曲面進(jìn)行設(shè)計和加工，而是按圖i - 5 中 的a b 斜線一直展寬到內(nèi)直角i 點(diǎn)，然后從i 點(diǎn)過渡到d 點(diǎn)，這樣設(shè)計和加工 出來的模具孔型，雖然簡單，但軋不出帶內(nèi)直角的階梯軸，而是帶螺旋紋的錐 體。所以在設(shè)計模具孔型時，不能以b i d 這條折線，而應(yīng)以斜面爿留與垂直面 b 留“的交點(diǎn)形成的曲線，即b b ，d 這條曲線一一軋齊曲線才能軋內(nèi)直角階梯軸。 i 4 d 、 0 掣 囂 矗。 f s o ji 7 軋 一齊 曲 線 口 1 1 3 楔橫軋工藝設(shè)計 對楔橫軋工藝進(jìn)行設(shè)計時，必須選擇合適的工藝參數(shù)，包括斷面收縮率妒、 成形角d 和展寬角盧川。 a ) 斷面收縮率艫 斷面收縮率妒，是楔橫軋中一個基本工藝參數(shù)。斷面收縮率妒為軋件軋前 面積只減去軋后面積f 與軋前面積瓦之比。 楔橫軋一次的斷面收縮率妒一般應(yīng)小于7 5 。否則容易產(chǎn)生軋件的不旋轉(zhuǎn)， 螺旋縮頸甚至拉斷等問題。如果軸類件產(chǎn)品直徑相差很大，斷面收縮率p 大于 7 5 ，一般采用在同一軋輥模具上兩次楔入軋制，即每次楔入軋制的壓縮率小 于7 5 兩次總壓縮率大于7 5 的方法；在個別情況下，可采用局部堆積軋制的 方法使口大于7 5 。 需要指出的是，斷面收縮率妒小于3 5 時，若工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，不但軋 制精度不易保證，而且容易出現(xiàn)軋件中心疏松等缺陷。因?yàn)槎蔬^小時，金屬只 產(chǎn)生表面變形，軸向沒有流出去，多余的金屬在模具間反復(fù)地揉搓，中心產(chǎn)生 拉應(yīng)力與反復(fù)剪應(yīng)力使中心破坯所致。一般情況下，為避免中心疏松應(yīng)該選擇 小的展寬角和大的成形角。 所以說，楔橫軋最有利的斷面收縮率為：驢= 5 0 7 0 。 b ) 成形角口 成形角是楔橫軋模具設(shè)計兩個最重要、最基本的工藝參數(shù)之一。成形角口對 軋件的旋轉(zhuǎn)條件、疏松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著的影響。 一般情況下，d 角越大，旋轉(zhuǎn)條件越差，容易產(chǎn)生縮頸，但中心疏松條件得到 改善。 根據(jù)理論和實(shí)踐，得到的成形角a 的運(yùn)用范圍一般為：1 8 。口3 2 。斷面 收縮率p 不同時，成形角口應(yīng)選擇不同的數(shù)值。理論和實(shí)踐告訴我們，一般情 況下p 越大，越容易產(chǎn)生縮頸和不旋轉(zhuǎn)問題，而不易發(fā)生中心疏松，故應(yīng)選擇 較小值。 c ) 展寬角口 展寬角與成形角口是楔橫軋模具設(shè)計中最重要，最基本的工藝參數(shù)之一， 它對軋件的旋轉(zhuǎn)條件、疏松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著影響。 一般隋況下，盧角越大，旋轉(zhuǎn)條件越差，容易產(chǎn)生螺旋縮頸，軋制壓力與力矩 增加，但中心疏松條件得到改善。 根據(jù)理論和實(shí)踐，得到的展寬角盧的運(yùn)用范圍一般為：4 0 盧1 2 。為了 減少模具的長度，在模具設(shè)計時應(yīng)盡可能選取較大的角。斷面收縮率妒對展 寬角的影響比較復(fù)雜，般情況下：當(dāng)p 7 0 時，應(yīng)該選擇較小的值， 否則容易產(chǎn)生縮頸；當(dāng)?shù)V 4 0 時，也應(yīng)該選擇較小的值，否則容易產(chǎn)生疏 松。 1 2 楔橫軋技術(shù)的應(yīng)用簡況 1 2 1 國外的應(yīng)用簡況 人們很早就探討用楔橫軋方法成形軸類零件，由于技術(shù)上的原因，一直未 能用于生產(chǎn)。直到本世紀(jì)6 0 年代初，原捷克斯洛伐克首先將輥式楔橫軋技術(shù)應(yīng) 用于工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)汽車軸類件以及五金工具毛坯等。它在萊比錫國際博覽會 上展出，得到人們的廣泛重視，從而成為世界上眾所周知的軸類零件成形的新 工藝和新技術(shù)。