模具参数

模具参数（共6篇）

模具参数 篇1

摘要：挤压工艺的模拟和优化往往通过Deform有限元软件实现, 但在工艺模拟及优化过程中需多次修改挤压模具的工作部分尺寸 (如挤压角、工作带长度、圆角半径等) 以实现挤压工艺的优化。本文采用Excel表驱动方法实现了挤压模具的UG参数化建模, 从而避免了修改大量参数所带来的繁琐工作量和一些人为的错误, 并基于一个参数化的数模生成了挤压模具工作零件的模型库。

关键词：Deform,Excel,UG,参数化建模

1 引言

在机械设计中经常遇到形状相似, 但尺寸并不完全相同的零件, 如系列化的产品零件和常用的标准件等。参数化设计 (Parametric) 也叫尺寸驱动 (Dimension-Driven) , 它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能, 还具有自动绘图的功能。参数化设计是计算机辅助设计领域内一个重要的研究内容, 其技术发展到今天已走向成熟, 并在当前主流的三维机械CAD软件中得到了充分的应用。通过建立参数化的三维零件模型, 实现产品的结构设计系列化, 可以极大地缩短结构设计周期, 减少由于零件的尺寸变化带给工程师的工作量[1~2]。

Unigraphics (简称UG) 是美国UGS公司开发的面向制造业的高端CAD/CAM/CAE软件, 具有强大的实体造型、曲面造型、参数化造型、装配和工程图创建功能。虽然UG提供的许多二次开发工具 (如UG/Open GRIP、UG/Open API和UG Open C++等) 均能实现外挂式建立模型库, 但利用这些开发工具要求设计人员具有比较高的编程技术, 一般的设计人员很难完成[3~4]。本文采用Excel表驱动方法实现了挤压模具的参数化建模, 通过调整控制参数来修改和控制凸模、凹模几何形状, 并自动实现了凸模、凹模的精确造型。

2 Excel表驱动参数化

本文以正挤压模具的工作零件的参数化建模为例, 其结构如图1所示。Deform有限元软件可实现正挤压工艺的分析和优化, 但在工艺分析及优化过程中需多次修改挤压模具的工作部分尺寸 (如挤压角、工作带长度、圆角半径等) 以实现挤压工艺的参数优化。工艺分析及优化过程需多次修改挤压模具工作部分数模或建立挤压模具工作零件系列化数模, 若采用普通的3-D建模方法, 过程繁琐, 费时费力。采用Excel表驱动方法实现挤压模具的参数化建模, 可避免修改大量参数所带来的繁重工作量, 可以避免一些人为的错误, 且用一个模型就可表达出多个同类结构的零件。

2.1 参数化模型的建立

通过分析, 得到影响正挤压凸模、凹模几何形状的主要参数, 如图2所示。设计得到正挤压凸模、凹模几何形状的系列化参数见表1。

D1-挤压凹模外径, D2-挤压凹模挤压筒直径, D3-挤压凹模出料口直径, D4-挤压凹模工作带直径

h1-挤压凹模挤压筒高度, h2-挤压凹模工作带高度, h3-挤压凹模出料口高度

ANG1-挤压凹模入口角度, ANG2-挤压凹模出口角度, R1-挤压凹模工作带上圆角, R2-挤压凹模工作带下圆角

D-挤压凸模直径, h-挤压凸模高度

正挤压凸模、凹模参数化的关键是相关控制参数的建立。在UG中其参数化设计过程可分为4部分, 具体如下:

(1) 建立相互关联的表达式; (2) 利用草图功能绘制出正挤压凸模、凹模的草图曲线, 如图3所示; (3) 将草图曲线通过回转形成实体; (4) 对实体进行特征操作, 得到参数化模型, 如图4

所示;

2.2电子表格对正挤压凸模、凹模参数化的控制

正挤压凸模、凹模的参数化控制要求能够实现在其设计要求及结构尺寸发生变化时, 其模型也相应地自动更新, 生成新的模型。为此, 只需要将上述所建立的实体模型的相关特征参数进行更改即可完成实体模型的修改。利用UG软件的电子表格功能编辑、定义和修改相关表达式及参数, 通过更新完成正挤压凸模、凹模的自动建模, 从而实现正挤压凸模、凹模的参数化控制。

在UG建模模块中, 选择[工具]→[部件族]→[创建部件族表格], 实现最初表达式的提取, 如表1、表2所示。

2.3 正挤压凸模、凹模模型库的创建

利用电子表格可以方便地定义凸模、凹模的主要控制参数, 生成系列化凸模、凹模的数据库。通过已建立的一组正挤压凸模、凹模的参数化模型, 并在表1、表2的基础上, 在电子表格中赋予系列化参数数值, 如表3、表4所示。

通过选取不同部件组中所对应的控制参数来实现正挤压凸模、凹模的自动造型和模型库的创建, 方法如下:

在电子表格中, 选中所要所有的控制参数, 然后选择[部件族]→[创建部件], UG软件会自动生成正挤压凸模、凹模的模型库, 如图5所示。

(1) 模型库中的正挤压凹模 (2) 模型库中的正挤压凸模

3 结论

(1) 利用Excel表驱动建模技术可创建系列化挤压模具工作零件的三维模型库。此参数化建模方法易于掌握, 建模速度快。

(2) 利用Excel表驱动建模技术得到的零件库具有一个数据关联的Excel管理表, 修改方便。

(3) 利用Excel表驱动建模技术, 减轻了Deform有限元进行挤压工艺分析及优化时的建模及修改数模的工作量。

参考文献

[1]黄华栋, 朱学超.基于Excel的UG参数化建模研究[J].计算机与网络, 2007, (1) :174-175.

