气门热挤压工艺与模具CADCAE系统的应用研究（可编辑）

气门热挤压工艺与模具CADCAE系统的应用研究（可编辑） 气门热挤压工艺与模具CADCAE系统的应用研究 华中科技大学 硕士学位论文 气门热挤压工艺与模具CAD/CAE系统的应用研究 姓名:刘龙 申请学位级别:硕士 专业:材料加工工程 指导教师:夏巨谌 2003.5.6华中科技大学硕士学位论文 一::;一 摘要 气门是发动机的“心脏”零件,随着发动机向高速、大功率方向发展,所需规 格、品种及数量愈来愈多,对其质量要求愈来愈高。采用热挤压工艺生产气门锻件 同采用电镦工艺相比,具有工艺稳定性高,重复精度高,锻件质量好,生产效率高 等优点,是当今气门尤其是轿车气门生产的发展趋势。根据我国轿车制造工艺的迅 速发展和课组承担的“气门锻件热挤压生产技术,发”项目的需要,,本论文着重 开展气门热挤压工艺、模具及成形过程模拟的/系统的应用开发。 通过查阅国内外相关的技术文献,了解了发动机气门生产技术的现状及发展趋 势、计算机技术在气门锻件开发与生产中的应用情况及存在的问题,进而提出了以 传统的为开发平台实现气门热挤压工艺与模具参数化设计的系统, 分析了该系统的功能需求,完成了总体设计。 针对发动机气门虽然规格品种繁多、数量巨大,但其几何形状相似,仅各部分 尺寸不同的特点,实现了气门锻件、热挤压模具和镦锻凹模型腔轮廓的参数化设计。 根据材料力学中的厚壁圆筒理论和预应力组合凹模的设计思想,实现了热挤‘ 组台凹模自动分层,各层的名义尺寸及过盈量的自动计算。 基于刚塑性有限元与热力耦合的思路,采用前国内外公认的金属体积成形过 程模拟软件,对气门热挤压和镦锻过程进行了模拟分析,所得结果用于验 证和优化气门热挤压工艺及模具设计参数化设计系统。 以上述成果为基础,以为平台,开发了气门热挤压工艺及模具设计的 /系统,经实测表明,该系统与传统设计的结果非常吻合,表明它具有较高 的实用与推广应用价值。 关键词:气了 / 热挤压 参数花 数值稹拟华中科技大学硕士学位论文 :;;;;;一 ‘’ . , , ? ’ ? ,. ? , ., ’ ‘ ’ / ,‘ . , ./ ., , , . ?? 。, ’ . . ’ 。 , 华中科技大学硕士学位论文 一;;;; ? . . /,’ , . . .? /: 华中科技天学硕士学位论文 一?四????;? 绪论 本章分析了课题的来源和意义,介绍了国内外气门热挤压系统的概况和发 展趋势,搬出了气门热挤厌的关键技术,媛后筒述了乍者的主要鹾究工作。 .课题的来源和意义 气门怒发动机配气机构的关键零件,有“心脏”零件之称,在发动机工作中起 蓑喾誊重要麴馋耀。发动貔运撂时,气将蕊受羧搴极高静挣毒载蓿,曼拜气门 还 处于高温下工作,非常容易损坏。虽然它的几何形状比较简单,但实际使用中 对于 它瓣尺寸糖度、表露矮量葶器辊藏程麓懿要求帮掇籀。随着汽车工渡静迅逮 发震和发 动机向高逸~转/分、大功率方向发腮,对气门产如的数量和品种的需 求越来越多,靖箕溪藿帮综合视槭往麓豹要求相应会越来越高孔。传统韵气门生产. 艺一~电热镦粗,出于工麓稳定性差,废晶率高,生产攀低等原因已经远远不能遥 应当今汽车尤其楚轿车气生产酌爱求。观代纯瀚气门生产工艺一一热挤压有”: 艺稳定性好,废品率低,挤压件综合性能好等优点,在国外已逐濒取代了电镦 芝 成为气门生产的现代化的新工艺。近年来,国内气门行业融开始采用这一新工艺。 虽然热挤压是?种新工艺,但工艺参数与模其参数的确定耳篚气生产厂家还 :舞采簿传统的手工计算,热挤压件圈和模具图仍然采用人工在环境中绘制, ;仪不能减轻技术人员的工作量,还严重她影响了生产率鸵提裹,更不能缀好载逶 鹰机械化、自动化生产的要求。因此华中科技大学骥性成影模拟与模具技术国家驱 灾验室受广东怀集汽车醚彳牛制造蠢鼹公翻浆委援,承担该公司黪气门热掺压生产 技术开发项目,本课题即是对该项目做的研究课题。 玎发气门热撩逶戏形工艺与摸舆技术静鏊本嚣瑾与愚路怒:潋气门熬菸援 成形.艺为旗础,以为开发平台,以内嵌的二次不发工具一~ 为王蒸,开发塞寒效静气门热挤压二艺与横其 软件,实现热挤压生产所需的工艺与模具软件的自动化和半自动化设计,从而达到 编嫩 艺与缓其豹设计、开发蹋翳稻提高设计蒺萋的鼙静。结会计舞视模拟仿真技 术,采用高水平的商业化软件,对气门热挤压成形过程进行数使模 拟,,以动态遥分鞭成形工步靛应力、应交及温度等的分布场,避丽优化热挤压:华中科技大学硕士学位论文 ???????????????????????? :一 艺和模具结构。 .国内外气门热挤压的发展概况 ..国外气门热挤压的发展概况 世纪年代初,国外就对发动机气门展开了热挤压工艺的研究。前苏联在 吨热模锻压力机上采用两工位模具实现了气门的挤压热制坯和闭式模锻成形的 研究。年代,他们采用优化理论,以对比的方法,研究不同挤压凹模型腔轮廓形 状挤压时变形程度与变形速度的变化曲线,提出优化的挤压凹模型腔轮廓的设计方 法,并提出了径向预应力和轴向分层的组合凹模结构,采用硬质合金制造凹 模模芯, 使模具寿命显著提高。 美国公司制造的快速锻造压力机系列设备,其中吨位吨的压力: 两一【:位模具构成气门挤压制坯和闭式模锻成形的商效专用设备,模具配有自动润滑 系统,设备结构极为紧凑,性能先进,一台设备年产气门锻件 万支一班制 以匕。目前,美国、日本工业发动国家及俄罗斯的轿车发动机气门全部采用热挤压 工艺生产,其它汽车的气门%以上也是采用热挤压工艺生产。 ..国内气门热挤压的发展概况 国内关于气门热挤压的研究起步较晚,年代中期,湖北气门厂同华中理大 学合作,在~台自制卧式多工位压力机上开展了气门温热挤压工艺的试验研究, 湖北气门厂引进美国公司的吨热模锻压力机及气门热挤压技术生产气门 锻件,该厂同华中理工大学一起,对引进的设备和技术进行了较好的吸收和消化, 髟累了比较丰富的经验。 华中科技大学对气门热挤压模具进行了优化设汁与数值模拟。首先在稳态分析 的壁础上,采用修正的序列二次规划法,对气门热挤压制坯的变形过程进行 优化计算。然后对优化得到的最佳凹模型腔轮廓进行了非稳态分析,模拟气门挤压制 、的成形过程。该方法对其它成形工艺及模具的优化设计具有重要的参考价值‘”。 洛工学院对气门热挤压模具的寿命进行了实验研究。通过实验分析了热挤压凹模 的失效形式及原因,发现了一些好的热挤压凹模模具材料【。他们还对气门热挤,中 的摩擦和润滑问题进行了初步探讨。通过实验发现用石墨作为润滑剂可对热挤压加华中科技大学硕士学位论文 :?:??‰?;??;。? :鸯?定的改善,主张寻求垅菠躲溜潺裁,以掇裹模爨寿命,改善工作环缓。 广东工业大学参孝糕学院与广东怀集汽车配串厂对气门热精锻摸其的正常与异常 失效进行了醑究。遥过实验分搴厅了气门热耩锻模豹各种失效形式及萁对模具寿命与 经济效益麴影确。 ..气门热挤压系统存在的问题及其发展趋势 气门热按压工艺经过多年的研究发展,虽然已鸯缀多数经验可以诺鉴,热挤压 一艺与模具设计蓉绞也在爨臻完善,褪是仍然存在~磐闰题。主要表现为: 对设计人员鲍要求较懑,设计人爨静王擘量大。 现凑软件鲍针对性羲。鬣蔫霭岗蠡圭开发韵软件较少,垄断国 内挨其设计索场黪多个黧姊豹软件,多数为通角黧软件,岿须进行二次开发。 懿往黪开发软箨都不麓很好缝实现在环境下的参数化设计,需 要盎系统矫运行,通过编制程痔借口才能与系统连接,极大地影响了设 诗发酾速凌。 缺乏预应力组合凹模与热挤压凹模型腔轮廓的优化设计模块及功能。 新的计算机程序设计模块的嵌入以及自身功能的加强,使得气门热挤 厦’艺与模其设计技术的作用慝加完善。目前,气门热挤压技术正戎沿 以几个方面发展: 气门热挤压//一体化。在模具设计和制越过程中,采月 //技术是提高质量、缩短研制周期、降低成本、捉离市场竞争髓力地 驶效手段,可以取得明显的经济效益。 气门热挤压/在统一的数据库下的集成。露翦,独立蕊气热揍 小数据库系统已经有了雏形。热按压/若套此数握痒下集威,将会大大地 ‘戈现热挤压工艺的现代化、自动化秘集成他。 气门热按压的全过程虚拟设计制造。虚拟设计巷《造楚奁汁箨橇上实行设计 制造过程的掰技术。应鼹这一技术可鞋在真实铡速之藩辩设计籁造邋程避行全方位 的摸拟,对设计期制造工艺霹行’黢遴行全瑟评价。在确谈可行后,荐投入现实的制 造避稷。对气熬热按压残形,有妊下凡方西研究内容:?热挤压件及热挤压模具 彭”虿鼙化:?热挤压过程模撂及箕可视纯;?税加工误差建模及虚拟精度控制等。华中科技大学硕士学位论文 一;? 一 气门热挤压的模块化。大多数通用软件由于功能繁多,针对性较差, 已不能满足大型模具设计的需要。更好的方法是,开发针对性很强的气门热挤 压工艺与模具设计专用软件。对国内的模具厂家和科研单位而占,在引进国外 先进软件的基础上,结合生产实际和产品特点,利用二次开发技术,不发专用 的二艺与模具系统,将大大提高瓤工岂与模具的开发效率。 气门热挤压的参数化。参数化技术是在零件建模和装配设计时在零 件的一些特征间建立约束关系,设计过程中可对原模型的关系或设计参数进行修改, 以达到修改设计,开发新产品和模具的日的。使用这种技术可以保证解的唯一陛, 同时还可以模拟工程师的工作,可在设计过程中随时修改,实现更高水平的人机交 厅。 .主要研究内容 根据华中科技大学受广东怀集汽车配件有限公司委托的要求,为其进行气门热 挤压生产技术开发,其中重要内容之一就是开发气门热挤压工艺及模具系统, 并采用商业软件对气门成形过程进行数值模拟,实现工艺参数的优化,为 气门热挤压生产提供理论依据和关键技术。作者的主要研究工作可以归结如下: ,‘泛阅读相关的文献资料,充分掌握国内外气门热挤压的发展现状和发展 趋势,分析存在的技术问题; 以为软件平台,开发气门热挤压工艺与模具参数化设计系 统,其功能主要包括: ?实现热挤压件的余量、公差等参数的计算和热挤压件图的自动化设计; ?实现热挤压件体积的精确计算以及坯料尺寸的合理选择: ?实现热挤压制坯及顶镦终成形两工步的工艺参数和模具结构参数的参数化计算; ?实现热挤压模具及顶镦模具的自动化设计。 采用国内外流行的体积成形计算机模拟软件~~,对热挤压成形 过程进行模拟,分析气门锻件及热挤压模具在热挤压成形过程中的应力、应变以及 温度分布情况,所得结果用于验证和优化气门热挤压工艺及模具设计。华中科技大学硕士学位论文 :.;;;;;一 气门热挤压工艺与模具系统的总体结构 本章首先介绍了热挤压工艺的特点及主要形式,介绍了热挤压工艺与模具设计的 主要内容,然后分析了气门热挤压成形工艺的优越性,气门热挤压工艺与模 具 系统的需求分析,晟后提出了气门热挤压系统的设计思想和系统结构,指了 参数化技术在气门热挤压系统中的应用。 .热挤压工艺的特点及主要形式 所【胃热挤压就是将毛坯金属加热到再结晶温度以上的某个温度范围内进行的挤 压,热挤压时,毛坯在很高的压力下产生塑性变形。所以包括高温下塑性很低的材 料,均可承受很大的变形而不发生破坏。