楔橫軋模具CAD/CAM系統開發

摘要

　　非對稱細長軸類件形狀復雜，種類繁多并且加工困難，隨著楔橫軋技術的迅速發展，為非對稱細長軸的加工提供了方便、高效的加工方法。然而又出現了新的問題，即楔橫軋模具的設計和制造，因為對應的軸類件形狀復雜、模具設計繁瑣、加工制造困難，所以在楔橫軋模具的設計制造中應用 CAD/CAM 技術，可以提高楔橫軋模具的質量，縮短模具設計制造周期，從而可以解決上述問題。

　　本文針對楔橫軋模具，利用Pro/E提供的開發工具包Pro/TOOLKIT，進行基于Pro/E 的 CAD/CAM 系統二次開發研究。利用 VC++ 編程語言，使用 Pro/E 中的Pro/TOOLKIT調用函數與MFC可視化對話框技術開發出應用程序界面，使系統操作方便、靈活、人機界面友好；對提高楔橫軋模具的設計水平，實現模具制造自動化具有實際意義。其中，首先對給定的非對稱細長軸進行了楔橫軋模具的設計，然后應用基于特征的建模技術，把模具特征進行分類存儲后供參數化建模提取利用，生成了楔橫軋模具的三維實體模型；然后對模具的加工方案進行分析，確定出模具的加工工藝以及模具加工的數控代碼。

　　開發的楔橫軋模具CAD/CAM系統主要由三部分組成，包括楔橫軋模具特征模型的建立、模具的計算機輔助工藝設計和模具的計算機輔助制造。此外，還建立了ACCESS數據庫，并且使其與VS2005連接，可以處理系統所需要的模具特征信息、模具的加工工藝信息、以及刀具的信息等數據，然后，針對特定的數控加工中心的機床生成合理的數控代碼。

　　關鍵詞：楔橫軋；特征建模；CAD/CAM；Pro/TOOLKIT；MFC

Abstract

　　Asymmetric-slender shaft parts with complicated shape and variety is difficult for processing. With the rapid development of Cross wedge Rolling technology, a convenient and efficient processing method for processing the asymmetric-slender shaft is produced.

　　However, there is an emergent new problem: Designning and manufacturing of CWR die,the shaft shape is more complex the die designing is more complex and the manufacturing is more difficult. So the CAD/CAM technology is used in cross wedge rolling mould production, this can improve the quality of cross wedge rolling mould, shorten the cycle of mould design and manufacture and importantly solve the above problems.

　　For wedge rolling mould, this text utilize the Pro/E development kit Pro/TOOLKIT to secondary development on CAD/CAM system of Pro/E. Use VC++ programming language, Pro/TOOLKIT to call function and MFC visual dialog box technology to develop the application program interface, this system is easy to operate, flexible, friendly man-machine interface, it has practical significance on the design level of cross wedge rolling mould and realizing automation of mould manufacturing. First design CWR mould for a given asymmetric-slender shaft, then application of feature modeling technology make the mould features storage with classification for parametric modeling extraction then generate 3D solid model of cross wedge rolling tool. After that analysis mould processing scheme and confirm of NC code processing mould and generate cross wedge rolling die.

　　On the basis of the theoretical study, empolder system of CAD/CAM for CWR die including the establishment of cross wedge rolling mould feature model, computer aided process design of the die and computer aided manufacturing mold. In addition, this research establishment of the ACCESS database, and make this database connection with VS2005 to handle mold character information that processing system required, the die processing technology information and the tool information. And then aimed at the specific NC machining center generate reasonable NC code.

　　Keyword: cross wedge rolling; feature modeling; CAD/CAM; Pro/TOOLKIT; MFC

　　隨著交通運輸業的快速發展，各種軸類零件的需求量與日俱增，如鐵路車輛用軸和汽車用軸等，這些零件中大部分為非對稱軸類零件，甚至有更難以加工的需求量大的非對稱細長階梯軸類件。因此可以用易加工且生產效率高的楔橫軋方法進行加工，楔橫軋技術屬于冶金和機械學科的交叉，并且該工藝切削少或無切屑，擁有材料利用率高、產品精度高、成本低等優點[1]。