[2]张海军, 金永福.基于UG电子表格的三维零件库设计[J].新技术新工艺, 2008, (9) :15-16.

[3]王学军, 李玉龙.CAD/CAM应用软件-UG训练教程[M].北京:高等教育出版社, 2003.

[4]吴家洲, 吴波.UG软件的二次开发[J].机床与液压, 2001, (3) :67-69.

模具参数 篇2

轮辋是汽车车轮的重要组成部分，在车轮生产企业中，存在着轮辋型号单一，新产品研发速度过慢的问题。有的企业需要根据客户的要求订制特定型号的汽车轮辋，或者根据现有的车轮成品，进行大批量生产。这就需要企业对轮辋模具进行快速开发。为了解决这一企业发展中的难题，本文在深入研究了汽车钢制轮辋成型过程和钢制轮辋滚压模具设计过程的基础上，结合反求工程的思想，基于参数化方法，对AutoCAD2010进行了二次开发。在VS2008平台上，采用C#编程语言，实现了钢制轮辋滚压模具的参数化设计。在丰富了汽车车轮生产企业的产品的同时，缩短了产品的开发周期，提高了企业的竞争力。

1 解决方案

1.1 设计思想

汽车钢制滚压轮辋的生产分为一滚、二滚和三滚三个阶段，其生产模具也分为对应的三个部分[1]。模具设计的关键在与模具的外轮廓，外轮廓的形状是由相应型号的钢制轮辋外形来确定的。所以，需要先确定某一型号钢制轮辋在变形过程中三个阶段的具体尺寸。钢制轮辋变形原则是变形过程中保持体积不变。当确定完具体尺寸后，把关键尺寸导入数据库，然后根据这些关键尺寸，利用参数化方法来驱动钢制轮辋滚压模具的驱动图，最终生成相应型号的图纸。解决方案流程图如图1所。

1.2 开发工具

开发环境为AutoCAD2010,ObjectARX2010,Visual Studio 2008。ObjectARX在本质上其实是Windows的动态链接库程序。它是AutoCAD的一个强大的定制开发工具，它的库与AutoCAD在同一地址空间运行，是能够直接利用的与AutoCAD通信的桥梁。C#是一种现代的面向对象开发语言。它是基于C语言和Microsfot.NET平台开发的，具有精确、简单、类型安全，并且自行判断和回收内存的特点，所以的我们采用C#编程语言对AutoCAD进行二次开发。

1.3 参数化设计

参数化设计是指通过改动图形中某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的修改，从而实现尺寸对图形的驱动，其设计对象的结构形状一般比较定型。约束在参数化设计中是一个很重要的概念。约束，就是一种规则，可以决定对象彼此间的放置位置及其标注，是参数化设计的基础。在AutoCAD2010中集成了参数化这一新功能，把约束分为“几何约束”和“标注约束”。其中“几何约束”又可以分为两类，一类是图形元素本身的状态，另一类是两个图形元素之间的约束关系。前者在软件中可以分为水平约束、竖直约束和固定约束三类;后者在软件中的应用比较广泛，它可以约束两个对象之间的关系，主要分为：垂直、平行、相切、共线、相等、重合等。“标注约束”是实现尺寸驱动的关键部分。它可以确定两个对象之间的距离和角度，还可以确定一个对象的大小，如半径的值。标注约束是由名称和值或者表达式组成的。对象进行了标注约束以后，就能够确定对象一些属性值，例如：长度，半径值等。当修改对应约束的值时，其约束对象的实际大小也会随着改变，这一过程也就是尺寸驱动的过程。

2 钢制轮辋滚压模具参数化设计的实现

2.1 确定钢制轮辋关键参数

为了实现最终钢制轮辋模具图的生成，需要知道钢制轮辋一滚、二滚、三滚的关键参数。在这些参数的确定过程中，三滚图参数是可以根据国家标准来确定，二滚、一滚图的参数是需要根据钢制轮辋变形过程中体积不变的原则来自己确定。当确定好参数以后，需要把这些参数导入数据库中。根据本项目的特点，采用Access数据库进行数据的存取。Access数据库是基于Windows的桌面关系型数据库管理系统，方便用户对于数据的存取,应用范围较广[3]。钢制轮辋参数数据库如图2所示：

2.2 钢制轮辋滚压模具驱动模型的设计

为了实现钢制轮辋模具图的参数化设计，驱动模型的绘制是必不可少的。所谓驱动模型是指为了实现参数化设计而专门绘制的带有几何约束和标注约束的模板图纸。由于在AutoCAD2010软件中，集成了参数化这一新功能，我们可以很方便的为图形添加各种约束。根据要求，绘制的钢制轮辋模具驱动模型如图3所示：

在驱动模型中，对所有的图形元素添加了几何约束，使整幅图纸成为一个互相约束的整体;对需要尺寸限制的地方加入了标注约束，一方面可以确定图形元素的位置和大小，另一方面为参数化驱动模型做准备。

2.3 程序设计

2.3.1 ADO.NET数据库访问技术

ADO.NET的名称来源于ADO(Active X Data Objects)，是一组庞大的.NET类，其提供强大的连接数据库和操作数据库功能。ADO.NET的主要对象模型有：Connection对象、Command对象、Data Set对象等。Connection对象的主要作用是建立应用程序和数据库的连接，Command对象的主要作用是对数据库进行一些的操作，Data Set对象可以实现离线访问数据库，将读取到的数据放入内存，供断开连接后用户的使用[6]。

