基于CARD和Pro／E 二次開發(fā)的軋機(jī)零件參數(shù)化設(shè)計(jì)?

曾慶蘆，李鉑濤，劉 昊，帥美榮，

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)加工制造的產(chǎn)品通常都是系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的，80%以上的新規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上作少量的修改得到的。借助于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，只要輸入幾個(gè)基本參數(shù)，由程序?qū)?shù)作相應(yīng)的處理即可迅速生成圖形，這就是參數(shù)化設(shè)計(jì)理念［1-2］。Pro／E參數(shù)化是指零件或組件通過(guò)被賦予的特征值來(lái)控制其形狀或拓?fù)潢P(guān)系，且特征值之間互相關(guān)聯(lián)，該技術(shù)在齒輪、軸等結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面得到了應(yīng)用和推廣［3-4］。三輥Y型軋機(jī)3個(gè)軋輥呈Y型分布，互成120°，高度對(duì)稱分布［5］，適合參數(shù)化設(shè)計(jì)。本文將三輥Y型軋機(jī)連軋棒材孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CARD系統(tǒng)）和Pro／E二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了孔型與軋機(jī)零部件的快速生成。

1 計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)軟件

該計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)（CARD）軟件適用于Y型軋機(jī)連軋直徑Φ10mm～Φ30mm棒線材的孔型計(jì)算，其基本功能為：利用優(yōu)化算法，以能耗最低為目標(biāo)函數(shù)，以延伸率為決策參數(shù)，獲得優(yōu)化后的孔型延伸系數(shù)后，配合MATLAB計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)與AutoCAD的連接，自動(dòng)完成孔型設(shè)計(jì)過(guò)程的參數(shù)計(jì)算、繪圖及孔型自動(dòng)輸出。計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.1 孔型設(shè)計(jì)工藝參數(shù)輸入

棒材連軋工藝參數(shù)輸入界面如圖2所示，輸入?yún)?shù)包括道次、孔型類型、孔型形狀要素、輥縫、填充系數(shù)和延伸系數(shù)等。

圖1 計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)流程

圖2 棒材連軋工藝參數(shù)輸入界面

1.2 孔型設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)輸出

孔型設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，主要包括尺寸幾何參數(shù)數(shù)學(xué)模型和力能參數(shù)數(shù)學(xué)模型。該孔型幾何參數(shù)主要包括延伸系數(shù)、孔型內(nèi)切圓直徑、孔型面積、壓下量、寬展、軋件面積、軋制速度和接觸面積等。該孔型設(shè)計(jì)力能參數(shù)主要包括軋制壓力、軋制力矩等。圖3為棒材連軋第一道次、第二道次的孔型尺寸幾何參數(shù)和力能參數(shù)。這些計(jì)算參數(shù)為進(jìn)一步的零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)。

圖3 計(jì)算參數(shù)輸出界面

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

與傳統(tǒng)二維參數(shù)化設(shè)計(jì)不同，本文是通過(guò)交互模式，應(yīng)用Pro／E軟件建立三維模型；通過(guò)添加若干組設(shè)計(jì)參數(shù)或關(guān)系式建立數(shù)據(jù)庫(kù)；利用Pro／Toolkit工具箱提供的相關(guān)函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行控制［6］。即對(duì)零部件的幾何參數(shù)編寫程序，通過(guò)查找、賦值過(guò)程，起到控制并改變其幾何參數(shù)的目的。參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本流程

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

在本系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，將計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CARD）與Pro／E參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合。即CARD系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算力能參數(shù)，通過(guò)全局變量傳遞并由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行比較和篩選，最終獲得零件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。Pro／E負(fù)責(zé)參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過(guò)Pro／Toolkit函數(shù)進(jìn)行尺寸控制。這樣二者結(jié)合便可獲得理想的三維模型。

3.1 主動(dòng)軸數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)

（1）確定最小軸徑。三輥軋機(jī)機(jī)架和傳動(dòng)軸具有通用性，所以為保證強(qiáng)度要求，在確定最小軸徑時(shí)，必須選取最大軋制力和軋制力矩作為軸徑設(shè)計(jì)參數(shù)，按下式初步估算軸的最小直徑：

其中：P為傳動(dòng)軸的功率，kW；n為傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，r／min；A0為取決于軸的材料和受載情況的系數(shù)，對(duì)于調(diào)質(zhì)處理的45鋼，A0=126［7］。

根據(jù)上式初算得到了最小軸徑后，再考慮鍵傳動(dòng)對(duì)強(qiáng)度的影響，一般來(lái)說(shuō)每增加一個(gè)鍵槽，軸徑增加5%［8］。

（2）設(shè)計(jì)主動(dòng)軸裝配結(jié)構(gòu)。主動(dòng)軸裝配簡(jiǎn)圖如圖5所示，包括軋輥、滾動(dòng)軸承、錐齒輪和聯(lián)軸器等。

圖5 主動(dòng)軸裝配簡(jiǎn)圖

（3）傳動(dòng)軸參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)Pro／E進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸的參數(shù)化設(shè)計(jì)。圖6為傳動(dòng)軸參數(shù)化設(shè)計(jì)界面。在型號(hào)選擇框內(nèi)選擇相應(yīng)型號(hào)，對(duì)應(yīng)軸的“直徑”、“長(zhǎng)度”數(shù)據(jù)便會(huì)初始化各參數(shù)輸入框，三維圖示也隨之變化。然后點(diǎn)擊“校核”按鈕，對(duì)軸進(jìn)行校核。

圖6 傳動(dòng)軸參數(shù)化設(shè)計(jì)界面

3.2 Y型軋機(jī)裝配技術(shù)

在Y型軋機(jī)裝配之前，要求設(shè)定好各零部件的具體尺寸，以及零部件之間的裝配關(guān)系。在裝配過(guò)程中，調(diào)用裝配程序進(jìn)行裝配。圖7為最終Y型軋機(jī)的三維圖。

4 結(jié)論

（1）借助 MATLAB、Excel和 AutoCAD開發(fā)了棒材連軋計(jì)算機(jī)輔助孔型設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了孔型參數(shù)、軋輥參數(shù)、力能參數(shù)、校核參數(shù)的Excel輸出及孔型系統(tǒng)的AutoCAD自動(dòng)輸出，此CARD設(shè)計(jì)軟件操作簡(jiǎn)便，界面友好，可顯著縮短孔型設(shè)計(jì)周期。

（2）本文以三輥Y型軋機(jī)關(guān)鍵零件主傳動(dòng)軸為例，通過(guò)確定軸的最小直徑以及軸的結(jié)構(gòu)等，借助Pro／Toolkit二次開發(fā)工具包和CARD系統(tǒng)計(jì)算獲取的軋制力能參數(shù)，開發(fā)了軋機(jī)主傳動(dòng)軸的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。并通過(guò)調(diào)用裝配程序，實(shí)現(xiàn)了Y型軋機(jī)裝配，從而提高了軋機(jī)的設(shè)計(jì)效率。

圖7 Y型軋機(jī)三維圖

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