锻模CAD／CAE／CAM

出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《模具工实用技术手册第2版》第489页（5526字）

目前，工业发达国家已先后建立了各自的锻模CAD／CAE／CAM系统，并将其应用于锻造工艺设计与模具制造。我国在20世纪70年代末开始研究锻模CAD／CAM，发展也很快，至今已开发研制了锤锻模、辊锻模和平锻模等锻模CAD／CAM系统：但是，这些系统仍处于试用阶段。为了迅速改变我国锻压生产的面貌，今后应加速锻模CAD／CAM的开发和应用。

(一)轴类零件锤上模锻锻模CAD／CAM系统

锻模CAD／CAM系统的软件多种多样，其作用也各不相同。这些软件主要包括操作系统、应用程序、程序库、图形软件和数据库。它们在系统中的相互关系可用图3．2－16表示。这些软件的结构和功能可用轴类锻件的锻模CAD／CAM系统为例加以说明。

图3．2－16 锻模CAD系统的软件及相互关系

图3．2－17为锤上轴类锻模CAD／CAM系统的结构框图。系统由几何构型、设计数据准备、拔长模设计、滚挤模设计、预锻模设计、型槽布置和NC自动编程等部分组成。

图3．2－17 轴类锻件锤上锻模CAD／CAM系统结构框图

1．几何构型系统

系统利用英国伯明翰大学研究的MODCON几何构型系统描述锻件几何形状的功能输入锻件图。程序根据输入锻件形状产生一系列的轮廓图，并产生加工终锻型槽用的电极和靠模的NC程序。产生的轮廓图是设计数据准备模块、预锻模设计模块和型槽布置模块的公共输入部分。

2．设计数据的准备模块

设计数据准备模块读入锻件的轮廓形状，并由此计算出锻件的体积、质量、投影面积、长度和形状复杂系数，在此基础上，求得质量分布曲线，计算毛坯图和方块图。在这部分还要设计锻造工序，计算毛边消耗，毛边槽几何形状和毛坯尺寸，估算锻造载荷和能量，选择设备吨位，存储在设计数据文件中的这些数据以供后续模块利用。

当需要拔长和滚挤时，拔长模和滚挤模设计模块由设计数据文件中读取锻件质量、坯料尺寸、质量分布图、计算坯料图和方块图。设计拔长和滚挤型槽的纵向和横向轮廓形状。NC自动编程模块利用这些设计结果，产生加工型槽用的程序。这些设计结果也将为后面的型槽布置模块所利用。

图3．2－18为设计数据准备模块的流程框图。程序采用交互设计方法，设计者可以采纳程序的计算结果，也可以根据实际情况选择自己认为合理的参数与方案。

图3．2－18 设计数据模块流程图

预成型工序的设计也由设计数据模块完成，程序按建立的数学模型选择预成型工序，用户也可对方案加以修改，或者另行选择。

是否采用预锻取决于锻件的形状复杂程度、生产批量和对模具寿命的要求等因素，由于目前尚无明确的选择预锻工序的设计准则，根据有关资料确定了程序选择预锻工序的原则，当要求的模具寿命超过10000件时，无论锻件形状如何都采用预锻，当要求的模具寿命低于10000件，但锻件截面平均形状复杂系数超过2．5时仍采用预锻。

3．预锻型槽的设计模块

预锻型槽的设计由预锻模设计模块完成。这里首先设计若干有代表性的型槽截面，再利用几何构型系统的功能，参照描述锻件形状所利用的体素，构成预锻型槽的形状，并产生加工型槽用的NC程序。

预锻型槽设计模块首先将锻件的形状显示在屏幕上，并要求用户选择需要设计的一些代表性截面，这些截面可以是横截面、纵截面或斜截面，然后，程序逐个设计预锻型槽的截面，并利用MODCON系统将截面综合为型槽，图3．2－19为该模块的流程图。

图3．2－19 预锻型槽设计模块流程图

设计预锻型槽截面时，首先将截面分解为若干部分，高度较相邻部分低的称为台部，高度比相邻部分高的称为肩部，图3．2－20圆圈里的数字为台部编号；图中括号里的数字为肩部编号，以h和ω表示划分部分的高度和宽度。

图3．2－20 将截面划分为台部和肩部

设计预锻型槽截面的方法是：

①增加台部高度，保持模锻斜度不变，首先根据毛边余量的百分比增加台部高度，这只是一个初值，最终的高度值取决于以后的迭代计算。

②对于肩部，分两种情况处理，当时，和台部处理方法相同，即增加高度，当时，为避免锻件冷却过快和纵弯失稳，减小其高度，肩部的最终高度也将取决于迭代计算的结果。

③圆角半径按下式确定：

R=1．25R_f+3．2

式中，R_f为锻件的圆角半径，如果算得的R值超过了该部位所允许的最大圆角半径，则取最大允许值。

④由迭代运算决定各部分高度的最终值，每次迭代的高度变化取为1%，迭代结果应保证面积相等，即满足：

式中，A_f、A_p分别为终锻型槽和预锻型槽的截面面积；E_r为允许误差。

在设计过程中用户可交互地改变截面形状，例如，可通过改变终锻型槽与预锻型槽的宽度差，改变截面各部分的高度或圆角半径，来改变预锻型槽的截面形状，用户还可以利用程序提供的功能检查预锻件在终锻型槽内的放置情况。

预锻型槽的形状是由各代表性截面组合而成的，由截面构造预锻型槽时，需参考终锻型槽与相应截面有关的各体素，根据设计的预锻型槽面的尺寸修改这些体素的参数，便可得到预锻型槽相应部位的体素，最后，用MODCON系统的形状组合处理功能将各体素组合成为预锻型槽。