　　楔橫軋加工的關鍵是軋輥(即模具)的設計和制造，模具設計人員的工作特別繁重，模具設計量大、周期長、任務急。在制造方面，模具的傳統加工方法已不能滿足楔橫軋技術發展的需要。因此用數控加工代替普通的車床加工，但對于曲面復雜單件小批量的模具而言數控編程一直是數控機床應用的“ 瓶頸”。使數控機床發揮效力的關鍵必須解決加工工件數控程序的編制問題，所以利用計算機輔助NC編程是解決這一問題的唯一途徑，模具CAD/CAM集成技術的引入將技術人員從繁冗的計算、繪圖和數控編程中解放出來，并可以提高模具設計和制造的水平，提高模具質量，也可以節省時間提高效率，大幅度降低成本[2-4]。

　　利用CAD/CAM集成技術解決了模具設計人員工作量大的問題，避免人工重復進行模具的修改，從而可以縮短模具設計的周期，在工藝上實現加工特征自動排序，在制造方面，解決加工工件數控程序的編制問題�？傊�，對軋輥的每一次修正都不需要技術人員重新進行設計、制定工藝，手工編程等繁瑣的重復性工作，降低了人工勞動程度，提高正確率，提高模具設計和制造的水平，節約時間、降低成本。

　　楔橫軋是一種軸類零件成型新工藝、新技術。與傳統的切削、鍛造零件成型工藝比較，它具有生產效率高、節約材料、生產成本低等優點，被公認是當今先進制造技術的組成部分。在學科上，楔橫軋屬于冶金軋制和機械制造的交叉學科。楔橫軋和冶金軋制都劃分在軋制范疇以內，因為他們都是連續式的回轉成形加工，但是用傳統的冶金軋制所生產的產品是等截面的，如圓形棒材等，其結果是一種半成品，而用楔橫軋方法所生產的產品是變截面的，即由不同圓截面組成的軸類零件，他比冶金軋制更先進，是冶金軋制的發展。楔橫軋和鍛造加工零件時，零件都產生的是塑性變形，然而又與斷續、整體模鍛成形方法不同，它是連續的、零件局部成形，因為成形是連續的，所以他的生產效率提高了；又因為成形是局部的，所以他的載荷又會特別小，特點是設備小，模具壽命高[5,6]。所以楔橫軋是鍛造技術的發展，是一種塑性成形的新技術。

　　早在19世紀，人們就試圖用楔橫軋的加工方法加工軸類零件，但是由于此時楔橫軋在技術上的局限性，一直都未應用于實踐。一直到了1961年時，捷克斯洛伐克的特瑞汽車制造廠研究人員Jiri Holub發表了關于楔橫軋的專利，楔橫軋才作為一種新形零件成形工藝被世界所關注[7,8]。Jiri Holub在自己設計的軋機上對幾種不同的典型軸類零件進行了實驗研究，研究結果不僅可以軋制出帶有直角的臺階，還可以對錐角臺階、弧形臺階、窄槽臺階進行軋制。并且零件過渡處的圓角、尖棱尖角也可以軋制出來。本實驗充分證明了，楔橫軋生產效率高、材料利用率大，與傳統的切削相比，產品在綜合機械性能方面有了大幅度的提高。

　　1962年，東德開始對楔橫軋進行研究，于1965年研制成板式軋機，1967年UWQ80軋機設計制造成功[9]。60年代，日本三棱重工、原蘇聯也開始對楔橫軋進行研究，分別制造出MCR、ACK型二輥楔橫軋機。原蘇聯在70年代的時候開始對空心軸類零件的楔橫軋工藝進行研究，終于在70年代末生產出空心機軸。并且在80年代初，利用冷溫楔橫軋工藝生產370多種零件[9]。70年代時期，在日本楔橫軋工藝已經有了廣泛應用。1971年開始，汽車的傳動軸就有用楔橫軋工藝進行生產的，到1980年為止，已經有10多種產品可以用楔橫軋生產。在1976年，日本佐藤公司引進原東德Erfurt公司的楔橫軋模鍛自行車曲柄生產線，于是就誕生了汽車齒輪軸用楔橫軋方法生產的生產線。于此同時，楔橫軋聯合工藝也應用于生產各種軸類零件，生產效率得到了明顯的提高[10]。

