锻模CAD/CAM一体化技术

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锻模CAD/CAM一体化技术1．锻模与CAD/CAM的特点

7 n- i2 A1 W9 a细致研究锻模的特点，有针对性地开发锻模CAD/CAM系统，才能在保证锻模质量的同时，提高工作效率，使开发的锻模CAD/CAM系统既符合锻造工艺要求，实用性强，又小巧灵活，简便易学。
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从CAD/CAM的角度看，锻模有以下一些特点：
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( T) \3 O# [* Z2 \. a8 B7 x4 M" z1. 型腔表面的单值性

8 y4 W: Z7 R2 M) ]锻模型腔表面是一张光滑的单值曲面，锻模型腔的这一几何形状特征在很大程度上由锻造工艺决定。如果出现凸的不光滑，锻造时锻就会因接触挤压失效而出现塌陷；如果出现凹的不光滑，有可能出现充不满现象。而型腔表面的单值性与锻件的出模有关。

% [6 J, T4 H$ K$ K型腔表面三维造型时，通常需要进行多曲面光滑过渡。利用通用CAD软件提供的三维造型工具来进行多曲面光滑过渡，需要进行规模较大的复杂解析运算。不同的CAD软件，解析运算的能力不同。即便解析能力较强的软件，也常常需要进行多次尝试才能完成造型。对于使用者而言 ，必须不断摸索，积累经验，才能顺利完成造型工作。因此，研究方便实用的多曲面光滑过渡算法，提高型腔表面三维造型的效率是一个有实际意义的课题。
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2. 锻模型腔具有起模斜度、过渡圆角和分模面。这些形状被称为工艺形状。锻模工艺形状使需要光滑过渡的曲面数目增多，因而增加了三维造型的复杂性。充分考虑工艺形状的特点，相应构造一些算法，实现全部或部分工艺形状的自动添加，可使造型过程在为简化。
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3. 锻模型腔的加工可采取不同方式

. V8 X' f8 t+ U3 t" O, W" X锻模型腔的NC加工可采取两种方式：①直接进行锻模型腔的NC加工；②先采用NC机床加工极，再采用EDM加工锻模型腔。因此，在实施锻模CAD/CAM时，所生成的三维模型可能是凹的（型腔）或凸的（电极）。对于锻模CAD/CAM系统而言，应当能够适应这两种加工方式。具体地说，应当能够生成两种加工方式的刀具轨迹和NC加工程序。

) a2 \7 ^# o+ u( O  e6 ~8 ]4 o4. 锻模CAD/CAM与锻造工艺不可分割

熟悉锻造工艺的人都清楚，锻造工艺与锻模的关系是密不可分的。锻模的型腔是由锻造工艺决定的，而模具被称为工艺设备，它保证锻造工艺的实施。因此，在构造锻模CAD/CAM系统时，应当考虑到锻造工艺的需要，给出工艺分析计算的工具。而这些分析计算工具，也是锻模CAD/CAM本身所需的。

2．技术内容和技术关键
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$ @; d* l: I& t. J1. 锻模的三维造型

5 @  O! a' F- n3 J锻模的三维造型是一项艰苦的工作。在利用锻模CAD/CAM一体化系统设计制造锻模的过程中，三维造型要花费大量的时间和精力。因此减少三维造型的工作量是软件开发人员的责任。根据锻模的形状特点，构造特殊的三维造型算法，是将三维造型的工作量降到最低的有效途径。

对于形状复杂的型腔而言，构造光滑的型面是三维造型中一个难题，常常再现以下问题：

0 n& I, V  r; G1）需要把整个曲面分成许多小块曲面，然后把这些小曲面连接起来。光滑过渡问题由使使用者考虑。这无疑要花费大量的时间和精力。
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- }3 V9 _5 T! r  [" H$ ^( L$ @2）在通用CAD系统中，曲面间的光滑连接是一个解析运算过程。当多个曲面参与运算时，有时有解，有时无解；是否有解，有时还与操作的顺序有关。这些都需要使用者不断摸索，积累经验。

