三维楔横轧模具辅助设计系统的应用

文/袁文生·济南瑞力得数控机械工程有限公司

王忠雷，李兆东，程钢·山东建筑大学

三维楔横轧模具辅助设计系统的应用

文/袁文生·济南瑞力得数控机械工程有限公司

王忠雷，李兆东，程钢·山东建筑大学

楔横轧工艺作为一种先进的金属塑性成形方法，以其材料利用率高，生产效率高，模具寿命长，成形设备吨位小等优点，已越来越受到人们的广泛重视。其中辊式楔横轧机因占地少、结构紧凑而备受青睐，但是辊式楔横轧机模具形状复杂，其设计、计算及图纸的绘制任务十分繁重，而且加工制造困难，这已经成为楔横轧工艺进一步推广和发展的主要障碍。

近年来为了解决楔横轧模具设计困难、加工制造效率低的问题，国内众多学者对楔横轧模具的计算机辅助设计系统进行了研究。其中楔横轧模具形状的描述是系统的关键和难点，通常的解决方法是基于某些大型的三维CAD软件进行二次开发，如杜凤山等基于SolidWorks系统实现了楔横轧模具网络化辅助设计系统；杨宏青等基于Pro/E的接口，开发了楔横轧模具CAD/CAPP/CAM集成系统；赵静等基于Pro/E的二次开发，推出了汽车半轴楔横轧模具辅助设计系统。这些系统能够清楚地表达楔横轧模具三维模型，并为后续的数控加工提供了极大的方便。但是这些系统运行时需要特定的CAD系统支持，增加了系统配置的困难，提高了系统的成本，降低了系统的灵活性。

为了摆脱楔横轧辅助设计系统对于大型三维CAD软件的依赖，济南瑞力得数控机械工程有限公司和山东建筑大学共同对楔横轧模具的辅助设计软件进行了研究，开发了不需要任何特定CAD系统支持的楔横轧模具三维辅助设计软件，提高了软件的灵活性，降低了成本，解决了楔横轧模具设计效率低、三维几何模型建立困难的问题。本文着重介绍楔横轧模具的辅助设计软件在楔横轧模具辅助设计中的实际应用情况。

设计系统介绍

楔横轧模具集成辅助设计系统，实现了楔横轧模具设计全过程的辅助设计计算，主要包括轴类零件的输入与计算模块、模具设计计算模块、模具设计结果的输出模块、支持数据库模块等功能模块。

轴类零件的输入与计算模块，包括轴类零件输入和轴类零件计算两个子模块。轴类零件输入子模块，主要实现进行楔横轧成形的零件形状的输入，系统中的轴类零件采用轴段进行描述，以轴段为单位进行添加、修改和删除，方便实现零件形状的输入，并可以输出零件的图纸。轴类零件的计算模块，实现零件坯料图计算、原始棒料计算、热锻件图计算，为模具设计做准备。

模具的设计计算模块，包括楔横轧设备的选择、成形模具工艺参数选择、成形模具型孔布局、成形模具型孔计算等模块，分别完成模具设计计算的各个步骤。

模具设计结果的输出模块，包括二维CAD图纸输出子模块，实现模具设计二维图纸的输出；三维STL模型输出子模块（CAM接口），采用STL格式实现模具三维模型的输出；有限元模拟前处理文件输出接口（CAE接口）子模块，利用模具和坯料的三维模型，直接生成DEFORM－3D的前处理文件，实现与CAE软件的接口；动画演示子模块，实现了模具运行过程的动画演示，使用户可以形象、清晰地观察和验证实验结果。

支持数据库维护模块包括材料数据库维护子模块、楔横轧设备数据库维护子模块及工艺参数数据库维护子模块。

系统总体的功能流程如图1所示。

图1 辅助设计系统总体功能流程图

设计系统应用

零件的输入

根据楔横轧产品的特点，选用圆柱体、圆台体、圆弧回转体作为构造轧件的基本单元体，轴类零件的编辑通过基本单元体的添加、修改和删除完成。包括基本单元体的类型选择、数据输入、操作功能、示意图形和轴类零件图等几个功能区域，如图2所示为零件输入的主界面及输入的典型轴类零件的示意图。

图2 轴类零件输入界面示意图

图3 轴类零件计算界面示意图

轴类零件的计算

进行轴类零件计算的界面包括输入参数、原料参数、显示图形类型、控制区和图形显示区等几个部分，如图3所示。进行轴类零件计算时，首先设置轴向和径向的热膨胀系数，然后设定轴向和径向的加工余量，并选择原始坯料的直径进行计算。可以得到原始坯料的长度、体积和重量等参数，并获得坯料图、热轧件图和原料图。

设计模块应用

模具设置时需要进行参数的选择，包括楔横轧机的类型、轧辊中心距、成形角和展宽角等，还需要选择开始轧制的轴段。然后点击模具设计即可进行设置，计算获得各个楔形的参数。为了方便加工整个模具，一般分为多个模块进行加工，可以对整个模具进行分割。

图4 模具二维图纸

设计结果输出模块

模具设计结果的输出模块包括：二维CAD图纸输出子模块，实现模具设计二维图纸的输出，如图4所示；三维STL模型输出子模块（CAM接口），采用STL格式实现模具三维模型的输出，如图5所示；动画演示子模块，实现模具运行过程的动画演示，使用户可以形象、清晰地观察和验证试验结果。

图5 模具三维模型

结束语

本文对新开发的楔横轧模具的辅助设计系统进行了总结分析，展示了楔横轧模具三维建模系统，介绍了系统的应用方法，对企业的实际生产有一定的借鉴意义。

产业［分析］ Industry