　　我國早在50年代就開始了楔橫軋的探討和試驗。重慶大學在1963年開始對汽車球頭銷進行楔橫軋試驗的工作，到1970年的時候取得了初步的成功。在1974年，東北工學院對鐵路車輛貨車的D軸進行三輥楔橫軋研究，用了5年的時間終于軋出了合格的產品零件。清華大學軋出了“127”尖嘴鉗的毛坯，該工作是在一臺二輥的楔橫軋機上進行的，并且經過多年的試驗終于使得該產品達到了生產水平要求。上海鍛壓機床三廠應用單輥弧式的楔橫軋機，建立了鯉魚鉗的軋制生產線，首次將楔橫軋技術在國內大量用于生產[11]。

　　70年代北京科技大學一直在對楔橫軋進行研究探索，期間分別與北京齒輪廠、803廠合作，采用楔橫軋工藝，成功軋制出汽車減速箱二軸毛坯和100滑甲彈彈體[9]。

　　并且在1979年，與無錫紅雷工具廠一起研發了用楔橫軋技術生產木鑿毛坯，并為此設計了一臺軋機，在1980年的時候投入生產。從此我國誕生了將輥式楔橫軋機應用于大量實際生產的單位。進入80年代，北京科技大學與生產實際相結合，先后研究出了各種楔橫軋工件，推動了該技術的大力發展[12]。近幾年楔橫軋技術日益成熟，該技術已被大多數國家全面掌握。同時伴隨著該技術的應用與推廣，大量的楔橫軋產品不斷涌現，加工范圍也日益擴大。

　　在70年代中期，外國就對楔橫軋模具CAD/CAM有了研究，MOCKEL用BASIC語言開發了一套在ROBOTRON個人PC機和工作站都可以運行的楔橫軋模具CAD系統。同時，前蘇聯用FORTRAN也開發了一套CAD系統，此系統沒有圖形功能，但是可以實現楔橫軋模具的參數化設計[13,14]。

　　90年代初，英國伯明翰大學開發出了一套楔橫軋模具CAD/CAM系統，該系統在分類編碼系統的基礎上把模具沿長度方向分為兩類：對稱和非對稱。用戶可以應用系統的程序包對已經給的幾何圖形生產一個相近的模具，并且模具設計數據可以加載到數控機床上進行模具加工，其不足處是該系統只可用于平板式楔橫軋模具[15]。

　　國內對楔橫軋模具CAD/CAM的研究于1987年北京科技大學開始，首次對楔橫軋孔型作了探討，在計算機上用節點法描述楔橫軋軋件模型[16]。以此為基礎，在1989年成建新對楔橫軋模具CAD作了更深一層次的研究，建立了經常用到的楔橫軋軋件數學模型和楔的計算機模型，此系統可以處理十幾種楔的基本形式[17]。

　　1988年，袁偉對軋制雙階梯軸類件的三輥楔橫軋模具進行研究，包括計算機程序設計、以Fortran語言為工具進行了全套設計、用Basic程序進行了繪圖命令文件的生成、并且可以打印出計算結果和圖紙[18]。接著，任廣升等建立了對稱軋件的二輥楔橫軋模具CAD系統，該系統可以繪制軋件圖、計算坯料參數、選擇和校核軋機、完成模具圖和模具周向位置的剖面圖的設計和計算及繪制軋齊曲線[19]。

　　1992年，楔橫軋模具孔型圖形的層次結構概念首次被王寶雨博士提出，把復雜模具孔型拆分為簡單的、單個的基本楔形。并且綜合分析了大量的楔橫軋模具孔型，最終確定了三種基本楔形，把他們作為基本楔形來構造楔橫軋模具圖形。并且開發出應用于實際的楔橫軋模具CWRTCAD系統，該系統是在三維投影變換的數學模型基礎上建立起來的，而且是第一個應用于生產實際的楔橫軋模具CAD系統[20]。

　　2002年，楊宏青、王寶雨等人對楔橫軋模具CAD/CAPP集成化信息模型進行研究，提出了基于特征的楔橫軋模具CAD/CAPP集成化信息模型建模方法，并且應用該研究對一典型對稱模具進行分析，結果顯示此特征信息模型不僅能清楚地反映模具的基本組成，還能確切的對楔橫軋模具的加工工藝信息進行完整的描述。