6 0 年代后期，原東德將板式楔橫軋機(jī)也研究成功并投入生產(chǎn)。 這項(xiàng)技術(shù)在原蘇聯(lián)也得到廣泛的應(yīng)用，除有輥式、板式楔橫軋機(jī)外，還有單輥 弧形式楔橫軋機(jī)。生產(chǎn)的產(chǎn)品有汽車、拖拉機(jī)、電機(jī)以及煤炭機(jī)械上的軸類零 件。日本三菱公司也將楔橫軋技術(shù)用于生產(chǎn)汽車軸類零件。 1 2 2 國內(nèi)的應(yīng)用簡況 我國早在5 0 年代就開始楔橫軋的試驗(yàn)工作。6 0 年代初，重慶大學(xué)最早進(jìn) 行楔橫軋汽車球銷的實(shí)驗(yàn)研究工作，并獲得了初步成功，但由于某些原因未能 用于工業(yè)生產(chǎn)。7 0 年代初，原東北工學(xué)院( 東北大學(xué)) 在實(shí)驗(yàn)室試軋出火車d 軸 的模擬件，以后與沈陽軋鋼廠合作，試軋出火車d 軸但由于種種原因未能應(yīng)用 于生產(chǎn)。7 0 年代中期，清華大學(xué)與北京電訊工具廠合作，也試軋出尖嘴鉗毛坯。 上海鍛壓機(jī)床三廠研制成功單輥弧形式楔橫軋鯉魚鉗毛坯新工藝，是我國最早 將楔橫軋應(yīng)用生產(chǎn)的單位，并收到較好經(jīng)濟(jì)效果。由于單輥弧形式楔橫軋在模 具制造、工藝調(diào)整等方面十分困難，故一直不能得到推廣。 從7 0 年代初起，北京科技大學(xué)( 原北京鋼鐵學(xué)院) 在較好孔型斜軋技術(shù)基 礎(chǔ)上開展楔橫軋技術(shù)的研究開發(fā)和推廣工作，先后幫助工廠建成楔橫軋生產(chǎn)線 4 0 多條，開發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的零件13 0 多種，包括汽車、拖拉機(jī)、摩托車、油 泵與水泵等機(jī)器的軸類零件，使我國成為世界上開發(fā)并投產(chǎn)楔橫軋產(chǎn)品最多的 國家之一。為此，國家科委編集的中華人民共和國重大科技成果( 1 9 7 9 1 9 8 8 ) ，將北京科技大學(xué)這項(xiàng)研究成果列入，并被國家科委、國家教委以及冶 金工業(yè)部列為“軸類零件軋制( 斜軋與楔橫軋) 研究與推廣中心”。 8 0 年代以來，機(jī)械部的濟(jì)南鑄鍛研究所、鄭州機(jī)械所、北京機(jī)電研究所、 吉林工業(yè)大學(xué)，先后開展了楔橫軋的研究與開發(fā)工作，也取得不同的進(jìn)展。 1 3 楔橫軋模具與工藝c a d c a e 1 3 1 人和計算機(jī)在計算機(jī)輔助設(shè)計中的作用 計算機(jī)輔助設(shè)計是人利用計算機(jī)的特性進(jìn)行設(shè)計的一種方法，它能夠充分 的發(fā)揮人和計算機(jī)各自的特性。人的特性是具有思維、邏輯推理、學(xué)習(xí)和主觀 判斷的能力；麗計算機(jī)具有運(yùn)算快、精度高、信息儲存量大、記憶功能強(qiáng)等特 點(diǎn)。人與計算機(jī)結(jié)合的方式首先由人根據(jù)設(shè)計目標(biāo)將設(shè)計過程與方法進(jìn)行綜合 分析，建立模型( 包括數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)模型、幾何模型) ，編制可運(yùn)行的程序。 在程序運(yùn)行過程中計算機(jī)將發(fā)揮其特長，完成數(shù)值分析、計算、圖形處理以及 信息交換等任務(wù)，而人將根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)與判斷能力對整個設(shè)計過程進(jìn)行控制。 這種控制是通過人一機(jī)對話或圖形顯示的方式進(jìn)行的，讓人和計算機(jī)之間進(jìn)行 信息交流，發(fā)揮各自的特長，獲得最優(yōu)的設(shè)計效果【8 j 。 1 3 2 楔橫軋模具與工藝c a d c a e 的優(yōu)越性 隨著楔橫軋技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品品種規(guī)格的不斷增多，模具設(shè)計、計算及圖 紙繪制等任務(wù)越來越繁重。而隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對楔橫軋工藝提出更高的 要求。