全三維建模在鍛造產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

文／孫海霞·第一拖拉機股份有限公司鍛造廠技術(shù)部

三維建模稱為3D建模，就是借助三維制作軟件，通過虛擬的三維空間構(gòu)建具有三維數(shù)據(jù)的模型。它并不是一個陌生的術(shù)語，隨著各個行業(yè)的發(fā)展需要，三維建模技術(shù)在零部件的設(shè)計與制造中得到了廣泛的應(yīng)用。從線框造型→曲面造型→實體造型→特征造型，三維建模給人一種更直觀的視覺效果。

3D建模離不開三維制作軟件，常用的三維軟件有SolidWorks、Pro/E、UG、Creo和CATIA等，各個軟件都有自己的特點，有優(yōu)勢也有不足的地方。面對種類繁多、功能各異的三維軟件，應(yīng)用者要從適合自己產(chǎn)品特點和所要達到的目標、技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)支持等多方面來考慮具體選擇何種軟件，我公司應(yīng)用于鍛造產(chǎn)品開發(fā)的三維軟件主要為UG和Creo。

技術(shù)應(yīng)用

本文介紹的全三維建模，是指借助三維軟件進行的全工序三維立體設(shè)計的一種產(chǎn)品設(shè)計方法。這是行業(yè)發(fā)展的必然，在條件具備的情況下，是完全可以取代二維設(shè)計的。下面以Creo三維建模軟件為例對其應(yīng)用展開詳細地闡述。

在二維設(shè)計方面的應(yīng)用

鍛造產(chǎn)品基本上都是多工序的，包括制坯、模鍛、切邊、校正、精整等。采用全三維建模設(shè)計，每個工序都可以更直觀的進行表述，如產(chǎn)品的形狀、鍛件的形狀、模具工裝的布局、不同角度的視圖關(guān)系等，在一些先進企業(yè)，全三維建模設(shè)計已經(jīng)取代了二維設(shè)計。但目前行業(yè)里大部分鍛造企業(yè)還依賴于二維設(shè)計及二維圖紙。二維設(shè)計的局限性在于：一是對產(chǎn)品的表述不直觀，視覺效果不好；二是設(shè)計周期長，需要表達的細節(jié)很多，工作量大且效率低。二維設(shè)計完成后，為滿足后期工裝的數(shù)控加工、成形模擬等，需要將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維數(shù)模，一旦圖紙上尺寸缺失或細節(jié)沒有表達，直接影響三維數(shù)模的建立。

全三維建模就是采用逆向思維，利用Creo軟件中制圖模塊，通過各工序的三維數(shù)模，產(chǎn)生任意視圖，視圖間可以保持正確的投影關(guān)系，在該模塊下，進行尺寸標注、圖框的設(shè)置、打印等。也可以直接轉(zhuǎn)化成CAD圖形，按照設(shè)計需要，進行圖紙簡化。借助全三維建模，不僅為二維設(shè)計出工程圖帶來很大方便，也提高了二維圖紙的準確性和設(shè)計效率。

在模具制造方面的應(yīng)用

一個產(chǎn)品開發(fā)成功與否，除工藝制定的合理性、設(shè)計圖紙的正確性要保證外，最終是要反饋在模具工裝上的。工裝加工的是否到位、是否正確，直接影響到鍛件的質(zhì)量。對于模具的加工，從毛坯到合格的模具，傳統(tǒng)的加工方法要經(jīng)過很多工序，常規(guī)的工序為車、銑、刨、磨、鉆、鏜、鉸等，在這些工序的加工過程中，不可避免會出現(xiàn)一些加工誤差或錯誤，工裝質(zhì)量不容易保證，且每一套工裝的加工，很難做到尺寸的一致性。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，一臺加工中心即可以完成多工序甚至是全工序的加工。只要產(chǎn)品工藝定型，全三維建模后各工序的數(shù)模即為唯一，加工工裝時，通過各序相應(yīng)數(shù)模來編制程序，不管零件多復(fù)雜，均可以保證形狀和尺寸的一致性，縮短模具制造周期，降低模具生產(chǎn)成本。