* Q) ^! S+ Y$ q' {3 K3）曲面间光滑过渡的解析运算一般需要占用较多计算机资源，因此对硬件有较高的要求。
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. b, T# u8 z" T/ f二次加工法是解决这些问题有效方法之一。所谓二次加工法是开发一个光顺算法，对三维造型后的模型自动进行二次加工，使构成锻模型腔表面和各曲面达到光滑连接的要求。光顺算法只对不光滑的地方进行光顺，而对光滑表面不起作用。这样，在采用通用CAD的造型工具进行三维造型时，可以不必过多考虑曲面间的光滑连接和过渡，大大节省了造型时间。由于光顺加工是自动进行的，所以增加了系统的封装性。

我们可以注意到这样一个事实：如果把锻模的工艺形状从三维模型上分离出来，锻模型腔的形状就变形十分简单了。我们把分离了工艺形状的形状称为锻模的概念模型（如图1a）。相反地，如果有了概念模型，再在它上面添加上工艺形状，就可得到锻模的最终形状。基于以上分析，可以给出简化三维造型过程的一个策略：在通用CAD平台上只构造概念模型，然后采用一系列算法和程序，在概念模型上把工艺形状自动添加上去，最终形成所需的锻模型腔模型（如图1b）。由于构造概念模型只需花费构造锻模型腔最终模型1/51/10的时间，而自动添加工艺形状可在无需人工干预的情况下由计算机在短时间内完成，因此这种方法可大大减轻三维造型工作的压力。

2. 刀位面

实现NC自动编程的关键是生成刀位面。刀位面是锻模型面的偏置曲面，也是所有可能的刀具轨迹的集合。
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假定刀具为球头铣刀，并设P（X，Y，Z）是锻模型面S上的任意一点，Q（X，Y，Z）是相应于S的刀位面S´上与P点在同一法线上的点。那么P是刀具球面与锻模型面的切点，PQ两点的距离等于刀具球头半径，如图2所示。

设锻模型面S由矢量方程表示为 r（u,υ）＝s(u,υ)
其参数方程为 X＝X（u,υ），Y＝Y（u,υ），
Z＝Z（u,υ）
! t6 Y$ |9 E" y" F则锻模型面S上任一点的法向矢量n为

法矢n的方向余弦为 cosα＝JX/L，cosβ＝JY/L，cosγ＝JZ/L
: X+ w' l% C9 Z$ V其中

相应的刀位面方程为

  \8 T; S% w: C. {! ?6 c式中，R为刀具球头半径。
7 q+ M% Z5 T! }, t# s
通常，按上述方法生成析位面必须进行偏置解析运算。当锻模型面比较复杂时，需要大量的计算机时。而且，在解析计算过程中不能预报过切或干涉的情况，需要在计算完成后再进行过切或干涉检查。触角法是一种独特的计算刀位面的算法。这种算法使偏置计算和防止过切、干涉处理一次完成，生成过切无干涉刀位面。由于这种算法减少了人工干预，最大限度地降低了人为差错。此外，这种算法占用计算机资源少，速度快，既可以用于锻模型腔也可用于电极，效果十分明显。
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3. NC加工代码

% ?2 C4 z- [% t. d有了刀位面信息，再生成刀具轨迹进而生成加工代码就是一件容易的事了。然而，怎样在保证加工精度的同时提高加工效率始终是一个值得研究的课题。
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用球头铣刀加工锻模型面时，刀痕在行间构成了被称为切残量的加工表面不平度h，如图3所示。当刀具半径R给定时，切残量h与行切间距Δs之间的关系为
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* y, n$ i3 ]5 L6 y9 O0 G8 G( G式中，为被加工型面的倾斜角。
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于是，当切残量h限定为hα时，由上式可知，行切Δs间距唯一地由被加工型面倾斜角ψ决定。这样，在保证切残量不变的前提下，可以实现行切间距值按加工点的倾斜角不同来自调节。

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4. 工艺分析计算
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, n$ [5 d: u9 i0 ?5 |+ \  \工艺分析计算的目的的为锻模加工工艺提供不可缺少的数据，同时也为锻造工艺提供必要的和辅助的分析工具。