傳統(tǒng)的模具設(shè)計已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。計算機(jī)輔助楔橫軋工藝及 模具設(shè)計應(yīng)運(yùn)而生。楔橫軋模具c a d 的優(yōu)勢在于： a ) 縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，使設(shè)計人員從繁重費(fèi)時的計算繪圖中解 脫出來，麗參數(shù)化的楔橫軋模具設(shè)計系統(tǒng)更能減輕設(shè)計人員的工作量，以便把 精力集中到較復(fù)雜的需要創(chuàng)造性的設(shè)計工作中去； b ) 使楔橫軋模具最優(yōu)化設(shè)計成為可能，它既可以對模具的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計，又可以提供多種方案進(jìn)行擇優(yōu)決策，從而提高軋件的精度，改善軋件質(zhì)量， 使軋制過程更加穩(wěn)定，設(shè)計質(zhì)量得到提高； c ) 方便設(shè)計信息的傳遞與共享，特別是軋件和楔橫軋模具孔型三維信息的 傳遞與共享，為模具制造信息化和楔橫軋成形過程的數(shù)值模擬與工藝調(diào)試創(chuàng)造 了有利的條件使楔橫軋模具與工藝c a d c a m c a e 一體化成為可能。 鑒于楔橫軋技術(shù)和生產(chǎn)對楔橫軋模具c a d 系統(tǒng)的迫切需求，有必要在研究 楔橫軋工藝及模具設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計出楔橫軋模具c a d 系統(tǒng)，并投入到生 產(chǎn)中，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會效益【9 j 。 在物理模擬的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)值模擬對其變形過程進(jìn)行定量分析，能掌握 其內(nèi)在的變形規(guī)律，為工藝設(shè)計和生產(chǎn)實(shí)際提供指導(dǎo)。目前在國內(nèi)外均在這方 面開始了研究。楔橫軋變形是復(fù)雜的三維變形，其變形區(qū)為三維立體空間，變 形機(jī)理十分復(fù)雜。通過數(shù)值模擬，能夠得到軋件的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布的準(zhǔn)確 信息，還能獲取楔橫軋變形過程中的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變及載荷、變形區(qū)形狀等重 要信息。 模擬的另外一個重要作用是通過成形過程的模擬，預(yù)測軋件在成形過程 中可能出現(xiàn)的缺陷，然后對模具或者工藝進(jìn)行改進(jìn)以求達(dá)到滿意的效果。通過 數(shù)值模擬能夠優(yōu)化軋件的成形方案，校驗(yàn)楔橫軋模具與工藝設(shè)計中的旋轉(zhuǎn)條件、 縮頸條件、疏松條件，以及通過模擬，比較選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)( 包括斷面縮 減率妒、成形角口、展寬角等) ，即在數(shù)值環(huán)境下進(jìn)行虛擬的模具與工藝調(diào)試， 達(dá)到滿意的效果之后，再在實(shí)際環(huán)境下迸行模具與工藝調(diào)試。這樣既能保證軋 件的成形質(zhì)量、提高了精度，又能減少模具與工藝調(diào)試的次數(shù)，提高了效率， 減輕了勞動量，降低了成本。 此外，對楔橫軋成形過程進(jìn)行大量的模擬，能夠總結(jié)出楔橫軋成形過程的 內(nèi)在規(guī)律和楔橫軋模具與工藝設(shè)計方面的經(jīng)驗(yàn)。 1 4 本課題的來源和主要研究內(nèi)容 1 4 1 課題的來源 合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司，是汽車鍛件的專業(yè)生產(chǎn)廠家，專門生產(chǎn)汽車 前軸、半軸、汽車傳動軸等產(chǎn)品。該公司在北京機(jī)電研究所的幫助下，建成了 楔橫軋生產(chǎn)線，從事軸類件的生產(chǎn)。