程序连接数据库的代码如下：

conn.Open();

2.3.2 用户界面的设计

在VS2008中创建用户操作界面如图4所示。设计人员可以在此界面左侧选择钢制轮辋滚压模具对应的钢制轮辋的型号，程序自动从数据库中调出其具体参数并显示于界面的右方和下方，对于一些需要设计人员自行确定的可变参数，程序会根据经验提供一个推荐值，设计人员可以在此推荐值的基础上进行修改[4]。

2.3.3 驱动过程关键代码

尺寸驱动是实现参数化设计的关键。其功能是把从数据库中提取的参数和设计人员提供的参数赋值到钢制轮辋滚压模具驱动图的标注约束中去，以得到目标钢制轮辋型号的钢制轮辋滚压模具图。在驱动代码中，会用到驱动图中标注约束的句柄值，该句柄值可以唯一定位AutoCAD图纸中的一个元素。获得句柄值的方法为在AutoCAD中使用List命令查看目标元素的信息，可以得到该元素的句柄值。

尺寸驱动过程部分代码如下：

程序中通过switch-case语句把用户界面中确定的数据值赋值到钢制轮辋滚压模具驱动模型中相应句柄值对应的标注约束的属性值中去，实现模具图纸的驱动。生成的程序为MoudleDesign.dll库文件。

3 程序运行演示

程序运行基本流程图如图5所示。

设计人员打开钢制轮辋滚压模具驱动图，输入“NETLOAD”命令，加载MoudleDesign.dll库文件。然后输入“GenerateMould”命令，在弹出的用户界面中选择所需的滚压模具对应的钢制轮辋类型和型号，对于可变参数需要用户在给出的推荐值的基础上修改为自己需要的数值，最后点击“生成图纸”按键，用户需要的钢制轮辋滚压模具图便由程序自动生成，如图6所示[5]：

4 结语

本文针对汽车钢制轮辋滚压模具生产企业中产品型号固定，新产品研发时间长的问题，在深入研究了汽车钢制轮辋成型和滚压模具生产特点的基础上，基于参数化方法对AutoCAD2010进行了二次开发。极大的简化了钢制轮辋滚压模具的设计，提高了企业的生产效率，使设计人员从复杂的重复性劳动中解放出来，把更多的精力放在创造性设计工作中。也有利于企业的信息化建设，方便企业的产品结构升级。

参考文献

[1]童恬.现代乘用车无内胎钢制车轮轮辋制造技术[J].汽车工艺与材料,2011(2):21-24.

[2]戴春来.参数化设计理论的研究[D].南京:南京航空航天大学,2002.

[3]周永生,殷国富,丁长春等.基于SolidWorks锥套类产品参数化设计方法[J].计算机应用技术,2010,37(11):37-39.

[4]刘细芬,韦春鸾,谢有富等.基于AutoCAD的塑料模标准件参数化图形库的开发[J].机械设计与制造,2007(10):191-193.

[5]王翔王,宗申,李姣等.基于UG的轮辋参数化标准件库的设计与开发[J].现代制造技术与装备,2010(5):45-47.

模具参数 篇3

数控加工技术已广泛应用于模具制造业, 如数控铣削、镗削、车削、线切割、电火花加工等, 其中数控铣削是复杂模具零件的主要加工方法。

2 刀具的选择。

在模具型腔数控铣削加工中, 刀具的选择直接影响着模具零件的加工质量、加工效率和加工成本, 因此正确选择刀具有着十分重要的意义。在模具铣削加工中, 常用的刀具有平端立铣刀、圆角立铣刀、球头刀和锥度铣刀等。2.1根据被加工型面形状选刀具。对于凹形表面, 在半精加工和精加工时, 应选择球头刀, 以得到好的表面质量, 在精加工时宜选择圆角立铣刀, 对带脱模斜度的侧面, 宜选用锥度铣刀, 虽然采用平端立铣刀通过插值也可以加工斜面, 但会使加工路径变长而影响加工效率, 同时会加大刀具的磨损而影响加工的精度。2.2根据从大到小的原则选刀具。无论是粗加工还是精加工, 应尽可能选择大直径的刀具, 刀具直径越小, 加工路径越长, 加工效率降低, 同时刀具的磨损会造成加工质量的明显差异。2.3根据型面曲率选择刀具。在精加工时, 所用最小刀具的半径应小于或等于被加工零件上的内轮廓圆角半径, 应选半径小于拐角处圆角半径的刀具并以圆弧插补的方式进行加工, 在粗加工时, 考虑到尽可能采用大直径刀具的原则, 一般选择的刀具半径较大, 因为较大直径的刀具在零件轮廓拐角处会留下更多的余量, 这是精加工过程中出现切削力的急剧变化而使刀具损坏或栽刀的原因。