在鍛造工藝制定方面的應(yīng)用

對于一個產(chǎn)品，工藝制定、設(shè)備選擇、鍛打坯料、工裝布局等是影響產(chǎn)品開發(fā)成功與否的關(guān)鍵因素。在過去的生產(chǎn)中，均需要鍛打完成后，才能得到確切的驗證，一旦出現(xiàn)比較嚴重的缺陷就會直接影響調(diào)試進度。隨著DEFORM-3D動態(tài)模擬軟件的應(yīng)用發(fā)展，相關(guān)缺陷均可以實現(xiàn)先期策劃，未雨綢繆，降低開發(fā)風(fēng)險。

以三維數(shù)模為載體，借助DEFORM-3D軟件，通過坯料、各工裝模具的數(shù)模，模擬制坯、鍛打成形、切邊等工序金屬的變形過程，實時仿真模鍛成形過程中的流場、溫度場變化，獲得溫度、速度、應(yīng)變、應(yīng)力等工藝參數(shù)，得到鍛件的缺陷分布，驗證工裝設(shè)計的合理性，了解坯料的填充情況等，從而確定工藝方案的可行性。并針對模擬情況，及時調(diào)整坯料、模具結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝參數(shù)，來降低和消除鍛造缺陷的產(chǎn)生，從而降低開發(fā)成本。圖1為某個鏈輪產(chǎn)品鍛打成形的模擬狀態(tài)，通過模擬，發(fā)現(xiàn)齒形部位在成形時，易出現(xiàn)“八”字折紋，且折紋無法通過毛邊排出，針對模擬情況，優(yōu)化了中間毛坯的形狀，有效的改善了這一狀況。圖2為工藝優(yōu)化后的模擬狀態(tài)。

圖1 中間毛坯工藝優(yōu)化前齒形成形狀態(tài)模擬

圖2 中間毛坯工藝優(yōu)化后齒形成形狀態(tài)模擬

在模具裝配方面的應(yīng)用

產(chǎn)品的開發(fā)涉及多工序，每一工序工裝裝配時存在配合、制約關(guān)系，但從二維圖紙上，不容易暴露出來。利用全三維建模，借助Creo軟件中的裝配模塊，各工序可以方便快捷的進行裝配，干涉問題能夠清楚的表現(xiàn)出來，從而保證二維圖紙和數(shù)模的正確性。圖3為型腔裝配情況，圖4為沖頭與熱鍛件裝配后的局部視圖，型腔是否干涉，是否做到位，沖頭、熱鍛件軸向是否有避讓間隙，從裝配關(guān)系上一目了然。

圖3 模具型腔裝配

圖4 沖頭與熱鍛件的裝配

以曲軸為例的全三維建模方法和技巧

曲軸產(chǎn)品是發(fā)動機中承載最復(fù)雜、最重要的部件之一。我公司開發(fā)的曲軸形狀各異、品種多樣，有鍛重在270kg左右的單缸曲軸，也有鍛重在345kg左右的八缸曲軸，還有最常見的六缸曲軸。模鍛成形工藝分為錘上鍛打和壓力機上成形。壓力機上成形時，對于立體分模的產(chǎn)品，工藝一般為輥鍛→坯料壓扁→預(yù)鍛成形→終鍛成形→切邊→熱校正，對于平面分模的產(chǎn)品，切邊后還需要增加扭曲工序。由于Creo軟件命令多，曲軸的具體做法也并不完全統(tǒng)一，本文以在壓力機成形的常見的立體六缸曲軸為例介紹其全三維建模的設(shè)計理念和方法。

建模前的準備工作

建模前的準備工作主要包含以下幾個步驟：⑴工作目錄的設(shè)置；⑵數(shù)模的命名；⑶理解產(chǎn)品形狀，明確建模思路；⑷建立基準坐標系。

建模方法

以冷鍛件為例，先進行產(chǎn)品的三維建模，數(shù)模完成后，根據(jù)對產(chǎn)品的工藝分析，確定鍛造工藝流程、產(chǎn)品的分模方式及分模面、加工余量、拔模角、工藝補充等，借助軟件中的拉伸、偏移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、拔模、倒圓角等相關(guān)命令，完成鍛件冷尺寸的三維設(shè)計。圖5所示為冷鍛件數(shù)模。

圖5 冷鍛件數(shù)模

各工序及工裝

⑴輥鍛模。冷鍛件完成后，可以計算各個區(qū)域的用料情況，分配金屬體積，達到聚料、分料的目的。曲軸多為制坯輥鍛，形狀簡單，道次少，一般為兩道，數(shù)模相對簡單。如圖6所示。