然而該公司技術(shù)科在汽車變速箱二軸等產(chǎn) 品的楔橫軋模具與工藝設(shè)計中遇到大量工藝計算、繪圖、改圖和工藝調(diào)試方面 的問題。這些問題制約了該公司楔橫軋產(chǎn)品的開發(fā)。本課題是合肥汽車鍛件有 限責(zé)任公司與合肥工業(yè)大學(xué)的橫向合作項(xiàng)目汽車鍛件的計算機(jī)輔助工藝與模 具設(shè)計的一個子項(xiàng)目：計算機(jī)輔助楔橫軋工藝及模具設(shè)計，其內(nèi)容包括楔橫 軋模具c a d 系統(tǒng)、楔橫軋成形過程的數(shù)值模擬、楔橫軋軋件缺陷診斷分析幫 助系統(tǒng)。 1 ，4 2 研究意義 將三維c a d 技術(shù)、基于特征建模技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)引入到楔橫軋模具設(shè) 計領(lǐng)域；將三維c a d 技術(shù)、程序自動化技術(shù)引入到軋齊曲線、軋齊曲面的設(shè) 計中；采用有限元數(shù)值模擬的方法進(jìn)行虛擬調(diào)試為工藝調(diào)試、模具調(diào)試提供指 導(dǎo)。 采用本c a d 系統(tǒng)進(jìn)行楔橫軋模具與工藝設(shè)計，采用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化 模具設(shè)計中的各個主要參數(shù)，縮短模具設(shè)計時間，迅速響應(yīng)客戶和市場的需求： 通過對模擬結(jié)果的分析，可以較早發(fā)現(xiàn)軋件的問題并及時解決，降低廢品率， 提高產(chǎn)品的質(zhì)量等等。因此，通過楔橫軋模具c a d 系統(tǒng)、軋制過程的有限元 數(shù)值模擬、軋件缺陷診斷分析幫助系統(tǒng)，不僅大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、降低 了開發(fā)成本、而且提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，因此有著巨大的市場經(jīng)濟(jì)效益。 1 4 3 主要的研究內(nèi)容 本課題研究的主要內(nèi)容有： a ) 隨著c a d 技術(shù)的發(fā)展，三維c a d 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為工業(yè)界一個必 然的趨勢；而到目前為止，楔橫軋的模具與工藝設(shè)計大多基于二維c a d 技術(shù)。 本課題一個主要的工作就是將三維c a d 技術(shù)引入到楔橫軋模具及工藝設(shè)計中， 并用三維商品化的c a d 軟件s o l i d w o r k s 進(jìn)行楔橫軋模具與工藝設(shè)計。 b ) 通過v i s u a lb a s i c 對三維c a d 軟件s o l i d w o r k s 進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計出楔 橫軋模具與工藝設(shè)計專用的c a d 系統(tǒng)。并將該系統(tǒng)內(nèi)嵌到s o l i d w o r k s 環(huán)境中， 使其作為s o l i d w o r k s 的一個插件來使用。這樣就能使用戶在s o l i d w o r k s 環(huán)境下， 根據(jù)軋件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)交互地設(shè)計楔橫軋的成形方案，選擇相應(yīng)的模具楔體或切 刀，輸入相應(yīng)的工藝參數(shù)( 成形角和展寬角等) 和一些相應(yīng)的尺寸( 如：軋輥 的半徑、階梯軸的大徑尺寸、小徑尺寸及階梯軸的長度等) ，便能參數(shù)化生成楔 橫軋模具三維模型。 c ) 對于帶內(nèi)直角的階梯軸的模具設(shè)計，在研究楔橫軋軋齊理論的基礎(chǔ)上， 根據(jù)體積相等原則，確定軋齊曲線的開始位置，求出軋齊曲線的曲線方程。再 根據(jù)三維空間關(guān)系，將軋齊曲線方程轉(zhuǎn)換成三維曲線方程，并通過程序的方式， 繪制出相應(yīng)的三維軋齊曲線。然后根據(jù)三維軋齊曲線生成軋齊曲面。 