此外,还可进行粉末材料的压实,异种金 属的接合等【。 热挤压工艺过程包括:毛坯的制备一毛坯的预热和加热一涂敷玻璃润滑剂 一挤压一卸下模具凸、凹模、芯棒一清除制件上的玻璃润滑剂一精加工”。 与冷挤压工艺相比,热挤压具有如下优点:提高了塑性,降低了变形抗力,因 此可以挤压任何金属材料,尤其是高碳钢、高合金钢等高强度材料,挤五断面形状 复杂、』心较大的零件。同时,还可以增大每一工步的变形量,减少变形工步数; 生产方法比较灵活,可连续生产。但热挤压也存在一些缺点:由于在高温下变形, 阒此对模具材料有一定的耐热性要求;在模具结构设计中要考虑冷却系统:由于加 热与冷却使制件表面粗糙度增大而尺寸精度降低【】。 热挤的几种形式如图所示。其中、、所示形式应用最广。图用于挤压筒 埠;. 用于挤压管形件;图用于挤压棒形件【。 .热挤压工艺与模具设计的主要内容 热挤压设计主要包括工艺设计和模具设计两大部分‘”。主要包括以下设计内容: .挤压件图设计 热挤』压生产过程、工艺的制定、挤压件质量检验、挤压模具设计等都离不 热挤件图。热挤压件图是按照产品零件图来设计的,设计时首先要做好以下各 项工作:华中科技大学硕士学位论文 :::; 在保证质量的前提下,给出最小的机械加工余量和公差对于要求不高的 一般机械零件,可不给出加工余量,而直接挤压出符合要求的产品零件或部分加工 的半成品; 给出必要的挤压斜度??热挤压件出模的模壁斜度若采用卸料装置时, 也可不给出挤压斜度; 给出必要的圆角半径: 确定挤余厚度的尺寸。 .挤压件的体积计算与坯料选择 采用定积分求回转体体积的方法可以精确地计算出挤压件的体积,再加上加热 时的烧损率、下料负公差等因素的影响,可以算出热挤压所需坯料的体积与重量。 根据坯料种类和挤压凹模孔径和挤压比,可以计算出毛坯的直径和长度,再按照国 家钢材规格标准,合理地选择坯料。 .热挤压模膛设计 根据热挤压件图,参照热挤压工艺要求,确定合理的模膛尺寸及其相互间的比 例系数,合理地设计热挤压所需的凸、凹模。 .顶镦模膛设计 同热挤压模具设计类似,根据终锻件图即气门的锻件图,参照镦锻工艺规则, 合理地确定顶镦模具尺寸。 图? 热挤压的各种形式 深孔反挤压;实心反挤压;空心正挤压;实心止挤压华中科技大学硕士学位论文 ;????? .热挤压力学参数的计算 根据厚壁圆筒理论即公式,可以计算出热挤压时模具各点的应力与应变大 小,校核组合凹模的强度与刚度,确定组合凹模的合理尺寸;依据传热学中的热传 导方程和温度应力的计算公式,可以计算出模具上各点的温度分布值;根据塑性变 形中的屈服准则,可以计算并分析模具各部分危险点的位置。正确地计算热挤压所 需的力,从而合理地选择挤压设备,这对热挤压工作是很有意义的。 .顶镦力学参数的计算 同热挤压力学参数的计算一样,计算顶镦时所需的顶镦力的大小,一是核算顶 镦模的强度;二是合理地选择顶镦设备。 .气门热挤压成形工艺的优越性 热挤压工艺研究是在年法国的于仁恩电炉钢公司进行的,年德国在机 溅压力机上开始产碳钢管材,但模具易损坏。后来法国塞菲拉克公司经理赛菇 ;内在于仁恩电炉钢公司的协助下,于年发明了于仁恩~赛菇尔内热挤口、川破 情润滑剂专利。从此,世界各国相继采用热挤压法来挤压制造普通等截面的长形件、 涔、管、型材等。用这些挤压件可直接作为结构件或者切断后予以精加工作为机器 擎件使用。表一为热挤压用材料和制件用途。 表 热挤压用材料和制件用途 用途 刚途 村料 材料 铅及其 煤气、水道用管材,电缆包皮 镍及其 耐蚀、耐热管最小壁厚, 合金 焊条 合金 透平,叶片 建筑、车辆、船舶调度通讯设 不锈钢管,不锈钢包层钢管,热 ;锅及其 备,机零件毛坯用型材最小 交换用管材,轴承圈毛坯用钢纷, 钢 【 合金 壁厚,电缆包皮、运动器具 零件毛坯用型材,土木、建筑“’弘 用管材 材最小壁厚 镁及其 飞机、火箭、车辆船舶用型材 喷气发动机零件,化:容器,热 合金 最小楚厚. 钛及其 交换器,燃气透平零件最小举厚 锌及其 低爪冷水管、建筑用扶手、电 台金 器零件最小壁厚. 铜及其 热交换器、乐器、通讯器材、 其它特 铀、锆、镀、铌等原子反应堆零 合金 建筑川型材最小壁厚. 殊金属 件,钨制火箭喷管华中科技大学硕士学位论文 一;一 热挤压工艺与其它的锻压成形工艺相比,有着很明显的优越性,主要表现在以 儿个方面: 。用这种方法加工的挤压件,其机 热挤压工艺是先进的金属压力加工工艺之 触加工的余量很小,通常单边余量只给,~。其值的选取视产品零件的具体要 求和加:方法而定。另外,用这种方法生产的挤』件,其表面质量和尺寸精度较高, ,尺寸精度可达级到级。因此,在零件要 热挤压件的表面光洁度一般可达 求不太高的情况下,热挤压件可无需再进行机械加工,这样便可节约大量金属材料 和机加::工时。 .热挤压生产的劳动生产率很高,这是由于在曲柄压力机上生产时,很容易实王见 机械化和自动化,滑块一次到二次行程就可以生产一个挤压件。?个要经过~次 以拉伸的空心零件,若采用热挤压的方法进行加工,则可以次成形,制成所要 求的零件。 .热挤压生产所得到的挤压件,其结构和机械性能是很好的,一般都优于其它压 力加工方法所得制件的机械性能。如平锻机上局部镦粗所制得的零件,其结构, 械性能就没有热挤压生产所得制件来得好。 .热挤压工艺用的金属原材料可以是各种牌号的钢材,尤其是合金钢、轴承锎、 耐热钢,经济效益更好。 .