3 走刀方式和切削方式的确定。

走刀方式是指加工过程中刀具轨迹的分布形式。切削方式是指加工时刀具相对工件的运动方式。在数控加工中, 切削方式和走刀方式的选择直接影响着模具零件的加工质量和加工效率。3.1走刀方式。在模具加工中, 常用的走刀方式包括单向走刀、往复走刀和环切走刀三种形式, 其中, 单向走刀方式, 在加工中切削方式保持不变, 这样可以保证顺铣或逆铣的一致性, 但由于增加了提刀和空走刀, 切削效率较低。粗加工中, 由于切削量较大, 一般选用单向走刀, 以保证刀具受力均匀和切削过程的稳定性。往复走刀方式, 在加工过程中不提刀进行连续切削, 加工效率较高, 但逆铣和顺铣交替进行, 加工质量较差。一般在粗加工时由于切削量大不宜采用往复走刀, 而在半精加工和表面质量要求不高的精加工时可选用往复走刀。环切走刀方式, 其刀具路径由一组封闭的环形曲线组成, 加工过程中不提刀, 采用顺铣或逆铣切削方式, 是型腔加工常用的一种走刀方式。3.2铣削方式。铣削方式的选择直接影响到加工表面质量、刀具耐用度和加工过程的平稳性。在采用圆周铣削时, 根据加工余量的大小和表面质量的要求, 要合理选用顺铣和逆铣, 一般的, 粗加工过程中余量较大, 应选用逆铣加工方式, 以减小机床的震动;精加工时, 为达到精度和表面粗糙度的要求, 应选择顺铣加工方式。在采用端面铣削时, 应根据所加工材料的不同, 选用不同的铣削方式, 一般的, 在加工高硬度的材料时应选用对称铣削;在加工普通碳钢和高强度低合金钢时, 应选用不对称逆铣, 可以延长刀具的使用寿命, 得到较好的工件表面质量;在加工高塑形材料时应选用不对称顺铣, 以提高刀具的耐用度。

参考文献

[1]荣瑞芳.数控加工工艺与编程[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2005, 7.

[2]王爱玲.数控机床加工工艺[M].北京:机械工业出版社, 2006, 4.

模具参数 篇4

关键词：冷挤压,组合凹模,粒子群算法,优化设计

0 引言

射孔器是油气井射孔完井作业必不可少的穿孔工具。作为射孔器的主要器件, 射孔弹直接决定着射孔器的穿孔效果。射孔弹壳体的加工采用冷挤压方式, 可使制件在成形的同时达到改性的目的, 而且可大幅提高材料利用率和生产效率, 降低制造成本。同时, 冷挤压过程中, 材料在三向压应力作用下产生塑性变形, 使得产品组织致密, 晶粒细化, 且材料流线连续分布, 提高了零件的力学性能。射孔弹用量较大, 一般配套厂的年产量均在100万以上, 适宜采用冷挤压工艺进行生产。但是采用冷挤压成形工艺, 金属是在冷态下成形, 变形抗力很大, 因而挤压模具使用寿命短。

冷挤压时模具型腔受到很大的压力, 凹模型腔容易因此而产生纵向开裂。改善模具型腔的受力状况可显著提高模具的强度, 通常采用带预应力环的组合式凹模结构。预应力环与相接触的凹模或其他预应力环之间采用过盈配合, 通过过盈量的不同取值来产生所需的预应力, 从而部分抵消凹模型腔工作时所承受的切向拉应力, 避免凹模因切向拉应力过大而开裂, 达到延长模具使用寿命的目的。

冷挤压组合凹模的传统设计方法通常采用经验公式[1], 再结合经验来确定模具的结构参数。这种方法仅当挤压件为简单的直筒型时比较有效, 射孔弹壳体底部带有凸起且内壁带有锥度, 因此不宜采用厚壁圆筒的计算公式。

针对此类非直壁圆筒形挤压件的组合凹模, 有研究人员采用数值模拟和优化技术, 成功地进行了设计。石峰等[2]采用遗传算法与神经网络相结合的方法对挤压模的参数进行了优化设计, 孙宪萍等[3]应用遗传算法对挤压模型腔的形状进行了优化, 王强等[4]运用黄金迭代法对圆柱直齿轮挤压组合凹模进行了优化设计。

组合凹模结构参数较多, 采用传统优化方法很难得到全局最优解。近年来, 对于多因素的优化问题广泛采用智能优化方法, 其中粒子群算法因其具有全局搜索能力和易收敛的优点, 成为最近几年的研究热点。

本文以降低凹模的等效应力为目标, 对组合凹模结构参数进行优化。采取数值模拟方法, 构造凹模结构参数与等效应力的Kriging模型, 运用粒子群算法对其进行全局寻优, 确定出优化的凹模直径比和径向过盈量系数。

1 成形工艺分析

图1所示为某石油测井有枪身的聚能射孔弹壳体挤压件。该挤压件端部有突起, 且筒体壁厚较小并带有锥度, 一次挤压成形困难, 变形抗力大。对于此种情况, 可采用两次挤压成形[5]。

首先, 采用正反复合挤压进行预挤, 其模具结构如图2a所示;然后, 采用变薄拉深加顶镦的成形工艺, 在缩小外径的同时对预挤压件进行整形, 其模具结构如图2b所示, 中间凹模镶块起顶件的作用。

(a) 预挤压阶段 (b) 终成形阶段

在镶块上开设分流腔, 可降低成形时的等效应力, 并且起到容纳多余金属的作用。因该挤压件在后续切削加工中, 头部要铣出半圆形通槽, 故分流腔直径略小于该槽宽度, 以便在机械加工时切除。

本文采用Deform2D进行数值模拟。相关模拟参数设置如下:毛坯材料为10钢, 凸模和凹模材料为Cr12MoV, 中间预应力环材料为H13, 外层预应力环材料为45钢。模具设为弹性体。毛坯与模具间摩擦设置为剪切摩擦, 摩擦因数为0.1。

图3所示为不同工艺的有限元模拟结果等效应力等值线图对比。图3a为采用整体式凹模一次挤压成形, 其最大等效应力为4920MPa, 远远超过挤压模具所允许的2500MPa的上限[6]。图3b为两次挤压成形的预挤压阶段, 采用组合式凹模, 可以看出图3b的最大等效应力仅为1730MPa。图3c为采用预应力组合凹模的终成形, 最大等效应力为2260MPa。