d ) 將通過楔橫軋模具與工藝設(shè)計專用c a d 系統(tǒng)生成的三維模具模型，導(dǎo) 入c a e 系統(tǒng)中，進(jìn)行相應(yīng)的處理后，對楔橫軋的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取 成形過程的應(yīng)力、應(yīng)變、變形區(qū)形狀及材料流動等信息，對楔橫軋的成形質(zhì)量 進(jìn)行分析，預(yù)測軋件的成形缺陷，驗(yàn)證楔橫軋模具與工藝設(shè)計的正確性。 e ) 參考相應(yīng)的文獻(xiàn)，收集資料；并根據(jù)對楔橫軋成形過程的大量數(shù)值模擬 總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律。以此為根據(jù)，設(shè)計一套楔橫軋軋件缺陷診斷分析幫助系統(tǒng)， 嵌入到s o l i d w o r k s 中，為楔橫軋工藝設(shè)計人員提供參考。 上 t 藝技模具c a d成形過程有限，e 模擬 麓形宵襞卜一 一藝參數(shù)l 一 ii i 一幾何模型l 模具結(jié)構(gòu)i 1 馴結(jié)果卜 l 。 。b模擬結(jié)果 l 模具參數(shù)卜 物理模型l _ j i i “d i hp 冰“c n | c 坩 | li i 扎竹猷晌哆耕竹付r 慣聯(lián)i 圖1 - 6c a d 、c a e 及診斷模塊的關(guān)系 上述的計算機(jī)輔助楔橫軋工藝及模具設(shè)計的幾個部分，相互之間不是獨(dú)立 的，它們構(gòu)成了一個有機(jī)的整體。如圖卜6 所示，c a d 部分為c a e 部分提供 了楔橫軋模型信息，又可以根據(jù)c a e 數(shù)值模擬的結(jié)果，驗(yàn)證c a d 部分模具及 工藝設(shè)計的可行性和正確性，并根據(jù)模擬的結(jié)果對c a d 部分的模具及工藝設(shè) 計進(jìn)行改避。：對楔橫軋威形過程進(jìn)行大量族搬；一i 總結(jié)出楔橫軋內(nèi)在的成形規(guī)律 和相應(yīng)的設(shè)箭經(jīng)驗(yàn)，棒藹軋粹缺貉診斷劈額徽系統(tǒng)的信息來源；麗j ： 牛缺陷 診斷分析幫霸系統(tǒng)叉可以為c a d 郝分被互慧鞋訪和模具設(shè)計提供參考、1 指導(dǎo)。 第二章楔橫軋模具設(shè)計c a d 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境 本章主要基于課題的具體要求，介紹了楔橫軋工藝與模具設(shè)計的現(xiàn)狀和采 用三維技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的需求，然后簡單介紹了三維c a d 技術(shù)，并闡述了三維 c a d 技術(shù)的應(yīng)用成為工業(yè)界的必然趨勢。以商品化的三維c a d 軟件s o l i d w o r k s 的應(yīng)用為例，將三維c a d 技術(shù)引入到楔橫軋模具及工藝設(shè)計中；闡述了楔橫 軋模具及工藝設(shè)計對模具c a d 系統(tǒng)的要求和模式；最后介紹楔橫軋模具設(shè)計 c a d 系統(tǒng)的開發(fā)工具，即可視化的開發(fā)環(huán)境v i s u a lb a s i c 、商品化的三維c a d 軟件s o l i d w o r k s 及其二次開發(fā)。 2 1 將三維c a d 技術(shù)引入到楔橫軋工藝及模具設(shè)計中 2 1 1 楔橫軋工藝及模具設(shè)計現(xiàn)狀 楔橫軋成形屬于復(fù)雜的三維成形過程，其成形模具也相當(dāng)復(fù)雜。到目前為 止，在大多數(shù)的教科書中，都是用二維的圖紙來說明楔橫軋成形原理內(nèi)容。這 樣不利于楔橫軋成形過程的表達(dá)，不利于技術(shù)人員對其成形過程的理解；由二 維的楔橫軋模具展開圖來說明楔橫軋模具的結(jié)構(gòu)，雖然起到一定的效果，但與 三維的實(shí)體模型相比還是有一定的差距，這就限制了人們對楔橫軋成形模具結(jié) 構(gòu)的把握。特別是在二維的環(huán)境下，對楔橫軋的展寬原理、軋齊原理就更加難 以把握。 在這種條件下，對楔橫軋的模具及工藝設(shè)計也大多基于二維圖紙。