气门热挤压工艺与模具系统的需求分析 气门热挤压工艺虽然较为先进,但是工艺与模其参数的计算如果还是采用传统的 方法,不仅产品和模具的设计效率低,数据处理量大,而且不能适应现代化生,:的 要求。为了克服这些缺点,气门热挤压系统应具备如下功能: .气门热挤压件各部分尺寸的计算及热挤压件图的自动绘制在中完 戍: .热挤压件体积、重量的计算,坯料选择的自动/半自动化实现; .热挤压与顶镦工步工艺参数以及模具参数的计算及模具图的自动化设计: .热挤压组合凹模分层、每层的尺寸及半径过盈量的计算; .设计结果便于修改,充分利用参数化技术;华中科技大学硕士学位论文 一一 .系统要有良好的用户界面,操作简单、灵活,即使缺乏计算机知识的人员仍能 进行方便的操作; 系统具有较好的容错机制,即使用户进行了误操作,也不至于使系统崩溃。 .气门热挤压系统的设计思想和系统结构 气热挤压系统的设计思想就是以为图形设计的支持平台,利 用内嵌予的二次开发工具一一 对 进行二次开发,充分体现系统的参数化技术,实现在环境中的 自动生成图形的功能,开发出基于的具有高度针对性和实用性的专业化的 气门热挤压系统。 .. 软件平台?? 是美国公司推出的通用计算机辅助绘图和设计软件包,从 起,到现 年月公司推出的第一个版本一 在的,已经经过了多次改进了更新,不仅实现了二维图形的绘制,还 完成了三维图形的绘制‘。它易于掌握,使用方便,体系结构开放等优点;其 二次开 发:亡具如、 、的功能非常强大,使得的开发非常方 便,人机交互更为容易,参数化技术在中得以充分利用。 ..气门热挤压系统结构 气门热挤压系统主要包括三个功能模块,即热挤压件设计模块,工艺设计 模块及模具设计模块。该系统的主要功能模块结构见图。。 热挤压件设计模块 该模块主要是确定热挤压件各部分的尺寸参数以及完 成热挤压件图的自动绘制。挤压件的尺和形状,在很大程度上取决于制造: 艺。 花设计挤压件时,制造工艺问题研究得越透,热挤压工艺就可能越完善,而在工艺 设计和模具设计与制造中,留待解决的问题也就越少。在设计热挤压件时,本 系统为用户提供了一个非常友好的界面,用户只需输入几个简单的数据,就可以知 道热挤压件的各部分尺寸情况,完成热挤压件体积的计算,并可以直观地在 环境下生成热挤压件图。华中科技大学硕士学位论文 ;;一 艺设计模块 该模块主要是实现许多计算功能的模块,通过计算机编程, 火大简化了用户的手工计算,而且提高了计算的精度和准确度。通过界面友好的对话 捱的形式实现输./输出,用户在工艺设计时通过参数修改,可以很方便地计算出合适 的工艺参数,从而为后继的模具设计做好准备。该模块主要包括三个子功能模块,即: 第一个予模块是实现坯料尺寸的计算,根据锻件体积、加热时的烧损率以及下料公 差等参数计算出坯料的体积,并根据实际提供的坯料尺寸合理地选择坯料,其中热 挤压件体积的计算采用了积分算法来实现,精确地算出气门锻件的体积;第 二个子 模块是实现热挤压力学参数的计算,主要是计算热挤压时的凸、凹模的受力情况, 分析可能的应力集中区域并对其进行改进,以减少或消除应力集中,提高模具寿命; 第三个子模块是实现顶镦力学参数的计算,同热挤压力学参数计算相似,该子模块 主要是计算顶镦模具受力的受力情况,分析应力集中区域,以减少或消除应力集中, 提高模具寿命。 模具设计模块该模块虽然是模具设计的最为重要的部分,但却和述的两 个功能模块密不可分。在进行模具设计时待输入的参数有一些是由上述两个模块褥 出来的,通过模具设计模块,用户可以很清楚地了解凸、凹模的结构、设计规则以 及组合凹模符层之间的过盈配合的关系。用户可以通过修改参数实现所需零件的模 具参数化设计,并可以在中预览自己的模具图,如不满意可以修改参数以 重新生成模具图或者直接在生成的模具图』二加以改进。 .参数化设计在气门热挤压系统中的应用 参数化没计设计也叫尺寸驱动?,是技 术在实际应用中提出的课题,它不仅可使系统具有交互式绘图功能,还具有 自 动绘图的功能。目前它是技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课 题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统,可使设计人员从大量繁重而琐 碎的绘图作中解脱出来,可以大大提高设计速度,并减少信息的存储量。 ..参数化设计的概念及特点 参数化设计的思想最早可追溯到世纪年代开发的人机图形通讯 系统。在该系统中,首次利用几何约束概念辅助生成和编辑零件的集华中科技大学硕士学位论文 ?:??;;?一 蚓形,并暹过菲线性纷泰方程确定凡橱形体静位鼹。在近年静发耀历殳‘ 参数化造型技术褥到了飞跃式豹发餍,特别是年代审后期,受到越来越广泛翡囊 税。翦,已有许多商菇讫静系统应搿了参数亿造型按术,翔/,, 气, 所谓参数纯设计,是指由编程者预先设置一些凡可图形约束,然后供设计者在 造,疆时使用。与一个几何形体相关联的所有尺寸参数可以阁来产生其它几何形体。 其要技术特点是:基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。基 ”?奇征:将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征,并将其所有尺寸存为可调 参数,进而形成实体,以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造;全尺寸约束: 将形状和尺寸联合起来考虑,通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以 宽拱的尺寸参数为出发点全约束,不能漏注尺寸欠约束,不能多注尺寸过约束。 