由上述分析可知, 对该挤压件, 采用先预挤压, 然后变薄拉深加顶镦终成形的工艺方案合理可行。

2 原理与模型

2.1Kriging模型

Kriging模型能充分利用均匀分布的较少样本点拟合复杂的形状, 在构建多因素非线性模型时能得到理想的拟合效果[7]。Kriging模型可表示为

Y (x) =f (x) β+Z (x) (1)

式中, f (x) β为回归模型;Z (x) 为随机波动。

用D表示设计变量, S表示样本点的响应 (等效应力) , 采用DACE for MATLAB[8]可拟合得到等效应力的Kriging模型:

S=model (D) (2)

(a) 整体凹模一次成形 (b) 组合凹模预挤压 (c) 组合凹模终成形

2.2粒子群算法

粒子群算法 (particle swarm optimization, PSO) 将优化问题的每个解都看作是解空间中的一个粒子, 由n个粒子组成的群体在解空间内搜索, 每个粒子在继承自身历史最优解和群体内其他粒子历史最优解的基础上, 修正自身的速度, 从而向最优点靠近[9,10]。

粒子的速度为

vt+1j, g=w vtj, g+c1r1 (pj, g_best-

xtj, g) +c2r2 (pg_best-xtj, g) (3)

j=1, 2, …, n g=1, 2, …, m

粒子的位置为

xt+1j, g=xtj, g+vt+1j, g (4)

式中, n为粒子个数;m为速度向量与位置向量的维数;t为迭代次数;w为惯性权重;vtj, g为粒子j在第t次迭代时第g维方向的速度;xtj, g为粒子j在第t次迭代时第g维方向的位置;c1、c2为学习因子;r1、r2为随机数;pj, g_best为粒子j的最好位置;pg_best为群体最好位置。

每个粒子在解空间中不断搜索, 按式 (3) 进行速度更新。将式 (3) 所得速度代入式 (4) 得当前位置, 即新的解。将该位置xt+1j, g代入目标函数f (x) , 即得当前粒子所对应的适应度:

F (j) =f (x${}_{j,g}^{t+1}$) (5)

将每个粒子历史最优值对应的适应度与群体历史最优值对应的适应度进行比较, 若更好, 则将当前位置作为新的全局最优值。

3 优化过程

预挤压和终成形模具均采用三层组合式凹模结构, 分别如图4a、4b所示。

本文以降低凹模内壁处应力为目标, 对预挤压和终成形组合凹模的结构参数进行优化以达到提高模具寿命的目的。

3.1设计变量

本文以径向直径比n2、n3、n4和β2、β3作为优化的设计变量。其取值范围如表1所示。

对预挤压模, n2=d2/d1, n3=d3/d1, n4=d4/d1, β2=u2/d2, β3=u3/d3。

对终成形模, n2=D2/D1, n3=D3/ D1, n4=D4/D1, β2=U2/D2, β3=U3/D3。

3.2拉丁超立方抽样

为了能够以有限的试验样本数据点反映整个样本空间的特性, 需要对上述各变量进行试验设计以抽样。常见的有正交试验设计、均匀设计等方法。

对于计算机模拟仿真, 由于计算结果的确定性, 不存在物理试验中的随机误差, 而正交试验等是建立在方差分析基础上的, 所以对于计算机模拟仿真实验, 目前国际上通常采用拉丁超立方抽样[11]。

以上述m=5个变量进行拉丁超立方抽样, 最小样本容量为[12]

n= (m+1) (m+2) /2=21

抽样得到的样本数据如表2第2～6列所示。

3.3目标函数

将表2中参数n2、n3、n4和β2、β3的数值代入式 (6) 、式 (7) 中, 可得预挤压组合凹模的尺寸d2、d3、d4和u2、u3。

di=nid1i=2, 3, 4 (6)

uj=βjdjj=2, 3 (7)

将表2中参数n2、n3、n4和β2、β3的数值代入式 (8) 、式 (9) 中, 可得终成形组合凹模的尺寸D2、D3、D4和U2、U3。

Di=niD1i=2, 3, 4 (8)

Uj=βjDjj=2, 3 (9)

对上述尺寸的组合凹模进行有限元模拟, 模拟参数设置如前所述。由有限元模拟结果分别得到对应的最大等效应力, 作为响应填入表2中第7列、第8列。

以向量V= (n, β) 作为变量, 分别以σp代表预挤压模最大等效应力, 以σf代表终成形模最大等效应力作为响应, 根据式 (2) 可构建Kriging模型。因其为隐函数, 无法表示成显式函数式, 故表达为

预挤压:

Sσp=model (‖V‖, σp) (10)

终成形:

Sσf=model (‖V‖, σf) (11)

本文以最小化等效应力为目标, 故目标函数为

预挤压:

minf (x) =minSσp (x) (12)

终成形:

minf (x) =minSσf (x) (13)

4 分析与讨论

应用MATLAB语言编制程序进行粒子群优化计算。分别联立式 (5) 、式 (12) 和式 (5) 、式 (13) 得到预挤压和终成形的适应度函数为

预成形:

F (j) =Sσp (xt+1j, g) (14)

终成形:

F (j) =Sσf (xt+1j, g) (15)

优化参数设置为:粒子数目100, 迭代次数1000, 粒子最大速度为4, 学习因子c1、c2均为2, 惯性权重系数w为0.9。

4.1预成形优化

如图5所示, 迭代1000次, 得到如下优化结果:

Vp= (n2, n3, n4, β2, β3) =

(1.6876, 2.7700, 4.2034, 0.0043, 0.0042)