　　在2004年的時候，他們又對楔橫軋模具CAD/CAPP/CAM集成系統進行了研究，詳細的介紹了楔橫軋模具CAD/CAPP/CAM集成系統開發的總體思想以及各個模塊的開發機制。用特征技術構造不同模塊間的模具特征信息模型，使得模具信息可以在不同的狀態空間進行轉換和傳遞，完成整體系統的信息集成[21,22]。

　　2006年，林永明、王寶雨等人對楔橫軋模具的一種數控加工方法進行研究，針對楔橫軋模具的結構特征和數控加工特點，提出了一種新的加工方法即無軸向導程加工，并且闡述了該加工方法的特點，把該加工方法的效率和傳統數控加工進行比較，得出該方法大大的提高了加工效率[23]。

楔橫軋模具CAD/CAM系統開發：

系統主界面

開發后的 Pro/E 主界面

非對稱細長軸楔橫軋模具工程圖

選取要輸入的模具參數界面

模具基體參數輸入界面

模具槽參數輸入界面

模具楔參數輸入界面

模具幾何參數顯示界面

模具幾何模型

目 錄

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第 1 章 緒論
　　　　1.1 課題背景及研究的目的和意義
　　　　1.2 楔橫軋技術及研究現狀
　　　　1.3 楔橫軋模具 CAD/CAM 研究現狀
　　　　1.4 CAD/ CAM 技術及研究現狀
　　　　1.5 論文研究內容
　　第 2 章 楔橫軋模具參數選取及設計
　　　　2.1 楔橫軋模具設計原則
　　　　　　2.1.1 對稱軸類件楔橫軋模具設計原則
　　　　　　2.1.2 非對稱軸類件楔橫軋模具設計原則
　　　　2.2 模具設計
　　　　　　2.2.1 毛坯與坯料的確定
　　　　　　2.2.2 模具結構參數的選取
　　　　　　2.2.3 模具楔的設計
　　　　　　2.2.4 旋轉條件判斷
　　　　2.3 本章小結
　　第 3 章 基于特征的楔橫軋模具參數化建模
　　　　3.1 特征的概念
　　　　3.2 模具特征分類及結構
　　　　　　3.2.1 模具從幾何特征角度分類
　　　　　　3.2.2 模具從系統集成角度分類
　　　　　　3.2.3 模具形狀特征分類及層次結構
　　　　3.3 模具的特征建模
　　　　　　3.3.1 模具特征信息模型
　　　　　　3.3.2 模具特征建模成形分析
　　　　　　3.3.3 模具信息的定義及存儲
　　　　　　3.3.4 參數化特征建模的生成
　　　　3.4 模具特征建模系統結構設計
　　　　3.5 本章小結
　　第 4 章 楔橫軋模具數控加工工藝分析
　　　　4.1 模具數控加工工藝的制定
　　　　　　4.1.1 數控機床的選擇
　　　　　　4.1.2 夾具及裝夾方案的確定
　　　　　　4.1.3 對刀點和換刀點的選取
　　　　　　4.1.4 刀具的選擇
　　　　　　4.1.5 切削用量的確定原則
　　　　　　4.1.6 工步劃分及排序
　　　　4.2 模具數控程序的編制
　　　　　　4.2.1 槽加工走刀路線
　　　　　　4.2.2 楔特征加工走刀路線
　　　　　　4.2.3 生成數控代碼功能的實現
　　　　4.3 模具 CAPP 模塊系統的結構設計
　　　　4.4 本章小結
　　第 5 章 楔橫軋模具 CAD/CAM 系統的開發
　　　　5.1 系統開發環境及平臺
　　　　　　5.1.1 系統運行的軟硬件環境
　　　　　　5.1.2 系統總體設計平臺
　　　　5.2 系統功能簡介
　　　　5.3 系統的使用
　　　　　　5.3.1 CAD 模塊的使用
　　　　　　5.3.2 CAPP 模塊的使用
　　　　　　5.3.3 CAM 模塊的使用
　　　　5.4 本章小結
　　結 論
　　參考文獻