曲轴锻模CAD系统的开发

作者：清华大学 陈国学 覃文洁 凌乐舒

欢迎访问e展厅 展厅 4 EDA/专用CAD软件展厅 EDA, 电气CAD软件, ... 摘要 本研究所开发的曲轴锻模CAD系统是一个建立在AutoCAD软件包上的辅助设计平台，它提供了一系列适用于曲轴锻模设计的实用功能，设计师可运用这些功能进行曲轴锻件、热锻件、预锻件及锤锻模的设计，同时还可利用AutoCAD的各种工具进行图形处理，本文也讨论了实用化软件的开发思想。 关键词 曲轴 模锻件 锻模 CAD 1 引言 曲轴模锻件是最复杂的锻件之一，这类锻件模锻工艺难度大，锻造用工装设备的制造要求高，费用昂贵，所以，一种新型曲轴投产之前，工艺、工装的设计应力求准确、稳妥，减少生产时的调整、修正工作，这要求在设计过程中进行大量繁杂的计算、比较和选择工作。传统的设计方法由于计算手段简单，精度较低，设计周期长，工作量大，并且要求设计者有相当丰富的经验积累，已很难适应现代化生产的需要。 运用计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）技术，可以通过几何造型进行工艺计算，并在此基础之上进行锻件和模具的分析设计。本研究着重于曲轴锻件的设计，解决了任意拐数曲轴的输入、添加工艺余块、由冷锻件图到热锻件图的转换，以及通过修改热锻件图得预锻件图等一系列技术问题，实现了对任意拐数曲轴的冷锻件、热锻件、预锻件进行交互式辅助设计的功能，形成了一个面向设计人员的CAD平台。 2 锻模设计专用平台的概念 传统的模锻工装设计过程由图1来表示，这个过程一般并不是单向进行的，而是一个分析、修改、再分析、再修改的迭代过程，这是一项十分繁重的工作。利用计算机实现设计自动化一直是科研人员、设计师们追求的目标。但是由于设计是以思维为中心的活动，而计算机目前尚缺乏学习和创造的能力，它只能处理格式化的信息，因此完全的自动设计是不可能的。只有把人的直观判断能力、经验继承能力、创造性和计算机的高速度、大容量和精确的计算能力结合起来，各取所长，才会真正满足工程设计的需要，这种人机结合主要体现在以下几个方面： 1）设计结构经验与判断结合使用是设计过程的必要组成部分，计算机则难以做到这一点，因此设计结构必须由设计师来控制，设计师要按照自己的直觉进行工作，而不是机械地仿照计算机逻辑。 2）信息处理设计过程也是一个信息处理过程。设计前要从问题中获取足够的信息，设计中要对这些信息进行处理（分析、计算、生成、修改等），设计后要输出信息（例如，设计图纸）。信息的输入、处理应由设计师来操作，而信息的输出在人工设计中是一个既慢又繁琐的过程，用计算机来执行不仅速度快，质量好，而且能将信息长期存储，随时调用。 3）分析冗长的数值计算是消耗时间和令人厌烦的，而计算机在这方面却有惊人的速度和很高的精确度，因此设计中的数值分析和计算应尽可能地交给计算机去完成，而设计师只须把计算结果和自己的直觉分析结合起来做出设计决策。 本系统正是基于这种CAD概念在对AutoCAD进行二次开发的基础上建立的一个专用曲轴锻模设计CAD平台。AutoCAD是一个通用的计算机辅助绘图软件包，到目前的R12版本，其绘图编辑功能已相当丰富完善。但是，每个设计师都有自己独特的设计风格，各个厂家也有自己的技术标准，在某一专业领域又有特殊的功能要求，因此AutoCAD不可能完全满足每个用户的实际需要。好在AutoCAD有一个很好的开放体系结构，特别是它自R11版以来推出了其C语言开发系统（ADS），使用户可以通过高级语言调用它的命令，还可以开发自己的命令、标准库文件和应用程序，所以容易实现AutoCAD的用户化。本系统的目标正是开发这样一个用户化的软件，把对图形实体的一般操作（如旋转、平移、删除、拷贝、缩放等）交给AutoCAD去完成，充分利用AutoCAD本身的图形处理功能，再加进一系列针对曲轴锻模设计的专用功能，以满足设计师的实用要求。这就是计算机辅助系统，它有别于一个单纯的图形系统，也不是一个自动设计系统。 3 曲轴锻模CAD平台的实现 3.1锻件设计 锻件图是模具设计的主要依据。