锻模CAD／CAE／CAM

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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3．2－17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。

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。

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。

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。

设计预锻型槽截面的方法是：

❶ 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。

❷ 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。

❸ 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。

❹ 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：

(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。

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。接著，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。

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。