楔横轧模具CAD/CAM系统开发

摘要

　　非对称细长轴类件形状复杂，种类繁多并且加工困难，随着楔横轧技术的迅速发展，为非对称细长轴的加工提供了方便、高效的加工方法。然而又出现了新的问题，即楔横轧模具的设计和制造，因为对应的轴类件形状复杂、模具设计繁琐、加工制造困难，所以在楔横轧模具的设计制造中应用 CAD/CAM 技术，可以提高楔横轧模具的质量，缩短模具设计制造周期，从而可以解决上述问题。

　　本文针对楔横轧模具，利用Pro/E提供的开发工具包Pro/TOOLKIT，进行基于Pro/E 的 CAD/CAM 系统二次开发研究。利用 VC++ 编程语言，使用 Pro/E 中的Pro/TOOLKIT调用函数与MFC可视化对话框技术开发出应用程序界面，使系统操作方便、灵活、人机界面友好；对提高楔横轧模具的设计水平，实现模具制造自动化具有实际意义。其中，首先对给定的非对称细长轴进行了楔横轧模具的设计，然后应用基于特征的建模技术，把模具特征进行分类存储后供参数化建模提取利用，生成了楔横轧模具的三维实体模型；然后对模具的加工方案进行分析，确定出模具的加工工艺以及模具加工的数控代码。

　　开发的楔横轧模具CAD/CAM系统主要由三部分组成，包括楔横轧模具特征模型的建立、模具的计算机辅助工艺设计和模具的计算机辅助制造。此外，还建立了ACCESS数据库，并且使其与VS2005连接，可以处理系统所需要的模具特征信息、模具的加工工艺信息、以及刀具的信息等数据，然后，针对特定的数控加工中心的机床生成合理的数控代码。

　　关键词：楔横轧；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

　　随着交通运输业的快速发展，各种轴类零件的需求量与日俱增，如铁路车辆用轴和汽车用轴等，这些零件中大部分为非对称轴类零件，甚至有更难以加工的需求量大的非对称细长阶梯轴类件。因此可以用易加工且生产效率高的楔横轧方法进行加工，楔横轧技术属于冶金和机械学科的交叉，并且该工艺切削少或无切屑，拥有材料利用率高、产品精度高、成本低等优点[1]。

　　楔横轧加工的关键是轧辊(即模具)的设计和制造，模具设计人员的工作特别繁重，模具设计量大、周期长、任务急。在制造方面，模具的传统加工方法已不能满足楔横轧技术发展的需要。因此用数控加工代替普通的车床加工，但对于曲面复杂单件小批量的模具而言数控编程一直是数控机床应用的“ 瓶颈”。使数控机床发挥效力的关键必须解决加工工件数控程序的编制问题，所以利用计算机辅助NC编程是解决这一问题的唯一途径，模具CAD/CAM集成技术的引入将技术人员从繁冗的计算、绘图和数控编程中解放出来，并可以提高模具设计和制造的水平，提高模具质量，也可以节省时间提高效率，大幅度降低成本[2-4]。

　　利用CAD/CAM集成技术解决了模具设计人员工作量大的问题，避免人工重复进行模具的修改，从而可以缩短模具设计的周期，在工艺上实现加工特征自动排序，在制造方面，解决加工工件数控程序的编制问题。总之，对轧辊的每一次修正都不需要技术人员重新进行设计、制定工艺，手工编程等繁琐的重复性工作，降低了人工劳动程度，提高正确率，提高模具设计和制造的水平，节约时间、降低成本。

　　楔横轧是一种轴类零件成型新工艺、新技术。与传统的切削、锻造零件成型工艺比较，它具有生产效率高、节约材料、生产成本低等优点，被公认是当今先进制造技术的组成部分。在学科上，楔横轧属于冶金轧制和机械制造的交叉学科。楔横轧和冶金轧制都划分在轧制范畴以内，因为他们都是连续式的回转成形加工，但是用传统的冶金轧制所生产的产品是等截面的，如圆形棒材等，其结果是一种半成品，而用楔横轧方法所生产的产品是变截面的，即由不同圆截面组成的轴类零件，他比冶金轧制更先进，是冶金轧制的发展。楔横轧和锻造加工零件时，零件都产生的是塑性变形，然而又与断续、整体模锻成形方法不同，它是连续的、零件局部成形，因为成形是连续的，所以他的生产效率提高了；又因为成形是局部的，所以他的载荷又会特别小，特点是设备小，模具寿命高[5,6]。所以楔横轧是锻造技术的发展，是一种塑性成形的新技术。