曲轴的几何形状虽然复杂，但将各部分形体归纳起来可分为两类，即阶梯轴（小头、法兰端）和曲拐部分（曲柄、主轴颈、连杆颈），可分别进行两端、各曲柄及轴颈的设计，然后将各部分按一定顺序“组装”成为一根完整的曲轴。具体地说，系统主要提供以下几方面的功能： 3.1.1自动添加出模余块 锻件上除了能自然出模的部位之外，均需添加出模余块，确定是否需要添加余块及添加的位置，在手工设计时并不困难，设计师凭直观判断即可，但由计算机来实现却并不简单。实践中两种情况：柱面的出模和柱体端面的出模（见图2）。 本系统中，将组成柱面轮廓的各个实体（直线、圆弧）构成一个封闭环。用户输入分模线和拔模斜度值之后，程序依次检索每个实体，判断它是否可自然出模，如不能则对其进行拔模斜度计算，求得拔模斜度线在分模线上的交点，比较这些交点，找出离封闭环最远的一个交点，与其对应地拔模线即所求，相应的在分模线另一侧的拔模线按匹配原则（交于分模线）处理。 柱体端面不能自然出模，必须加拔模余块。由于端面轮廓上的各点至分模面的高度不同，故出模余块与分模面的交线是一条曲线。本系统沿用手工设计常用的方法，在端面轮廓上选取一些特征点，求得它们的出模斜度线与分模面的交点，再将这些交点用圆弧拟和成曲线，即成为出模余块的轮廓线。至于在锻件上经常出现的形体相贯的情况，端面的出模处理稍微复杂一些。这时端面轮廓分为相互独立的内、外两部分，分别形成内环和外环，从外环的出模轮廓线上“减去”内环相应的那部分，即得到在有内环的情况下端面出模余块的轮廓线。整个过程由计算机计算完成，所以处理得快捷方便，实践证明，这种算法是有效的。 3.1.2曲轴整体图设计 整体图由各局部形状图“组装”而成。人的设计结构逻辑是先有一个总体上的概念，例如拐数、偏心距及各部分位置等，然后细化各局部形状。本研究的系统依照这一逻辑，提供了设计任意拐数曲轴锻件整体图的功能。用户输入拐数、偏心距等总体尺寸之后，系统自动出示一幅参数化的哑图（见图3），同时利用AutoCAD的交互式窗口设计工具——对话框提示用户输入各定位尺寸，然后用已完成细节设计的各局部图块（小头端、法兰端、曲柄）替换相应的示意图块，再加上曲柄与轴颈的过渡处理，就完成了总体视图的设计（见图4）。 3.2热锻件图设计 热锻件图是利用已完成的冷锻件图生成的。处理过程包括：图形和标注尺寸的放大，清除产品零件轮廓线和锻件尺寸公差等，这在手工设计中是相当繁琐的。在CAD系统中，已设计好的冷锻件的全部信息都以一定格式储存在计算机内，所以完全有可能将其调出处理后自动生成热锻件图。这里，利用了AutoCAD的缩放功能放大图形；具实体过滤功能删除零件轮廓线和公差标注层上的实体；读出冷锻件图的尺寸值，按设计者给定的热膨胀系数放大后生成新的尺寸实体，并标注在原位置上，所以，显著提高了设计效率和准确性。 3.3预锻件图的设计 预锻件的设计是靠修改热锻件图完成的。常见的预锻件轮廓与终锻件的差别不大，可对热锻件图进行交互修改而成。但在曲轴锻造工艺的设计中，预锻件与终锻件相比有一个显著的差别，即预锻件高度增高（一般做法是将锻件在分模面的上/下部分分别向上/下拉伸一定距离），宽度相应地减小。针对这一特点，系统根据用户给出的分模线和需处理的形体轮廓环，用分模线将该环截成上、下两部分，再利用AutoCAD的平移和实体生成功能，将用户选择的实体按给定方向和距离平移，并将上、下分离的轮廓用线段相连使之封闭（见图5）。在此基础上设计师再根据具体情况做一些交互修改，如减小锻件宽度尺寸，修改轴颈轮廓以利用终锻成形等，最终完成预锻件设计。 4 总结 本研究建立了一个基于AutoCAD的专用于曲轴锻模设计的CAD平台，充分利用了AutoCAD的开放式体系结构及先进的窗口交互操作环境，开发了适用于曲轴锻模设计的实用功能，设计人员可以利用这些功能按照自己的设计逻辑交互地进行曲轴锻件的设计，又可利用AutoCAD丰富的图形处理工具进行编辑、修改，从而达到了减少绘图工作量，提高设计精度和易于修改的目的。在此基础上，可进一步开发锻模结构设计的程序。(end)

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