三维制造工艺（精选7篇）
三维制造工艺 篇1
MBD(Model Based Definition)是一种用产品定义数据集来完整表达产品信息的方法。产品定义数据集是一个或几个计算机文件的集合,它以直接或间接的方式,利用图形或文字,或两者结合的方式,表达出一个项目或零部件的物理和功能要求。产品定义数据集的具体内容包括模型(Model)、修订版历史(Revision History)、部分或全部图纸(Drawing Partial or Complete)、零部件表(Part List)、物料(Materials)、表面状态(Finishes)、技术说明(Processes)、注解(Note)、分析数据(Analytical Data)和测试要求(Test Requirements)等[1]。
MBD技术体系使CAD系统与产品数据管理系统高度集成,使产品数据集和它相应的零件表的管理融为一体,因此,MBD技术体系无论从产品定义内容上到数据组织管理与控制上都有着质的飞跃。MBD覆盖了从设计到生产制造的整个环节,涉及到相应的设计部门、工艺部门、生产部门和检验部门[2]。各相关部门工作项流程如图1所示。
1 基于MBD三维模型的工艺制造
基于MBD三维模型的工艺制造流程如图2所示。
1.1 三维模型的工艺性分析
设计部门提供基于CATIA V5R20版的前面板三维模型,如图3所示。
采用同样版本的三维软件读入模型,并进行工艺性分析:首先,熟悉零件结构特征。该零件为一壳体零件,零件内部凹槽分为两层,底部开两个长方窗,孔在零件顶面、底面和中部台阶面均有分布,外部轮廓有一台阶;其次,确定下料尺寸。通过软件自带的测量功能,测量出零件的外形尺寸。该零件外形尺寸为388.4 mm×197.6 mm×11.3 mm,零件长度尺寸较大,虎钳无法装夹,必须通过多个压板对零件装夹,才能牢固铣削。所以零件在下料时需要在宽度方向留压板装夹余量,确定该零件的下料尺寸为397 mm×225 mm×12.7 mm,材料采用6061-T651。再次,安排数控加工工艺。该零件的数控加工可以通过对毛坯件盘铣一基准面,铣削出所有轮廓特征[3]。
1.2 零件的数控编程
通过三维软件自带的测量功能,测量内腔深度,圆角、台阶等尺寸,基于测量零件的凹槽深度和圆角大小,确定使用刀具的大小、切削刃的最短长度等刀具参数[4]。
CATIA软件三维加工功能的编程步骤:
(1)依据已有三维定义零件操作。包括选择机床和设置机床参数,设定加工坐标系,加载加工目标模型,选择目标加工零件,选择毛坯零件,设定安全平面等加工基本参数,具体操作如图5所示。
(2)按前述分析的数控加工工艺,逐步定义加工几何参数。包括加工区域的选择、刀具参数定义、进给率定义、刀具走刀方式定义和进刀/退刀路径定义等,最终生成刀具路径。各层刀具路径如图6～图9所示。
(3)刀路仿真。各刀具路径定义完成后,对刀具路径进行刀路仿真,检测其合理性,进行加工余量分析、过切分析和刀具碰撞分析等,不合理则需要重新生成刀具路径,再进行刀路仿真[5]。各步刀具仿真如图10～图12所示。
(4)后处理。将加工刀路转换为数控机床可以识别的数控程序(NC代码),生成的代码需经过适当的修改,以满足不同系统的数控机床,使机床能完全识别和运行程序。生成代码和编辑代码如图13和图14所示。
(5)编制机械加工工艺过程卡。依据三维模型数据和零件的加工过程,编制完整的加工过程卡,编制过程卡如图15所示。
1.3 三维模型零件数控加工
按照制定好的工艺,对三维模型零件进行数控加工:(1)将编制好的数控程序调入数控机床,并进行模拟演示,观察演示情况,分析有无错误。(2)按程序准备夹具和刀具。(3)将铣削好外形尺寸的零件装夹与机床上,按程序进行数控铣削加工,并按需求进行装夹和更换刀具,进行整个零件的铣削。加工主要过程及结果如图16～图18所示。
2 结束语
通过基于MBD三维模型的工艺制造试验,初步形成了三维设计与工艺制造流程,进一步研究明确了三维模型的可制造性设计要求,对MBD的信息化建设发展并最终实现无纸化生产具有一定意义。
参考文献
[1]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[2]周秋忠,范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程,2008(3):55-57.