』。驱动设计修改:通过编辑尺寸数值爿乏驱动几何形状的改变。全数据姻关:尺?华中科技大学硕士学位论文 参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。采用这种技术的理由在 :它彻底克服了自由建模的无约束状态,何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制 住。如打算修改零件形状时,只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。尺 、州?动已经成为当今造型系统的基本功能,无此功能的造型系统已无法生存。尺寸 驱动在道理上容易理解,尤其对于那些习惯看图纸、阻尺寸来描述零件的设计者是 ‘分合适的。工程关系 ?:重量、载荷、力、可靠性等关键 设计参数,在参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系,它 需要另 外的处理手段。 ..参数化设计的基准点及指导思想 参数化设计的基准点:原始图形和修改后的图形在结构上是不变的。 参数化设计技术的指导思想:在设计对象的结构形状比较定型的基础上,采用 一纽参数来约束尺寸的关系,只要使用者给参数赋予不同的值,就可以得到不同大 小和形状的零件模型,这种方法因此也成为尺寸驱动设计。 ..参数化技术的基本方法 扫于上述应用背景,国内外对参数化设计做了大量的研究,从基于约束的参数 化技术的实施机理来看,目前参数化技术大致可分为如下两大类型: .编程参数化 这种方法通过分析模型的特点,确定样板各尺寸之间的数字关系,给定输入参 数,然后确定其它参数的值,并用高级语言在系统中加以实现。这种方法主要 适川结构较稳定,仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合,常见于在通 『商锗软件上进行二次开发,如进行标准件平』常用件的建库工作等,故局限一阽 靛人。 人工交互参数化 基于几何约束的变量几何法这是一种面向非线性方程组整体求解代数方 沼、。它将几何形状看作为~系列特征点,将约束关系转换成以特征点为变化的非线 性办榭组,通过迭代求解,从而确定几何细节。这种方法适用于很大范围约束类型。 』循环约束可通过约束方程组的联立求解得到处理,但它难以避免数值求解稳定性 尊的缺点,方程组整体求解的规模和速度难以控制,且迭代初值的选取在很大程度华中科技大学硕士学位论文 ;?一 电影响算法的成功。 基于几何推理的人工智能方法该方法的基本思想是将约束关系用一阶逻 辑谓词来描述并存入事实库,通过推理机的作用,从规则库中选用规则并应用于现 有事实、推理的结论作为新的事实、推理史记录所有成功的规则应用并提供重构过 程,从而构造出整个几何体。这种方法表达简洁、直观,且可以避免变量几何法的 不稳定性,但系统庞大,速度慢,无法处理循环约束。 基于构造过程的参数化方法此方法采用一种参数化履历的机制,通过记 泶构图过程中体素的生成过程的先后顺序及连接关系,捕捉设计者的意图。 这种方 法适用于结构相同而尺寸不同的零件设计,但由于需严格遵守某种顺序,柔性和灵 活性不足。 基于辅助线的参数化方法主要特点是所有轮廓均建立在辅助线的基础 卜,而辅助线的求解条件在作图过程中已明确规定,不必再作遍历搜索和检索求解 条件是否充分。这种方法求解速度快,不足之处是当图形比较复杂时,辅助线影响 作图操作。 基于图形的参数化方法此方法直接操纵图形数据库,把图形数据库的数 据交换结构略作修改,用图形来描述实体的相应约束。这种方法不要求用户在系统 特定模块的步骤构造原型图,算法效率高,实现简单,程序量不太大,可移植性强。 在实际应用的参数化系统中,往往综合运用上述方法。 ..参数化技术在气门热挤压系统中的应用 气门热挤压系统充分利用了在环境中的编程参数化技术。目口 有很多对进行二次开发的工具,如 , ,等等,但是由于内嵌于中,使得编程开发过程简 单,参数化设计实施方便,而且可以不通过接口直接在中生成图形,这一 强大的参数化技术操作简便,易于掌握,在专业化的系统中经常采用这种方法。 在进行热挤压工艺设计时,用户可以自行选择模具的组合形式及:【件的工况状 仑,用户可以设定热挤压件的密度、尺寸参数等一系列参数,通过友好的界面输入, 可以很方便的计算出热挤压工步和顶镦工步的力学参数,用户还可以通过修改参数 进行其他形式的模具组合或工件工况的相关计算。华中科技大学硕士学位论文 在热挤压件设计和模具设计时,友好的用户界面可以向用户清楚地指示每~一个 尺,参数的含义和该尺寸参数所处的位霞,用户可以非常方便地修改热挤压件的任 一尺寸参数,以得到新的热挤压件阔。用户还可以很方便的修改模具的组合形式和 工件的工作状态参数,来得到更新的模具图等。这样就使得设计者在设计的早期阶 段,只需考虑产品的功能要求,而刁;需将精力过多的集中在考虑产品的糖确几何形 状上,使得设计者可以在较短的时间内,通过改变设计约束获彳罨多葶申没计方案,著 从中选择最优的设计方案。设计者可以方便地定义一组楣似零件,以实现标 准他积 系列化零件的建库,可以使模具设计人员从重复性的麓錾工作中蜒放出来, 投入到 更加富有创造性的工作中去。