此时, 由Kriging模型预测的最大等效应力为1409.996 786 21MPa。

根据式 (6) 、式 (7) 可得该组合凹模各预应力圈最优化尺寸:

dp= (d2, d3, d4, u2, u3) =

(59.07, 96.95, 147.12, 0.254, 0.407) mm

4.2终成形优化

以上述最优化预成形组合凹模尺寸dp进行预成形模拟仿真, 将所得模拟结果导入到终成形设计阶段作为毛坯, 进行终成形的有限元模拟。所得结果即为3.3节目标函数所述终成形的响应。

如前所述进行优化, 迭代1000次, 得到如下优化结果:

Vf= (n2, n3, n4, β2, β3) =

(1.7426, 2.9767, 5.7424, 0.0039, 0.0045)

此时, 由Kriging模型预测的最大等效应力为2187.472 338 91MPa。

根据式 (8) 、式 (9) 可得终成形组合凹模各预应力圈最优化尺寸:

Df= (D2, D3, D4, U2, U3) =

(63.43, 108.35, 209.02, 0.247, 0.488) mm

通过对组合凹模径向直径比和过盈系数进行优化, 可显著地降低冷挤压成形时凹模内壁处的最大等效应力, 极大地提高模具的使用寿命。

5 结论

本文针对石油射孔弹壳体冷挤压件, 分别对预挤压组合凹模和终成形组合凹模进行优化设计。以降低凹模内壁所受等效应力为优化目标, 对组合凹模的径向直径比和过盈量分别进行了定量的优化, 有效地降低了凹模内壁处的最大等效应力。

采用Kriging模型建立了组合凹模结构参数与凹模内壁处最大等效应力的内在联系, 并利用粒子群算法进行全局寻优, 最终确定出优化的组合凹模结构参数。为冷挤压组合凹模的设计提供了定量的确定方法和依据。

本文将无显式表达式的Kriging模型与粒子群算法进行耦合, 在MATLAB下通过编制程序实现。采用该方法, 充分利用了Kriging模型适合计算机仿真实验的优点, 并利用粒子群算法不需要显式函数关系式的特点, 实现了全局优化。

参考文献

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模具参数 篇5

覆盖件模具是决定产品外形、质量、性能、安全的薄板覆盖件的制造工具和方法,将知识工程这一国际研究热点融入覆盖件模具的设计当中,已成为覆盖件模具开发的发展趋势。当前,我国汽车需求量急剧增长,在这一背景之下,我国的汽车工业必然会面临着快速的增长。同时,我国的CAD/CAM在快速的应用过程之中,也促进了我国的汽车制造技术的大幅提高。但是,在工艺设计方面,我国的水平依然比较低,这已经成为了制约我国汽车工业发展的一个的瓶颈。因此,通过运用先进的汽车制造思想以及信息技术来有效地提升我国的汽车覆盖件的工艺设计水平,对于我国的汽车工业的快速发展具有非常重要的现实意义,这也要求我们必须不断地提升汽车覆盖件的模具设计核心技术,进而推动我国整个模具工业的发展以及我国汽车工业的进步。

1 知识工程的定义和关键技术

1.1 知识工程的定义

任何问题的解决都需要一定的知识或者经验作为基础,而知识工程的核心问题就在于如何获取经验和知识,并且将其表达出来。通过决策、分析、设计、规划以及实施,使得相关的问题,能够在现有的条件之下得到解决。其主要的研究对象是如何利用计算机信息技术来获取需要的知识和经验,并且通过计算机信息技术对相应的知识进行组织分析,确保建立的知识库的质量,并且在此基础上运用相应的知识来对实际的问题进行分析和处理,以期能够顺利的解决实际问题。知识工程相较于以数据为主的信息处理其处理的对象时只是,因此涉及到大的问题也非常的宽泛,同时也更为复杂[2]。

1.2 知识工程的关键技术

科学技术的迅速发展及计算机应用领域的日益广泛,使得计算机已经从传统的数据处理转变为知识处理,数值处理转变为非数值处理。在数据库技术人工智能的有效结合和相互促进下,演绎数据库、专家数据链、知识数据库方面的研究成果显著,这些都为知识驱动的工程应用奠定了坚实的基础。归结起来,知识工程的关键技术包括:知识获取、知识建模、知识推理和知识管理[3]。

2 基于知识驱动的覆盖件模具型面设计流程

如图1所示,为基于知识驱动的覆盖面模具型面设计流程模型。在模具型面的设计过程当中,采用面向对象的框架结构来对工艺知识进行描述,包括冲压方向类、截面线类等,且每一类都具有一组知识参数和设计方法。

实施对冲压件的预处理,工艺方案设计结果为系统初始输入,对导入UG后的产品零件,确定其拉伸工序相关内容。为便于对工艺的设计补充,对初始模型中的缺角、边界缺口和孔等部位进行填充处理,形成光滑的孤独,以保证曲面的连续性。

实施对冲压方向的设计。应用交互式或自动化方式来对冲压方向加以确定,以便利后续对工艺补充面和压料面的设计。应用三维优化算法来对冲压方法进行判断,实现自动化的冲压方向。

实施对压料面的设计。以冲压件模型的轮廓和边界信息及冲压方向为依据,转复杂零件形状为截面线,截面线是零件走向的代表,用以满足压料面的设计准则。

实施对凹模口的设计。在冲压方向制约下,以预处理制件信息为依据,控制零件边界线在一个可控距离,并按照一定规则将偏置曲线整合成光滑的一条曲线,通过压料面曲面投影,来得到凹模口的轮廓线。