圖6 輥鍛數(shù)模

⑵壓扁模。壓扁的數(shù)模比較簡單，根據(jù)計算的壓扁量，通過簡單的拉伸、倒圓角就可以完成。

⑶終鍛模。根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)，確定熱收縮系數(shù)，Croe軟件中可以進行收縮系數(shù)的設(shè)定，依據(jù)冷鍛件的數(shù)模，選用適用的系數(shù)進行轉(zhuǎn)化，完成終鍛熱鍛件數(shù)模。終鍛模下模數(shù)模如圖7所示。

圖7 終鍛模下模數(shù)模

⑷預(yù)鍛模。預(yù)鍛熱鍛件數(shù)模的設(shè)計依據(jù)終鍛熱鍛件數(shù)模，一般情況下，為使預(yù)鍛件易于放進終鍛模膛，預(yù)鍛寬度方向尺寸要比終鍛小，深度相等或略小。由于預(yù)鍛要分料和初步成形，所受到的鍛打力一般比終鍛要大，模具型腔的細節(jié)處理要比終鍛的繁瑣。圖8為預(yù)鍛模下模數(shù)模。

圖8 預(yù)鍛模下模數(shù)模

⑸切邊模。切邊模中數(shù)模比較復(fù)雜的是沖頭和凹模，沖頭型腔的形狀與終鍛熱鍛件數(shù)?；疽恢?，區(qū)別在于為避免切邊時壓傷鍛件，軸向方向要做出間隙讓開，同時也要做出熱鍛件上凸字標識的字頭空開槽等；輪廓方向與凹模要有一定的間隙，沖頭的數(shù)模不需要單獨重做，依靠軟件的各種編輯功能，將熱鍛件修改即可。凹模需要抽取熱鍛件在分模面上的最大輪廓作為切邊刃口，根據(jù)工藝需要，也可以將刃口部分進行編輯修改。圖9為為凹模和沖頭的局部數(shù)模。

圖9 凹模及沖頭

⑹熱校正模。熱校正模主要用來校正鍛件厚度，消除切邊變形，其型腔與熱鍛件基本一致，區(qū)別在于：為防止擠壓鍛件，造成鍛件二次變形，型槽同沖頭一樣做出軸向間隙，連桿頸、主軸頸等圓形截面做出側(cè)向讓開。圖10所示為熱校正模下模局部工裝數(shù)模及側(cè)向讓開。

圖10 熱校正模下模局部工裝數(shù)模及側(cè)向讓開

建模技巧

⑴建模過程中要減少各個特征“父子”關(guān)系的存在，即：下一個特征的建?；鶞时M量不要建在前一個特征上。

⑵虛實結(jié)合，即實體與曲面相結(jié)合，避免形狀互相干涉，使特征更容易生成。

⑶移除命令的運用。在建模過程中，經(jīng)常會遇到形狀缺料、多料等情況，運用移除命令，可以快速的處理缺料、多料、圓角、側(cè)壁、特征交疊形成的交叉面等細節(jié)，提高工作效率。如圖11中綠色部分為圓角的形狀，利用移除命令后，圓角變?yōu)榧饨?，處理切邊模沖頭數(shù)模細節(jié)時，運用該命令，可以達到事半功倍的效果。

圖11 圓角的處理

⑷選擇性粘貼命令的運用。操作：復(fù)制/選擇性粘貼，該命令具有很強的實用性，可以實現(xiàn)任何一個模型的平移、旋轉(zhuǎn)。對于一個產(chǎn)品，具有共性或有局部差異的形狀，均可以運用該命令，進行平移或者旋轉(zhuǎn)，然后再將不同的形狀做出，節(jié)省建模時間。圖12為運用該命令進行的模型兩個方向的平移。

圖12 兩個方向的平移

⑸善于運用快捷鍵。在建模過程中，善于運用快捷鍵可以簡化操作，提高操作效率。

結(jié)束語

全三維建模是機械行業(yè)發(fā)展的趨勢，也是必然，是一項復(fù)雜的工作。更需要設(shè)計人員細心負責(zé)的態(tài)度，減少建模過程中的錯誤率，熟練運用各個常用命令，總結(jié)建模過程中好的、快捷的處理方法，不僅能夠有效的提高工作效率，也能進一步提升自身技能，為其他產(chǎn)品的三維建模提供指導(dǎo)。