华申科技大学硕士学位论文 : :::????;???一 气门热挤压参数化设计系统各功能模块的实现 本章主要介绍气门热挤:医参数化设计系统中工艺与模舆参数蛉计算原理以 及用烈煦若于算法鄹经验公式,麓述了该系绞在环境下蠡动生成图形数鼹理 及 系统冬功能模块的实现。 .热挤压件工艺设计及热挤压件图的绘制 ..气门热挤毯成形工芝方案酌确定 气门热挤压制坯及终锻成形过程如图所示‘”。 ? , 、 厂‘ ? 国气、热挤蕊成形过程 由予。门热挤压怒变形比缀大的成形王艺过稷,这样大懿交形毙魏粱采掰一 次 挤压成形,会殿挤燃速度显然太大,对于变形摭力大,塑性较慧的捧气门车毒料., 箕按压】‘‖:内部可能产生裂纹,基模其受载过重。因此一般都采用两个工步成形, 即第一:‘步先按出豢蒜头黪梧部,第二工步璎镦法兰头部。 ..热挤压件的设计 热挤胍件是按照产品零件图来设计的。挤压传的形状积尺寸,在缀犬程凌上取 决于气门零件的形状、尺寸及热挤压与项镦工艺。在设计气煞按压牛孪,岿颂僮 挤压件的外形和尺寸潢足以下各项要求:华中科技大学硕士学位论文 :::。一 杆部与坯料上未变形部分问的过渡圆弧形状及尺最大限度地接近气门零件 州应部的形状和尺寸: 选择合适的挤压比,保证获得优质的挤匿工件; 挤压工件头部尺寸同气门锻件法兰部分的尺符合镦粗规则。 在设计挤压件图时,首先要做好一下各项工作: 在保证质量的前提下,给出最小的机械加工余量和公差对于要求不高的一 般机械零件,可不给出加工余量,而直接挤压出符合要求的产品零件或部分加.的 半成品; 给出必要的挤压斜度~一使热挤压件出模用的模壁斜度若采用卸料装置时, 也可不给出挤压斜度: 给出必须的圆角半径: 确定挤余厚度含义见下述的尺寸。 以上几点是设计挤压件图时,首先应该考虑到的问题。下面对上述几点作进一 步的叙述。 挤压件加工余量和公差的确定 为了达到产品零件的要求,必须从挤压件表面除去的那~层会属,称为机械加 余量。挤压件的尺寸精度,可用挤压件的实际尺寸与挤压件的公称尺寸的偏蔗程 度来断定。在挤压件图上规定的公称尺寸所允许偏差程度,称为尺寸公差。 应该指出的是,加工余量的大小与公差的大小是有着密切关系的,如果不午应 地扣紧公差,那么就很难减少机械加工余量口】。 一般情况下,对于挤压件的加工余量和公差数值,基本上可根据以下原则束确 定: 挤压件的机械加工余量,只有在下列情况下才是需要的: ?当热挤压后,挤压件的表面粗糙度达不到产品零件的要求,即产品零件的光 ;々度要求在.以下时: ?当热挤压后,挤压件的尺寸精度达不到产品零件的要求,即产品零件的尺 寸 精度要求在国家标准规定的六级精度以上时。 挤压件的单边余量和公差及中心偏差可根据产品零件的最大轮廓尺寸和 //的比值,按表选取。通常挤压件各个方向的机械加工余量数值是相同的, 孔华中科技大学硕士学位论文 :?。;一 的公差数值,应耿相反的符号。 对于用开式挤压模挤压出来的工件如表中图?、?和?所示,高度尺 、?上的公差,根据材料体积变化的大小,一般取公差为~。 对于用封闭式挤压模挤压出来的挤压件如表?中图?所示,其高度上的 ~倍,而中心偏差得 尺寸和的正公差应按表.中所查得的公差数值增大 数值,应按表?中所查得的公差数值的二分之一选用。 对于不再进行机械加工的非加工面,其水平方向即和方向的尺寸公 蔫,不论/的数值如何,可一律采用表.中.这一栏数值。 表?钢质机械零件热挤】件的余量和公差 【一 遗 袭 量 ,? // 鼍 髫 扩 , 匦劈帮 ? 国 ? ? 继 ~ 高度方向的公差. . 单边余量. .公 差 . . .. ? . . . 中心偏差 . . . 单边余量 . . . . ~ 公 差 。 .. ? 一. 中心偏差 . ., 】. . 单边余量 .. 十. ~ 公 差 ? . ?.中心偏差. .华中科技大学硕士学位论文 续表 继.~ 高度方向的公差 厂单边余量 . . . 十. 。?。?。 公 差 . ? ? 一. . . . 中心偏差单边余量. . . . . 。~,。。 公 差 .. . .. ., 中心偏差 .. .. 单边余量 . . . ~ 公 差 ?. 一. .. .. . . . 中心偏差 注:表中数值的单位均为。 表?中列出的挤压件的机械加工余量、尺寸公差和中心偏差,系根据我目各工 厂在热挤压生产中,通过生产实践积累汇编而成的。~般来说,是可以满足/三产实 践需要的垆。 本系统实现了气门热挤压成形过程余量和公差的自动配置,只需用户输入 乙个简单的数据就可以完成余量和公差的自动计算和选择。图.所示,是计算余量 和公差的用户界面,用户只需输入气门零件长度、杆部直径和头部直径就可以很快 地计算出挤压件的余量和公差数值,同时还可知道考虑余量和公差之后的挤胍件的 头、杆部直径的大小,为下一步进行挤压件图的自动绘制提供可靠的尺寸依据。华中科技大譬硕士学位论文 ??;?????篇??;????篙??;%?《《;???自? 鼹“ 容量魏公熬计算舞赋 ,挤压件圆角半径的确定 众藤蔼甄,隧蘩拳径越枣,盘器材瓣静流劫整簸越差,念震遣藏越难充满搂翼 型腔。模腔底部内圆角半径过小的地方,热挤压时,往往会由于应力黎中恧产 生裂 缝蠢横嚣楚癸藤角拳经过枣会毽瓣臌壤,鼹蕊辑示,严蘩对述会导致热耪压 模型腔发生破裂。所以,在僚证产照零牛技术搔件的瓣提下,擦压件购圆角半 经总 蕊愈大惫好。 在确定按疆馋的霹热半擐聪,最好不要小乎表,掰拦嚣躲数毽。 慰 摸爨爨建处熬蹑塌 华中科技大学硕士学位论文 ???;?