[3]梅中义.基于MBD的飞机数字化装配技术[J].航空制造技术,2010(18):42-45.
[4]鲁康.强化标准关注体系推进MBD深入应用[J].航空制造技术,2010(20):54-57.
[5]王娇艳,康凤举,刘眀皓.模型组件化建模技术研究[J].计算机仿真,2009,26(10):252-255.
三维技术在电机模具制造中的应用 篇2
关键词：三维技术,电机模具,Pro/E
中国已加入WTO, 制造行业不得不参与国际市场竞争。传统的产品开发方式已经不再适应企业对产品的时间、质量、成本的要求。因为传统手工绘图设计模式, 很难用二维图纸去描绘三维空间机构运动和进行产品装配干涉检查等工作, 因此其工作流程是按顺序进行的。很多时候是等模具做出来了, 对产品进行试装配时才发现干涉或设计不合理等现象。例如我单位现有的定转子冲片模, 为了节约原材料, 模具的主要部件采用了镶拼的方式, 在传统的二维图设计中对拼块间的间隙很难完好的配合, 但在三维作图时完全可以在零件成品上进行间隙的配合设计, 避免了在设计早期时不能全面考虑下游过程的要求, 从而使产品设计存在很多缺陷, 造成设计修改工作量大, 开发周期长, 成本高。
1 三维技术与模具制造的发展概述
1.1 电机模具发展的趋势
模具制造是制造业中发展最快的技术之一, 其特点是数量很大, 批量极小, 换代非常快。从理论上说, 它是CAD技术最能发挥优越性的领域。但我国目前模具CAD的成果并不十分显著, 尤其是在电机模具等冲压模具CAD技术应用方面, 这项技术的巨大潜力还未充分发挥出来, 解决这个问题的关键就是要提高模具的设计效率。
目前在模具CAD技术的发展方面存在着以下几种趋势:1) 模具CAD的参数化;2) 模具CAD的智能化;3) 模具CAD的一体化;4) 模具CAD的专业化。
1.2 Pro/E三维技术的发展
Pro/Engine e r是建立在统一基层上的数据库上, 不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库, 就是工程中的资料全部来自一个库, 使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作, 不管他是哪一个部门的。换言之, 在整个设计过程的任何一处发生改动, 亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如, 一旦工程详图有改变, NC (数控) 工具路径也会自动更新;组装工程图如有任何变动, 也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合, 使得一件产品的设计结合起来。
2 Pro/E三维技术在电机模具制造中的应用
2.1 电机模具制造的开发方案
为了实施模块化设计, 基于Pro/E二次开发, 设计出一套电机模具模块化CAD系统, 系统分两大部分:模块库与模块库管理系统。
2.1.1 模块库的建立
模块库的建立有三个步骤:模块划分、构造特征模型和用户自定义特征的生成。标准零件是模块的特例, 存在于模块库中。标准零件的定义只需进行后两步骤。模块划分是模块化设计的第一步。模块划分是否合理, 直接影响模块化系统的功能、性能和成本。每一类产品的模块划分都必须经过技术调研并反复论证才能得出划分结果。