這樣不 易表達(dá)清楚所設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)和參數(shù)，不便于技術(shù)人員之間的交流：楔橫軋工 藝參數(shù)( 斷面縮減率、成形角、展寬角等) 與模具模型的對應(yīng)關(guān)系不是很明確； 而且楔橫軋模具二維圖的信息含量不高，不便于后續(xù)的模具加工制造和楔橫軋 成形過程的數(shù)值模擬對模具模型信息的要求。 在楔橫軋模具及工藝的設(shè)計過程中，常常因?yàn)橐粋€或者幾個工藝參數(shù)的改 變而需重新進(jìn)行參數(shù)計算和繪制設(shè)計圖，重復(fù)工作量大，設(shè)計周期長，設(shè)計結(jié) 果準(zhǔn)確性受影響；而且楔橫軋模具的參數(shù)計算具有一定的規(guī)律性。因此人們在 基于二維的楔橫軋模具及工藝設(shè)計專用c a d 系統(tǒng)方面做了一些工作，并取得 了定的效果。a u t o c a d 是一種交互式通用二維繪圖軟件，其簡單的人機(jī)交互 參數(shù)輸入就是利用文本提示，由用戶輸入?yún)?shù)，完成繪圖和編輯工作。二維楔 橫軋模具及工藝設(shè)計專用c a d 系統(tǒng)就是利用a u t o c a d 的交互功能，利用 a u t o c a d 提供的多種二次開發(fā)工具及內(nèi)嵌的a u t ol i s p 高級語言，在輸入必要 的主參數(shù)之后，由程序計算和繪圖，再由a u t o c a d 的二次開發(fā)功能完成個模 塊的連接，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化自動化繪圖。 北京科技大學(xué)開發(fā)的c w r t c a d 是比較典型的楔橫軋模具設(shè)計專用c a d 1 4 系統(tǒng)，主要適用于板式楔橫軋模具設(shè)計問題，也可以用于輥式楔橫軋模具的展 開圖的設(shè)計。 2 1 2 三維c a d 技術(shù) 1 三維c a d 技術(shù)概況 長期以來，工程師都在使用二維的工程圖紙來設(shè)計產(chǎn)品、進(jìn)行技術(shù)交流， 直到現(xiàn)在，二維工程圖在實(shí)際的設(shè)計和生產(chǎn)過程中仍然起著重要的作用。但隨 著社會和技術(shù)的發(fā)展，如今產(chǎn)品越來越復(fù)雜，消費(fèi)者對產(chǎn)品的功能和外觀有越 來越高的要求，傳統(tǒng)的二維工程圖已經(jīng)不能滿足這些要求。 當(dāng)今世界，全球制造企業(yè)之間的競爭越來越激烈，隨著我國加入w t o 之 后，國內(nèi)市場將成為國際市場的一部分，國內(nèi)制造業(yè)，特別是汽車行業(yè)要贏得 競爭，應(yīng)以市場為中心，以滿足顧客需求為目標(biāo)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動力，快速 地響應(yīng)市場變化，并迅速占領(lǐng)市場。隨著c a d 軟件的推廣和應(yīng)用，許多企業(yè) 在二維c a d 軟件的應(yīng)用方面，取得了可喜的成果，基本上甩掉了圖板，使繪 圖、出圖工作更加科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，逐步與國際接軌。二維c a d 技 術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、電子、航天、化工、建筑等行業(yè)。應(yīng)用二維c a d 技術(shù)起到了提高企業(yè)的設(shè)計效率、優(yōu)化設(shè)計方案、減輕技術(shù)人員的勞動強(qiáng)度、 縮短設(shè)計周期、加強(qiáng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化等作用。與此同時，二維c a d 軟件的功能 局限性逐漸暴露出來，已不能適應(yīng)企業(yè)的需求【1 0 l 。 三維c a d 技術(shù)將工程師從繁瑣的二維設(shè)計中解脫出來，使他們把更多的鞘 力用到產(chǎn)品設(shè)計中去?