四 液 挤压件的最小阐角半径 ~般薅度匏按压二 裹糖瘦弱按匿纷 挤运佟静蕊度抒 和 雨 取 赏和 ~. .~. .~, .~. 。~, ~. ~. ~ 。~. .~. ~. .~. ~. ~ 。~. ~. ,~、 ,~. ~ ~. .~. .~. ~ .~. ~ .~. ~. .~. .~. 注:.藉接篮串的材辩为低塑穗合金,期其圆角半径应放大.倍。 .袭中数值的单位为。 除魏之舞,小的蹬圆角半径还会使热挤愿模型腔的锐棱咬住被挤压的金属,使挤 压件的纤维被割断,在挤压件的表蕊形成皱纹,并在热挤压模的本体内形成裂缝如 图所示懿。 銎摸其肉越角姓鹃裂缝 如果圆角半径是在不再进行机械加工的接合面上,那么,它的数值必须不小于 表?中掰允谗豹最,、值。 如果圆角半径韪在需要褥进行机械加工的接台颟上,那么,它的数值的大小应与 箕稠互余量静大,、取得秘调。华中科技大学硕士学位论文 在热弃压工艺设计中,妇缁正确逮选择菡角半径,楚?个缀值褥重视的问鼹,潮 为合适酌圆角半径,对于金属靛流动和充满熬挤压模型腔以及模具的寿命的彩响都 是缀大畚勺。因此,必须正确逾确定踊角半径,以谦证挤压件的质量和提高热挤压模 的使用寿命。 .挤压斜度的确定 挤压斜度对于挤压件韵出模是很有帮助的,钢质机械零件热挤压后的挤压件, 由于摩擦阻力的存在,将会使热挤压件滞留在热挤压模内。要顺利地从热挤压模型 腔内或凸模上取出或脱下挤压件是很困难的,因此需要在热挤压凹模内壁设置一定 的斜度通常称为挤压斜度,这样容易将挤压件从热挤压凹模内顺利地取出。但是 如果采阁下顶出装鬣,挤压斜度也可不必设置。因为气门热挤压属于细长件的挠 压,凹模设有顶出装置,所以本系统不设箕挤压斜度。 .挤余厚度的确定 对二用实心坯料挤压成空心透孔的接愿牛,还必须确定接余厚度的数傻。因为 气门热辚压成形属于典裂的实心锌的正揆压,联以不考虑接余殍度。 . 环境下自动生成图形的原理 与点接使用绘制鬻形一样,本系统通过应稍程序对图形进行揉 作,逶过编獠实善觅蓠形韵螽动绘稍。在的应箱程序中,可以绘制和编辑 凡乎所有的的实谇对象,觚袋简单的点、商线和阐对象到多段线、椭图、 文字黎关联的帮面线对象等等。方法通过或和关键字可 以实现实体对象的绘制柬铷建 对象,所有其他实体 对象都必须使用环境中提供的或方式来绘制扪。 所有的豳形对象是创建在集合、集合或赣集合上 的对象,这三个集合分别对应的模型空间、图纸空间和块。 集合是由对象的属性返回;面集合则怒由 对象的属性遨回。 在这些空间上绘制图形,用户可以受接使用这些集会对象,这时嚣要将实体 对 豫设鼹到当前激滔图层。例如,下耍的程序代码将妻线添烟到模型空阙中: 华中科技大学硕士学位论文,?, . 表示点的三维 其 表示该直线的起点,表示直线的终点。 坐标,这里需要注意的是要定义一个类型的对象以实现商线的 绘制。 同样道理,要想实现圆、圆弧的绘制,同样可以通过编写程序代码来完成,但 是在程序中,绘制圆和圆弧都只有一种方法,而不象在中手工绘制 那样可以有几种不同的绘制方式,这样虽然方式单~,但是对编程人员却是有很大 的帮助,编写的代码易读性很好。例如,圆的绘制需要使用方法。该方法 需要两个参数,第一个参数为圆心坐标矩阵,第二个参数为半径。绘制圆弧使用 方法。该方法需要四个参数,第一个参数为圆心坐标矩阵,第二个参数为圆 弧半径,第三个参数为圆弧起始角度,第四个参数为圆弧终止角度。其中第三、第 四个参数单位为弧度。下面的程序代码绘制两个圆,其中小圆的中心在大圆的第一 象限点上。另外,绘制~段与大圆同心的圆弧,圆心角从到。。‘定义圆和圆弧参数 。:: ::华中科技大学硕士学位论文 一;;一 :: .:。. ‘在模型空间中建立圆和圆弧对象 .., .., ..,, , ..通过以上方法创建了一些基本的线、圆、圆弧、块等等基本的图形单元, 在 集成开发环境中还可以实现这些对象的编辑操作,如对这些对象进 行复制、镜像、偏移等等操作,还可以为对象加上尺寸标注和剖面线等等,这些功 能只需要通过编制应用程序等实现。而反映在气门热挤压系统中来的就 是需要用户输入一些基本的参数,就可以实现图形的自动绘制了。 .挤压件图的绘制 完成了挤压件的余量和公差的计算之后,紧接着就是要在环境中完成挤压 件图的自动绘制了。传统的挤压件图的绘制都是在手工计算出挤压件的各部分参数 的前提下,然后由工程技术人员在环境下手动绘制挤压件图。这样不仅使得工 程技术人员的手工计算量繁多、手工绘图量大,而且效率不高,更谈不:新产品与 模具的快速开发。 气门热挤压系统就是为了解决上述问题而在环境下进行了二次开发, 垌户只需要在得出挤压件余量和公差的条件下,输入一些简单的挤压件的尺寸参数, 就可在环境下自动生成图形。尺寸参数输入界面及在中生成的挤压件图 分另女口图.平口图所示。华中科技大学硕士学位论文 图挤压件参数化设计界面 图通过参数化设计在中自动生成的挤压件 .坯料的计算 ..坯料体积的计算 坯料的选择,在很大程度上决定着挤压件的质量。同时,它对金属消耗量和热 挤瓜【:艺过程都有很大的影响。如果坯料尺寸选择得不合理,不但会造成金属的过华中科技大学硕士学位论文 分损耗,而且还会严重地影响热挤压工艺过程的顺利进行。所以说,正确地选择和 计算热挤压坯料的尺寸和公差是十分重要的。而坯料的计算和选择,与挤压件的体 积计算是密不可分的。热挤压件的体积是根据挤压件图如图?