（1）物性计算 物性计算主要包括锻模型腔投影面积、投影面积的周长和面心、锻件最大截面面积、最大截面高度、型腔体积、锻件质量、锻件长度、打击中心、变形力和变形功等参数的计算。

（2）截面信息 在屏幕任意位置和方位的截面图，并计算出截面面积。
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（3）计算坯料图 在屏幕或打印机上显示或输出计算坯料图。该图可以用截面面积方式和当量半径方式来表示。
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% ?/ b4 m) v4 E& i8 [5. 辊锻工艺CAD及模具的CAD/CAM

（1）辊锻件特征截面的参数化 辊锻件的特征截面是指那些形状必须由辊锻工艺严格保证的截面。对辊锻件的特征截面进行分类，可以将具有几何相似性的一组特征截面用一个带有参数的特征截面来表示。带有参数特征截面被称为“父截面”。图4给出父截面的例子。

2）辊锻件的三维造型 辊锻工艺的特点决定了辊锻件常常是长轴类零件，而辊锻件的形状基本上是由特征截面决定的。根据辊锻件的形状特点，采用一般扫描法进行三维造型比较合适。但是，一般扫描法只能生成过渡函数给定的三维形体，这一局限性常常不能满足辊锻件三维造型的要求，必须进行改进。
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模糊过渡 曲面造型方法较好地处理了过渡中既有一次过渡，又有二次过渡的情况。

以过渡形体的过渡类型为论域U，一次过渡和二次过渡是U上的两个模糊子集，则模糊过渡函数可以表示为

& T: N1 |: p' G  g7 o# l! P0 ^  }1 C# K分别是过渡类型对一次过渡和二次过渡的隶属函数。

模糊过渡公式为
) \; c4 o! `4 g) s+ p0 _Pm(t)=[1-Bfm(t)]Ps(θ)+Bfm(t)Pe(θ)
模糊过渡中的隶属函数和的确定原则是：在满足形状精度要求的基础上，保证过渡形体的光滑，消除一般过渡可能引起的重叠断壁现象。隶属函数和的构造使得在一次过渡部分值随着向边界处的靠近而逐渐减小，而值逐渐增大；在二次过渡部分值随着向交界处的靠近而逐渐减小，而值逐渐增大；在两者交界处，

通过对由特征截面参数化方法生成的特征截面的规格化，采用模糊过渡曲面造型算法，可以生成两个特征截面之间的三维形体。利用一个特别定义的双链表数据结构，把所有预先定义好的特征截面联系起来，就可以生成整个辊锻件的三维形体。

（3）辊锻模的三维造型 辊锻的三维造型与辊锻件的三维造型相似，只是辊锻模的三维形体是分布在一特定圆弧上的。这一过程的实现可通过直角坐标向极坐标的转换完成。辊锻模的理论和每一区段的前滑值 可采用人机交互输入，工作半径可采用当量矩形的工作半径的近似计算获得。
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（4）辊锻模的CAM 根据锻模的特点，辊锻模的加工采用卧式加工中心最合适。在采用行切法加工时，使球头铣刀沿着模具的径向，每切削一行加工出一个孔型的一半，这样可以较好地保证辊锻模型腔的形状精度。每加工完一行后，铣刀沿切向移动一个角度行距，直至将整个型腔加工完毕。
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3 Y+ G, r7 C! z辊锻模CAM的关键是刀具轨迹的计算。就第一行切削而言，刀具加工出模具型腔的一条轮廓曲线。刀具中心到被加工轮廓曲线上与刀具球面相切一点的距离为刀具半径。因此，理想的刀具轨迹是被加工轮廓曲线的一条等距线。当被加工轮廓曲线用三次B样条曲线拟合时，就可以得到该曲线的参数表达式
ri(t)=B-1,3(t)Vi-1+B0,3(t)Vi+B1,3(t)Vi+1+B2,3(t)Vi+2
) r: d0 |& m6 \
4 ]: E* u2 a6 {  J, O3 p4 O% Z式中，V0，V1，…，Vn为n+1个控制顶点，Bi,3(t)(i=-1,0,1,2)为基函数，定义为