4．型槽的布置

在模块上布置多个型槽时，应使载荷中心与滑块中心尽量接近，以减小偏心载荷，型槽布置程序按下述步骤和方法安排各型槽的位置，计算模块尺寸、承压面积和各部相对位置尺寸。

①由设计数据准备模块和各型槽设计模块产生的文件中输入信息，包括打击能量、设备吨位、毛边槽尺寸和各型槽的形状等数据。

②安排型槽的布置顺序。当包括拔长、滚挤、预锻和终锻工步时，型槽布置的顺序为拔长－终端－预锻－滚挤，用户也可自行选择布置顺序。

③设计各型槽颈部和钳口的几何形状。程序中结合了设计手册中推荐的数据，用户可以按各自的厂标对这些数据加以修改。

④计算所有型槽的总投影面积、各型槽的长度与宽度。模块在长度方向上的最小尺寸不应小于最大型槽长度和钳口长度之和。

⑤确定模块的厚度。程序根据型槽的深度决定模块的最小厚度，设计模块厚度时，还应考虑锻造设备的最小封闭高度和修模余量，设计文件中保存了不同设备最小封闭高度的数据，是否需要修模、修模的次数及修模余量大小可以交互输入，最终设计结果应保证总厚度在设备的最小和最大封闭高度之间。

⑥确定模块的最小宽度。程序按一定设计准则计算相邻型槽间的距离(即壁厚)，由型槽宽度和壁厚便可求得模块的最小宽度。

⑦按标准尺寸系列由算得的模块长度和宽度决定采用的标准模块尺寸，均匀地增加各型槽壁厚，使计算宽度与模块的实际宽度相等。

⑧计算承受打击载荷所需的承压面积。由于承压面积难用理论方法确定，程序采用的是经验方法，按设备吨位W(kg)计算承压面积(mm²)：

A=35W

当所设计的模块承压面积不足时，如有拔长型槽，可通过转动拔长型槽的位置增加承压面积，拔长型槽转动角度一般为15°，若承压面积仍然不足，则重新选择模块尺寸。

⑨选择燕尾尺寸，确定燕尾中心位置。因为模块安装时燕尾中心与滑块和砧座的中心重合，所以确定燕尾中心位置时应使偏载效应尽量小，程序中仅考虑预锻型槽和终锻型槽，将燕尾中心线与终锻型槽和预锻型槽压力中心的距离取为1∶3。

压力中心的计算是型槽布置程序的重要部分，计算压力中心通常采用的方法有主应力法、质心或轮廓线中心法和平衡点法。

所有这些工作均由型槽布置模块完成。这个模块最后输出的是锻模型槽布置图，包括模块的总体尺寸、安装尺寸以及各型槽的相对位置尺寸。

图3．2－21所示为该模块输出的型槽布置图的一部分。

图3．2－21 型槽布置图

(二)轴对称锻件的锻模CAD／CAM系统

轴对称锻件可以在锤上模锻设备、热模锻压力机或平锻机上锻出，锤上模锻和热模锻压力机上的模锻工艺设计方法有许多相似之处，可建立统一的设计方案和共同的算法结构，轴对称锻件的锻模CAD／CAM系统也适用于锤上和热模锻压力机上的模锻工艺。

图3．2－22为轴对称锻模CAD／CAM系统的结构框图。

图3．2－22 轴对称锻件的锻模CAD系统结构框图

设计时，首先输入零件图，以及锻件材料、锻造温度等数据。由于零件的轴对称性，只要输入零件半个轴截面的形状即可。形状描述信息输入后，系统将其处理，转换为几何参数、节点坐标等数据，输入的非几何信息可在系统运行的各个阶段加以利用。

系统根据有关标准设计锻件图。在零件的机加工部位规定余量，设计模锻斜度，添加圆角。根据一定规则将小的台阶和凹坑填加敷料，简化锻件形状。接着，程序计算锻件的质量、设计毛边槽、计算毛坯尺寸和锻造载荷等。

公差可根据标准确定。程序按锻件质量、分模线形状、材料种类和锻件的形状复杂性决定公差值的大小。公差可标注在锻件图上，但也有的系统将基本公差标注在锻件图上，将非基本公差列表打印，与锻件图配合使用。

设计终锻型槽的主要内容是设计热锻件图和毛边槽，因为锻件是在终锻型槽内最后成型的，所以终锻型槽的截面形状与热锻件图一致，沿分模面设置毛边槽的目的是提供使金属充满型槽所必需的阻力。

一般情况下，热锻件图可由锻件图放大一个冷却收缩量获得，为此，只需对锻件截面图做等距放大即可。平面图形的等距放大，实际上是求各轮廓元素的平行线或同心圆的问题，因此不难实现。

预锻的作用是合理分配金属，形成中间过渡形状，以利于金属在终锻时充满型槽，减少毛边损失和模具磨损。由于预锻提供了必要的变形量和晶粒流动，所以有利于获得理想的锻件性能。因此，预锻型槽的设计是锻模CAD／CAM系统的重要组成部分。

因为采用标准的模具结构，仅需根据锻件形状和尺寸设计模芯。模芯的外轮廓形状已存在计算机内，将型槽的形状加上就构成了模芯完整的图形，程序可根据锻件底部的轮廓形状选择合适的顶杆直径，或者由用户自行选择，图3．2－23为一轴对称锻件锻模CAD／CAM系统绘制的上下模芯和顶杆的装配图。

图3．2－23 上下模芯与顶杆的装配图

轴对称锻模的模芯和顶杆等零件可在数控车床上加工，如果系统有数控自动编程功能，还可利用模具设计结果编制数控加工程序。