所示的挤压件计 算得出的,因为该挤压件属于回转体零件结构,可以很方便地计算出大部分的体积。 其中头部与杆部的过渡圆弧部分,可以用若干个圆锥台单元体的体积叠加来代替, 但是这样计算出来的这部分体积不是非常精确,为了精确计算这部分的体积,可以 采用定积分求出这部分回转体体积体积计算图如图.所示,这样对坯料的正 确 选择有很大作用。 ? × 一卜 一 图?回转体部分体积计算图 如上图所示,已知条件为过渡部分即头部到杆部的过渡部分的半径,杆 部半径,过渡部分长度,圆弧的圆心坐标可以计算得到,可以由这些已知条 件求出圆弧方程为:一砂一,】。利用定积分求解图示回转体的体积, 先取一个微元体如图示图中阴影部分,对其进行积分计算,就可以精确地求 解出 陔部分回转体的体积了。计算过程如下: . 月,?月一一, . 矿,『石尺,?页了二而】 经整理可以求出该回转体的体积,华中科技大学硕士学位论文 ;;;;;一 ? / 【厨 嘲, 一】. ..坯料重量的计算 根据上面求出的热挤压件的体积即可计算出热挤压件的重量,在进行坯料选择 时,还需要考虑挤压件加热时的烧损率和下料负公差,这样就可以计算出热挤压所 需二色坯的质量。 ..坯料尺寸的计算及坯料选择 为了方便地计算坯料的尺寸以进行坯料的选择,在参照了许多计算坯料的文献 后,本系统简化了计算过程,用户可以依据经验设定一个合适的顶镦前后大头部分 的高度比如图中的值,就可以很简单的实现坯料尺寸的计算和选择。图 .即为进行坯料选择的界面,用户可以参考计算出的坯料尺寸值,在根据国家钢材 觇格标准进行坯料选择,也可与钢材生产厂家定制所需坯料的订单。 图坯料尺寸计算界面 .模具参数化设计华中科技大学硕士学位论文 :葛盎皇窖 ..热挤压模具的设计 有厂挤压件图,便可设计与计算气门的热挤压模。图是热挤压模工作部分的 示意图。从图中可知,它是由凸模和凹模两部分组成的。 根据挤压件工序图所示尺寸,按照正挤压模凸模的设计与计算方法便可对气门 热挤压模凸模进行设计与计算。气门热挤压系统实现了参数化绘图技术,用户 只需要输入热挤压件的相关尺寸和一些比例系数,就可以很方便的计算出热挤压模 凸、凹模的各部分尺寸。用户还可以在模具计算界面中输入绘图起始点坐标,实现 任中模具图的自动设计。 图气门热挤压模工作部分示意图 图。顶镦模具工作部分示意图 .。顶镦模具的设计 根据热挤压件图和热挤压后的杆部直径,便可设计与计算气门的热顶镦模。图 ?是热顶镦模工作部分的示意图。从图中可知,它也是由凸模和凹模两部分组成 的。同样地,在气门热挤压系统中,可以实现该顶镦模具的参数化设计及模具 图的自动绘制。 ..模具设计应注意的问题 .凹模结构形式的设计华中科技大学硕士学位论文 根据力学分析原理可知,挤压过程中的金属坯料是处于三向不均匀的压应力 状 &卜,产生塑性变形并被迫向预定的方向流动,因此模具与金属坯料的接触面上承 受常大的单位压力。就凸模而言,其轴向所受的单位挤压力要比其它常用的成形 :艺锻造、冲压的单位压力高得多。同样,挤压过程中凹模的内腔壁上也承受着强 大的压力。生产实践中大量事实表明,这个压力往往造成凹模发生切向开裂或称纵 裂。图?、.所示,即为冷挤压凹模切向开裂裂面与切线方向垂直的实物照 。热挤压同样存在这样的问题。这种切向开裂破坏问题,如果单纯地采用增加凹 模壁厚即加大凹模外径的办法来解决,是徒劳的,白白浪费了贵重的模具钢。经过 理论分析及生产实践,解决凹模切向开裂的有效措施和重要关键是将凹模设计 成带有预应力的多层组合模。本系统在进行模具设计时就考虑到这个因素,在计算 挤压力的基础上,根据该挤压力值进行组合凹模层数的判别,通过参数化的人机 交互对话框来验证组合凹模层数的数目,从而确定合适的最佳直径比、各层环套的 直径大小以及组合凹模各层环套配合直径之间的过盈量。 图 冷挤压凹模切向开裂 冷挤压凹模切向开裂,伴随产生横向裂纹 .模腔轮廓的优化设计 由气门的热挤成形过程图?可以看出,挤压制坯是一个关键工步。最佳的挤压 模腔轮廓应满足两个主要要求,第一是由挤压模腔所得到的中间毛坯即挤压工件 的头部与杆部间的过渡部分的形状及尺寸,应当尽量与气门锻件相应部分的形状 ,’《尺寸接近;第二是有利于延长挤压模具的使用寿命,即应当有利于减轻挤压工作 借入口处喉部的工作压力。本系统参照有关文献提出的反推法设计的凹模优化设计华中科技大学硕士学位论文 的疗法,合理地设计了组合凹模的结构,将有助于提高模具的使用寿命,缩短新型 模具的不发周期。 .气门热挤压组合凹模设计与强度计算 在组合凹模的设计和强度计算中,将涉及到下列基础理论:弹性理论中受 均匀压力的厚壁圆筒的应力公式,即拉梅公式,是应力分析的基础。 传热学中的热传导方程和温度应力的计算公式,是分析温度对组合凹模强度影响的 依据。塑性变形中的屈服准则,即规定组合凹模各层危险点的等效应力不超 过 材料的屈服极限,是组合凹模强度计算的根本条件。 上述所有参数的计算,在气门热挤压系统中通过编程实现,用户只需要输 入一些相应的尺寸参数和热力学基本常量等,就可以很方便地求得组合凹模 各层之 间的应力分布,各层之间的尺寸以及各层间过盈量的大小。 下面的几个公式是编程过程中采用的对层热挤压组合凹模的最佳设计计算 公 式: 当凹模内表面允许承受拉应力时 瓦啤?磊弘,一知呐,? . 一。/瓦“ ?删 ,,盯瓦/ ,,..,晰 当凹模内表面不允许承受拉应力时,除?时?吐以下式计算外 锄 ,嘭 盘易 豇百 垫巨 生易 :面 争 薷 其余的设计计算公式,均可用。代换式?