- I/ X! b" {2 S' x# S/ Q6 v  u5 G4 \B-1,3(t)=(-t3+3t2-3t+1)/6
B0,3(t)=(3t3+6t2+4)/6
; \, V$ B" }6 e6 H5 V3 YB1,3(t)=(-3t3+3t2+3t+1)/6
B2,3(t)=t3/6
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2 m9 Y4 B% ^8 C控制点可以用如下方法确定：将插值节点和端点条件带入上式，获得一个系数矩阵为三对角阵的线性方程组，求解这个方程即可求得控制点。

0 O3 d+ B; N6 |( x  M设已知轮廓曲线上的三次B样条插值节点为Pi，与相应的等距线上的节点为Qi，则有

Qi=Ri+Rd·ni (i=0,1,…,n)
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式中，ni为曲线ri(t)上的节点Pi处的单位法矢量，Rd为球头铣刀的刀具半径。
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用节点Qi构造的等距线不能避免过切和不连续现象，必须进行单值化处理。单值化处理后，再经过三次B样条件似合即可得到刀具轨迹。
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3．使用范围

; i. ]# [# N& P* |: G锻模CAD/CAM技术可应用于专业锻造厂、专业模具厂、综合性机械生产业的锻造厂和模具厂以及机械工厂的锻造车间和模具车间。据统计全国共有锻造企业约10000家，锻模制造企业20003000家。如果有相当一部分企业应用锻模CAD/CAM技术，将会推动全行业的技术进步，产生巨大的经济效益。
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目前，我国的锻造企业和锻模生产企业中CAD/CAM技术的应用水平很不平衡，一些企业起点较高，并收到了实效。但仍有许多企业还没有起步或刚起步。这些企业对应用CAD/CAM技术兴趣浓厚，但对如何着手应用，在应用中应注意哪些问题，还没有经验。根据国内外一些企业的成功经验，开展CAD/CAM技术应用应当做好需求分析、总体方案、科学决策、组织管理和人才培训等几方面，采取长远规划、分步实施、重点突破的原则，才能提高投资。
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' ]# m$ B8 y8 S$ s7 A$ {4．发展前景
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: d( Q9 T! y. _: \5 A8 F锻模CAD/CAM一体化虽已逐渐成熟，但还远远没有到达完善的程度。新技术的产生和发展，将使锻模CAD/CAM技术的发展更加活跃。在今后一个时期内，锻模CAD/CAM技术将在以下几方面得到发展。

* j% H% n' M2 S3 J% B. E1. 锻模CAD/CAM与CAE的一体化

; {; I9 p; R9 |# o: x锻造工艺过程的数值模拟是近年来金属塑性加工领域的研究热点之一。一些研究成果已经开始得到应用，逐渐成为锻造工艺设计的工具。锻模CAD/CAM/CAE的一体化系统将成为锻造工艺师、工程师更加有力的“助手”。

7 v6 w5 ~- x( M: F8 ?3 }2. 锻模CAD/CAM与CAE在统一数据库下的集成

独立的锻压库系统目前已经研制成功。将锻压CAE与锻模CAD/CAM在此锻压数据库下集成，使之成为有机的整体已提上议事日程，相信在不远的将来就会实现。
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3. 逆向工程

所谓逆向工程是通过构造特殊的模拟算法从终锻形状逆推出前一道或前若干道工序的形状，从而找到最佳的工艺路线，实现整个工艺过程的自动设计。这是一个艰难的研究课题，目前国内刚刚起步。

4. 锻模的虚拟设计制造

8 M2 j8 Z7 c) `( s) A, P虚拟设计制造是在计算机上施行设计制造过程的新技术。应用这一技术可以在真实制造之前对设计制造过程进行全方位模拟，对设计和制造工艺可行性进行全面评价。在确认可行后，再投入现实的制造过程。对锻模而言，有以下几方面研究内容：①虚拟环境构造；②锻件及锻模的可视化；③锻造过程模拟；④加工过程模拟与可视化；⑤虚拟测量；⑥加工误差建模及虚拟精度控制等。