　　早在19世纪，人们就试图用楔横轧的加工方法加工轴类零件，但是由于此时楔横轧在技术上的局限性，一直都未应用于实践。一直到了1961年时，捷克斯洛伐克的特瑞汽车制造厂研究人员Jiri Holub发表了关于楔横轧的专利，楔横轧才作为一种新形零件成形工艺被世界所关注[7,8]。Jiri Holub在自己设计的轧机上对几种不同的典型轴类零件进行了实验研究，研究结果不仅可以轧制出带有直角的台阶，还可以对锥角台阶、弧形台阶、窄槽台阶进行轧制。并且零件过渡处的圆角、尖棱尖角也可以轧制出来。本实验充分证明了，楔横轧生产效率高、材料利用率大，与传统的切削相比，产品在综合机械性能方面有了大幅度的提高。

　　1962年，东德开始对楔横轧进行研究，于1965年研制成板式轧机，1967年UWQ80轧机设计制造成功[9]。60年代，日本三棱重工、原苏联也开始对楔横轧进行研究，分别制造出MCR、ACK型二辊楔横轧机。原苏联在70年代的时候开始对空心轴类零件的楔横轧工艺进行研究，终于在70年代末生产出空心机轴。并且在80年代初，利用冷温楔横轧工艺生产370多种零件[9]。70年代时期，在日本楔横轧工艺已经有了广泛应用。1971年开始，汽车的传动轴就有用楔横轧工艺进行生产的，到1980年为止，已经有10多种产品可以用楔横轧生产。在1976年，日本佐藤公司引进原东德Erfurt公司的楔横轧模锻自行车曲柄生产线，于是就诞生了汽车齿轮轴用楔横轧方法生产的生产线。于此同时，楔横轧联合工艺也应用于生产各种轴类零件，生产效率得到了明显的提高[10]。

　　我国早在50年代就开始了楔横轧的探讨和试验。重庆大学在1963年开始对汽车球头销进行楔横轧试验的工作，到1970年的时候取得了初步的成功。在1974年，东北工学院对铁路车辆货车的D轴进行三辊楔横轧研究，用了5年的时间终于轧出了合格的产品零件。清华大学轧出了“127”尖嘴钳的毛坯，该工作是在一台二辊的楔横轧机上进行的，并且经过多年的试验终于使得该产品达到了生产水平要求。上海锻压机床三厂应用单辊弧式的楔横轧机，建立了鲤鱼钳的轧制生产线，首次将楔横轧技术在国内大量用于生产[11]。

　　70年代北京科技大学一直在对楔横轧进行研究探索，期间分别与北京齿轮厂、803厂合作，采用楔横轧工艺，成功轧制出汽车减速箱二轴毛坯和100滑甲弹弹体[9]。

　　并且在1979年，与无锡红雷工具厂一起研发了用楔横轧技术生产木凿毛坯，并为此设计了一台轧机，在1980年的时候投入生产。从此我国诞生了将辊式楔横轧机应用于大量实际生产的单位。进入80年代，北京科技大学与生产实际相结合，先后研究出了各种楔横轧工件，推动了该技术的大力发展[12]。近几年楔横轧技术日益成熟，该技术已被大多数国家全面掌握。同时伴随着该技术的应用与推广，大量的楔横轧产品不断涌现，加工范围也日益扩大。

　　在70年代中期，外国就对楔横轧模具CAD/CAM有了研究，MOCKEL用BASIC语言开发了一套在ROBOTRON个人PC机和工作站都可以运行的楔横轧模具CAD系统。同时，前苏联用FORTRAN也开发了一套CAD系统，此系统没有图形功能，但是可以实现楔横轧模具的参数化设计[13,14]。

　　90年代初，英国伯明翰大学开发出了一套楔横轧模具CAD/CAM系统，该系统在分类编码系统的基础上把模具沿长度方向分为两类：对称和非对称。用户可以应用系统的程序包对已经给的几何图形生产一个相近的模具，并且模具设计数据可以加载到数控机床上进行模具加工，其不足处是该系统只可用于平板式楔横轧模具[15]。

　　国内对楔横轧模具CAD/CAM的研究于1987年北京科技大学开始，首次对楔横轧孔型作了探讨，在计算机上用节点法描述楔横轧轧件模型[16]。以此为基础，在1989年成建新对楔横轧模具CAD作了更深一层次的研究，建立了经常用到的楔横轧轧件数学模型和楔的计算机模型，此系统可以处理十几种楔的基本形式[17]。

　　1988年，袁伟对轧制双阶梯轴类件的三辊楔横轧模具进行研究，包括计算机程序设计、以Fortran语言为工具进行了全套设计、用Basic程序进行了绘图命令文件的生成、并且可以打印出计算结果和图纸[18]。接着，任广升等建立了对称轧件的二辊楔横轧模具CAD系统，该系统可以绘制轧件图、计算坯料参数、选择和校核轧机、完成模具图和模具周向位置的剖面图的设计和计算及绘制轧齐曲线[19]。