实施对工艺补充面截面线的设计。以匹配的工艺补充面截面线类型、凹模口线、压面料、零件主体曲面模型为依据,生成约束于凹模口线下的工艺补充截面线。

实施对工艺补充面的设计。将合理的曲线构造方法匹配于截面线信息,应用变量化、参数化技术,由相应的截面线对象驱动和知识,来形成工艺补充面的型面[4]。

实施对拉伸筋的布置设计。以拉伸凹模口的拉伸件结构和轮廓特点,来对拉伸筋的位置、类型和几何参数进行确定。

实施对毛坯修边线设计。将一步法有限元程序集成与UG环境中,便可准确高效地确定毛坯的修边线位置和形状。

3 压料面参数化设计研究

3.1 压料面的定义

压料面是覆盖件工艺补充面的组成部分,即凹模圆角半径外的那部分毛坯。

3.2 压料面的造型选择

依据创建顺序的差异,压料面造型包括三种形式:第一种,工艺补充部分、压料面依次生成;第二种,通过截面特征同工艺部分一同创造;第三种,压料面、工艺补充部分依次生成。实践表明,前两种方式在保证压料面平滑简单方面很难做到。故选用第三种方式。此时,一般由零件边界、零件截面、直线来生成压料面外轮廓曲线。本文应用第三种方式来对压料面参数设计进行系统研究。

3.3 压料面参数化的知识表达

压料面外轮廓线参数槽包括:对象的基准点、对象的参数、对象的类型等,规则槽包含了各种外轮廓线的设计规则,关系槽主要为线和零件的连接。归结压料面参数如下:对象单元包括组成压料面的线和基准点;参数槽包括类型(用户自定义曲面、单曲面、双曲面、平面)、范围(拉延极限值、拉延主特征尺寸)、基准点;关系槽包括面与零件(近似、平行)、面与凹模口线(内边界)、面与拉延筋;规则槽包括规则一(光滑平顺、形状简单)、规则二(拉延深度均匀)、规则三(极限值大于拉延深度)、规则四(凹模口线内,凹模顶部表面长度大于压料面长度)。归结压料面外轮廓线参数如下:对象单元为基准点;参数槽包括类型(曲线、直线)、参数(控制点、类型)、基准点;关系槽为零件与线(近似、平行);规则槽包括规则一(线曲率变化不大,且不能过小)、规则二(与线垂直的零件截面小于极限值,且拉延深度相差不大)、规则三(零件对应截面线长度大于线长度)。

3.4 压料面设计的实现

确定压料面外轮廓线是设计实现的首要工作,获取零件信息是创建压料面的关键,以零件的外边界线或截面线为依据确定其外沦陷,进而依据系统构造方法来对其完成其曲面的构造。压料面参数化设计的实现流程如下:第一,依据压料面设计知识规则以及具体汽车覆盖件的零件特点,来对压料面的类型进行确定;第二,根据用户交互输入,从汽车覆盖件的零件之上提出相对比较合适的截面线,以完成外轮廓线的初始构造;第三,根据用户实际输入的参数来对压料面的外轮廓线进行修改、优化;第四,将优化生成的汽车覆盖件零件外轮廓线作为依据,并且生成曲面;第五,对生成的曲面实施有限元分析,并且依据分析的结果进行改进;第六,依据汽车覆盖件的设计规则、生成曲面以及具体的零件信息来生成凹模口线;第七,对曲面实施剪切,然后据此得出压料面。

4 工艺补充面参数化设计研究

工艺补充面的创建在实际的应用过程之中,大多为手动方式,通过运用CAD造型的方法对零件的边缘曲面进行关键部分的而为截面线优化。这种手动形式完全依赖于设计人员经验,加之复杂的造型过程,很难保障设计精度,且对于设计的修改难度极大。本文应用运用工艺补充面引导线和截面线,来完成对压料面的分段创建,因截面线的参数化定义,使得表达式同截面线相关联,使得所在修改工艺补充面时十分简单,流畅了覆盖件冲压工艺设计,有效提升了设计的整体效率。

1)实施对工艺补充面截面线的设计

模板法可以实现对截面曲线全参数化特征的创建,在设计模具型面过程中,应用这种全参数化的界面曲线,便可促进设计和修改效率的大大提升。在实施设计修改时,只需要对其截面线参数进行修改,便可自动完成截面线的更新,进而驱动引导线的更新,从而更新工艺补充面的特征,实现对型面设计的修改。依据模板法来实现工艺补充面截面线创建的设计思想是:以用户输入截面线起点为依据,对起点所在边界条件进行计算,得出其坐标系,通过运用截面线的控制线以及坐标系能够得出截面线的终点,然后运用上述的个点来对截面线的末班进行约束处理,得到覆盖件所需的截面线。在系统之中,可以对典型的覆盖件截面线进行定义,将每一种典型都固定一个特征,在进行修改的时候,就能够运用参数化的截面线坐标更为便利的进行控制。

2)实施对工艺补充面的设计

因网格方法构建的曲面精度高,且可对边界连续性进行控制,故本文采用这一方法来生成工艺补充面。以保证不同工艺补充面间的连续性。在实际设计应用当中,来对零件周边截面线的分布密度进行控制[6],以保障曲面的设计质量。在实施曲面构建时,首先将截面线关键点炼成一条一条的引导线,用引导线和控制线来共同完成工艺补充面曲面网格的组建,从而生成工艺补充面。