，F(xiàn)代的三維c a d 技術(shù)不僅僅能夠創(chuàng)建包含有豐富信息 的實(shí)體模型，還可以利用設(shè)計出三維實(shí)體模型進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)的干涉檢查、模 擬裝配、動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析、強(qiáng)度分析、設(shè)計模具、數(shù)控加工、美工處理等。 對企業(yè)來講，應(yīng)用三維c a d 技術(shù)，不僅能夠設(shè)計出產(chǎn)品的實(shí)體模型，更重要 的是設(shè)計出模型后的多種處理工作，通過這些處理可以大大提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì) 量、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本。這些都是二維c a d 技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。所 以三維c a d 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為工業(yè)界一個必然的趨勢。 2 基于特征建模技術(shù) 在三維c a d 技術(shù)中，有一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，即基于特征建模技術(shù)。特征 建模技術(shù)的基本思想是：零件由一些與特征加工方法相匹配的形狀和結(jié)構(gòu)組成， 因而它包含了幾何建模數(shù)據(jù)、工藝設(shè)計及加工工藝數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)計者使用形狀特 征設(shè)計零件時，同時可以把工藝信息、加工信息直接傳遞到分析模塊、加工模 塊，以滿足集成系統(tǒng)的需要。在這種情況下，特征成為產(chǎn)品設(shè)計和制造感興趣 的對象，例如“孔”、“槽”等形狀特征，在這里就不再表示為“圓柱”、“立方 體”等幾何對象了。這種技術(shù)是將特征作為產(chǎn)品描述的基本單元，并將產(chǎn)品描 述成特征的幾何。每一個特征，通常由若干屬性來描述，以說明形成特征的制 造工序類別及特征的形狀、長、寬、直徑、角度等以滿足生產(chǎn)要求。特征作為 產(chǎn)品模具開發(fā)中各種信息的載體，包含了幾何形狀及相關(guān)語義，將其定義為“一 組具有確定關(guān)系的幾何實(shí)體，它同時包含某種特定的功能的語義信息1 4 j ，。 特征建模是c a d 建模方法的一個里程碑，其主要可以概括如下： a ) 特征建模使產(chǎn)品設(shè)計工作不停留在底層的幾何信息上，而依據(jù)產(chǎn)品的功 能要素，如鍵槽、螺紋孔、花鍵等比較高的功能模型上。特征的引用不僅直接 體現(xiàn)設(shè)計意圖，也直接對應(yīng)著加工方法，這樣便于計算機(jī)輔助工藝規(guī)程的設(shè)計 和組織生產(chǎn)： b ) 特征建模以訓(xùn)算機(jī)能夠理解和處理的同一產(chǎn)品模型代替產(chǎn)品設(shè)計、工藝 設(shè)計、模具設(shè)計等各個環(huán)節(jié)的連接，它使得產(chǎn)品設(shè)計和原來后續(xù)的各個環(huán)節(jié)并 行展開，系統(tǒng)內(nèi)部信息共享，真正實(shí)現(xiàn)c a d c a e c a m c a p p 一體化集成，縮 短了開發(fā)周期： c ) 有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、制造方法的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化，真正做到 設(shè)計時就考慮到加工，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了成本。 3 參數(shù)化技術(shù) 參數(shù)化技術(shù)是三維c a d 技術(shù)中另外項(xiàng)重要的技術(shù)。參數(shù)化技術(shù)是提高 圖形設(shè)計智能化水平的重要技術(shù)之一。