　　1992年，楔横轧模具孔型图形的层次结构概念首次被王宝雨博士提出，把复杂模具孔型拆分为简单的、单个的基本楔形。并且综合分析了大量的楔横轧模具孔型，最终确定了三种基本楔形，把他们作为基本楔形来构造楔横轧模具图形。并且开发出应用于实际的楔横轧模具CWRTCAD系统，该系统是在三维投影变换的数学模型基础上建立起来的，而且是第一个应用于生产实际的楔横轧模具CAD系统[20]。

　　2002年，杨宏青、王宝雨等人对楔横轧模具CAD/CAPP集成化信息模型进行研究，提出了基于特征的楔横轧模具CAD/CAPP集成化信息模型建模方法，并且应用该研究对一典型对称模具进行分析，结果显示此特征信息模型不仅能清楚地反映模具的基本组成，还能确切的对楔横轧模具的加工工艺信息进行完整的描述。

　　在2004年的时候，他们又对楔横轧模具CAD/CAPP/CAM集成系统进行了研究，详细的介绍了楔横轧模具CAD/CAPP/CAM集成系统开发的总体思想以及各个模块的开发机制。用特征技术构造不同模块间的模具特征信息模型，使得模具信息可以在不同的状态空间进行转换和传递，完成整体系统的信息集成[21,22]。

　　2006年，林永明、王宝雨等人对楔横轧模具的一种数控加工方法进行研究，针对楔横轧模具的结构特征和数控加工特点，提出了一种新的加工方法即无轴向导程加工，并且阐述了该加工方法的特点，把该加工方法的效率和传统数控加工进行比较，得出该方法大大的提高了加工效率[23]。

楔横轧模具CAD/CAM系统开发：

系统主界面

开发后的 Pro/E 主界面

非对称细长轴楔横轧模具工程图

选取要输入的模具参数界面

模具基体参数输入界面

模具槽参数输入界面

模具楔参数输入界面

模具几何参数显示界面

模具几何模型

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题背景及研究的目的和意义
　　　　1.2 楔横轧技术及研究现状
　　　　1.3 楔横轧模具 CAD/CAM 研究现状
　　　　1.4 CAD/ CAM 技术及研究现状
　　　　1.5 论文研究内容
　　第 2 章 楔横轧模具参数选取及设计
　　　　2.1 楔横轧模具设计原则
　　　　　　2.1.1 对称轴类件楔横轧模具设计原则
　　　　　　2.1.2 非对称轴类件楔横轧模具设计原则
　　　　2.2 模具设计
　　　　　　2.2.1 毛坯与坯料的确定
　　　　　　2.2.2 模具结构参数的选取
　　　　　　2.2.3 模具楔的设计
　　　　　　2.2.4 旋转条件判断
　　　　2.3 本章小结
　　第 3 章 基于特征的楔横轧模具参数化建模
　　　　3.1 特征的概念
　　　　3.2 模具特征分类及结构
　　　　　　3.2.1 模具从几何特征角度分类
　　　　　　3.2.2 模具从系统集成角度分类
　　　　　　3.2.3 模具形状特征分类及层次结构
　　　　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 模具信息的定义及存储
　　　　　　3.3.4 参数化特征建模的生成
　　　　3.4 模具特征建模系统结构设计
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 楔横轧模具数控加工工艺分析
　　　　4.1 模具数控加工工艺的制定
　　　　　　4.1.1 数控机床的选择
　　　　　　4.1.2 夹具及装夹方案的确定
　　　　　　4.1.3 对刀点和换刀点的选取
　　　　　　4.1.4 刀具的选择
　　　　　　4.1.5 切削用量的确定原则
　　　　　　4.1.6 工步划分及排序
　　　　4.2 模具数控程序的编制
　　　　　　4.2.1 槽加工走刀路线
　　　　　　4.2.2 楔特征加工走刀路线
　　　　　　4.2.3 生成数控代码功能的实现
　　　　4.3 模具 CAPP 模块系统的结构设计
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 楔横轧模具 CAD/CAM 系统的开发
　　　　5.1 系统开发环境及平台
　　　　　　5.1.1 系统运行的软硬件环境
　　　　　　5.1.2 系统总体设计平台
　　　　5.2 系统功能简介
　　　　5.3 系统的使用
　　　　　　5.3.1 CAD 模块的使用
　　　　　　5.3.2 CAPP 模块的使用
　　　　　　5.3.3 CAM 模块的使用
　　　　5.4 本章小结
　　结 论
　　参考文献