5 结束语

模具型面设计是冲压工艺设计的关键环节,通过本文对基于知识驱动的覆盖件模具型面参数化设计的研究得出以下成果:分析了现代制造环境下的覆盖件模具设计过程,阐述了基于知识驱动的模具型面设计的理论依据和组织方法;与有限元分析软件相结合,分析了压料面的生成,并依据分析结果完成设计优化;实现了利用零件本体和压料面来生成工艺补充面截面线的方法;实现了对压料面、工艺截面线、工艺补充面的一体化设计。虽然本文研究取得了一定的成果,但其仍需在日后实践中不断完善和扩充设计功能,以进一步提升系统的稳定性、实用性和通用性。

参考文献

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模具参数 篇6

逆向参数化是逆向设计过程中的重要方法之一, 而精度控制又是该项技术中的核心问题。基于逆向工程的精度控制研究中, 定性分析方面[1~5]多于定量分析方面[6~8]。逆向参数化设计方面的研究[9~11]较少, 而结合逆向参数化设计全过程的精度控制定量分析方面的研究极少。本文基于误差分配与曲面评定原则, 结合ATOS扫描系统, 通过对逆向参数化设计过程中每个环节的精度控制及误差分配进行分析, 探讨了叶片模具型面逆向参数化设计过程中, 精度误差定量分析方法, 实现了对叶片模具型面逆向参数化设计的精度控制。

1 产品逆向参数化设计精度分析

1.1 产品逆向参数化设计过程误差分析

产品逆向参数化设计过程中, 总误差分配主要由数据采集误差、模型数字化误差、评估验收误差等三部分组成。逆向参数化设计过程误差分配分配如图1所示。

1.2 误差合理分配

基于逆向工程的产品参数化设计过程中, 精度影响因素复杂, 需要控制每个环节的精度并合理分配误差, 才能设计出满足精度要求的产品。误差分配是误差合成的逆问题, 即在总误差给定的前提下, 确定出各分项误差。逆向工程中产生的各种误差是随机的, 满足正态分布规律。总误差分配公式[12]如式 (1) 所示。

式中, △i (i=1, 2, …, n) 就是各种分项误差。

逆向产品参数化设计过程中, 不同阶段误差水平是不同的。根据图1, 结合公式 (1) , 基于逆向工程的产品参数化设计总误差构成表达式如式 (2) 所示。工程的产品参数化设计总误差构成表达式如式 (2) 所示。

2 模具型面逆向参数化设计精度分析

2.1 叶片模具型面

叶片模具活块需要逆向参数化设计的点云型面分布如图2所示。对其进行基于精度控制的模具型面逆向参数化全过程精度要求为0.10mm。

2.2 数据采集误差分析

根据图1, 结合公式 (1) , 数据采集误差构成表达式如式 (3) 所示。

式 (3) 中, 原型误差构成表达式如式 (4) 所示。

原型产品设计误差为0.02mm, 制造误差为0.01mm;由于原型产品是直接从工厂获得的全新原型, 使用误差可以忽略, 即使用误差为0mm。根据公式 (4) , 原型误差为0.022mm。由于测量误差为0.02mm, 根据公式 (3) , 数据采集误差0.0297mm。

2.3 模型数字化误差分析

2.3.1 逆向重建误差分析

根据图1, 结合公式 (1) , 模型数字化误差构成表达式如式 (5) 所示。

式 (5) 中, 逆向重建误差构成表达式如式 (6) 所示。

式 (6) 中, 曲面重构误差构成表达式如式 (7) 所示。

曲面片1拟合误差如图3所示, 曲面片1拟合误差为0.038mm。曲面片2拟合误差如图4所示, 曲面片2拟合误差为0.0682mm。根据图3和图4, 曲面片间拟合误差为0.069mm。曲面片1和曲面片2拼接后的误差分析如图5所示。根据图5, 曲面片间拼接误差为0.016mm。根据公式 (7) , 曲面重构误差为0.071mm。由于数据预处理误差为0.01mm, 根据公式 (6) , 逆向重建误差为0.072mm。

2.3.2 参数化误差分析

式 (5) 中, 参数化误差构成表达式如式 (8) 所示。

通过PRO/E软件的逆向参数化设计模块, 对逆向重构的叶片模具型面进行局部参数化修改。参数化修改前的型面如图6所示, 参数化修改后的型面如图7所示, 参数化修改后的型面误差如图8所示。根据图8, 模型修改误差为0.0098mm。由于开发优化误差一般控制在0.01mm, 根据公式 (8) , 参数化误差为0.014mm。根据公式 (5) , 模型数字化误差为0.0733mm。

2.4 评估验收误差分析

根据图1, 结合公式 (1) , 评估验收误差构成表达式如式 (9) 所示。

由于评估误差一般控制在0.01mm, 校正误差一般控制在0.01mm, 根据公式 (9) , 评估验收误差为0.014mm。

2.5 逆向参数化设计精度控制分析

由于数据采集阶段误差为0.0297mm, 模型数字化阶段误差为0.0733mm, 评估验收阶段误差为0.014mm。根据公式 (2) , 基于逆向工程的模具型面参数化设计总误差为0.0803mm, 低于模具型面逆向参数化全过程精度要求的0.10mm, 模具型面逆向参数化设计精度得到了控制。

3 结论

精度控制是逆向参数化设计过程中的关键问题。本文基于对逆向参数化设计过程中每个环节的精度控制及误差分配进行分析, 通过对水泵叶片模具型面参数化误差进行调整, 实现了对该模具型面逆向参数化设计与优化的精度控制, 为今后基于逆向工程的叶片及其模具参数化设计精度控制与优化提供了依据。

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