上一世紀(jì)八十年代，計算機(jī)輔助設(shè)計的 廣泛應(yīng)用使參數(shù)化技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外提出了許多約束求解模型與方法， 使參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)【l “。 根據(jù)圖形重構(gòu)的方法，可以將參數(shù)化技術(shù)分為兩類：程序參數(shù)化與交互參 數(shù)化。程序參數(shù)化方法將生成圖形的過程編成程序，程序的流程就是圖形的生 成步驟。這種參數(shù)化方法求解快，不需要通用的推理算法；但程序參數(shù)化專用 性很強(qiáng)，一個程序只能設(shè)計一個固定的圖形，而且程序設(shè)計比較復(fù)雜，對復(fù)雜 產(chǎn)品的圖形參數(shù)化很不經(jīng)濟(jì)。程序參數(shù)化一般應(yīng)用在結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 比較簡單、數(shù)據(jù)計算量大的產(chǎn)品設(shè)計中。交互參數(shù)化則需要建立圖形的幾何約 束模型以表達(dá)設(shè)計意圖，并通過同一的幾何推理算法( 幾何約束求解器) 重新 求解圖形的各個元素，以得到整個新的圖形。交互參數(shù)化方法重在建立圖形的 統(tǒng)一表示模型，對任何圖形都采用同一的求解算法，因此參數(shù)化實(shí)現(xiàn)方法相對 簡練，適用于通用的c a d 系統(tǒng)f 】。 參數(shù)化方法通過對圖形作參數(shù)化建模來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)化建模通過捕捉模型中 幾何元素之間的約束關(guān)系，將幾何圖形表示為幾何元素及其約束關(guān)系組成的幾 何約束模型。幾何約束捕捉技術(shù)與幾何求解技術(shù)是參數(shù)化建模的兩大關(guān)鍵技術(shù)。 參數(shù)化模型中的幾何約束有兩種獲取方式。其一，在幾何模型的生成過程中， 有特定的繪圖關(guān)鍵字在繪圖過程中記錄約束關(guān)系，這種約束捕捉方式比較容易 實(shí)現(xiàn)，但會增加繪圖命令的復(fù)雜性。常見的參數(shù)化c a d 軟件由這種方式來實(shí) 現(xiàn)。其二，在圖形生成以后，可以通過特殊的約束識別算法，對常規(guī)圖形系統(tǒng) 的幾何模型進(jìn)行分析得到。在分析圖形拓?fù)涮匦缘耐瑫r，也可以由用戶制定約 1 6 束類型，以加快約束識別的效率。在約束識別的同時還可以進(jìn)行約束的一致性 檢查。幾何約束系統(tǒng)的求解是參數(shù)化建模的另一個關(guān)鍵技術(shù)【l 。“j 。 參數(shù)化求解方法的成熟使得參數(shù)化c a d 系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，參數(shù)化成為 c a d 必備的功能之一。國外一些著名的c a d 系統(tǒng)u g 、s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r 等都具有較強(qiáng)的參數(shù)化設(shè)計功能與三維特征造型功能。 參數(shù)化技術(shù)在計算機(jī)輔助設(shè)計( c a d ) 中得到廣泛的應(yīng)用，一般的c a d 系 統(tǒng)劉產(chǎn)品設(shè)計的支持可以分為兩類：自頂向下( t o p d o w n ) 設(shè)計模式和自底向 上( b o t t o m u p ) 設(shè)計模式。自頂向下設(shè)計模式從產(chǎn)品的裝配模型出發(fā)，先確定 裝配體的基本結(jié)構(gòu)和約束關(guān)系，然后對裝配進(jìn)行細(xì)化設(shè)計。自底向上設(shè)計模式 先對各個零部件進(jìn)行設(shè)計，然后再組裝為裝配體。工程師的設(shè)計過程一般符 合自頂向下的設(shè)計模式。從廣義上講，產(chǎn)品設(shè)計過程是一個設(shè)計約束滿足過程， 產(chǎn)品從功能模型、概念模型逐漸進(jìn)化到結(jié)構(gòu)模型，并以工程圖的形式體現(xiàn)。產(chǎn) 品的設(shè)計約束常常是功能約束