对于模具而言, 功能模块与结构模块是互相包容的。结构模块的在局部范围内可有较大的结构变化, 因而它可以包含功能模块;而功能模块的局部结构可能较固定, 因而它可以包含结构模块。模块设计完成后, 在Pro/E的零件/装配 (Part/Assembly) 空间中手工建构所需模块的特征模型, 运用Pro/E的用户自定义特征功能, 定义模块的两项可变参数:可变尺寸与装配关系, 形成用户自定义特征 (User-Defined Fe ature s, UDFs) 。生成用户自定义特征文件 (以gph为后缀的文件) 后按分组技术取名存储, 即完成模块库的建立。
2.1.2 模块库管理系统开发
系统通过两次推理, 结构选择推理与模块的自动建模, 实现模块的确定。第一次推理得到模块的大致结构, 第二次推理最终确定模块的所有参数。通过这种途径实现模块“可塑性”目标。在结构选择推理中, 系统接受用户输入的模块名称、模块的功能参数和结构参数, 进行推理, 在模块库中求得适用模块的名称。如果不满意该结果, 用户可指定模块名称。在这一步所得到的模块仍是不确定的, 它缺少尺寸参数、精度、材料特征及装配关系的定义。在自动建模推理中, 系统利用输入的尺寸参数、精度特征、材料特征与装配关系定义, 驱动用户自定义特征模型, 动态地、自动地将模块特征模型构造出来并自动装配。可通过Pro/E的二次开发工具实现, 通过模块的调用可迅速完成模具设计, 这个系统可以使模具设计周期明显缩短。
2.2 Pro/E三维技术在电机模具制造中的二次开发应用
Pro/E软件在提供强大的分析、设计、制造等功能的同时, 也为用户提供了多种二次开发工具, 如族表 (Familytable) 、用户自定义特征 (UDF) 、Pro/Program、J-Link等。对于电机模具的制造, 需要借助于Pro/E三维技术在自动装配建模方面的二次开发才能够最终实现三维制造。自动建模指面对特定的产品, 根据用户输入的参数或根据运用CAD系统进行设计产生的数据结果, 系统应能动态地、自动地将模型建造出来, 也称程序自动建模。Pro/E是一种采用了特征建模技术, 基于统一数据库的参数化的通用CAD系统, 利用它提供的二次开发工具Pro/TOOLKIT, 在Pro/E的基础上进行二次开发, 可以比较方便地实现面向特定产品的程序自动建模功能, 并且可以把较为丰富的非几何特征如材料特征、精度特征加入所产生的模型中, 所有信息存入统一的数据库, 是实现CAD/CAE/CAM集成的关键技术之一。在电机模具的三维开发制造中, 由于电机模具的形状呈现不规则的几何形, 因此对于非几何特征的三维开发及附加, 成为电机模具三维制造的关键。为了实现对电机模具非几何特征的三维开发附加, 可以运用Pro/TOOLKIT提供的库函数, 将一些非几何特征包括材料特征以及精度特征附加到已建模型中, 同时要由程序自动地设置材料特征, 在此基础上, 就可以在程序中将多种材料特征赋给产品模型, 并设定其中一种材料为模型的当前使用材料。材料特征信息与产品模型的其它特征信息存于同一数据库中, 而模型的当前使用材料的各种参数将在该产品的分析计算中自动被使用, 从而实现对电机模具中的非几何特征的计算、建模和加载。
3 结语
基于三维技术应用的模具开发、制造技术, 已经成为目前国际上CAD、CAM领域的研究热点, 当前限制着三维技术在模具制造领域内的应用的主要因素就是采用不同的三维技术建模所带来的数据无缝集成的问题。因此, 下一步研究的重点就是在实现三维技术应用于模具制造的基础上, 重点研究和实现不同的三维建模技术之间的数据接口, 以实现不同的三维应用软件的数据转换, 真正实现三维技术在模具制造上的应用。
参考文献
[1]钟志华, 李光耀.薄板冲压成形过程中计算机仿真与应用研究[M].北京:北京理工大学出版, 1998.
三维制造工艺 篇3
1 制造企业信息标准化概述
普遍性:小到零件的设计, 大到整车的制造都贯彻着种种标准, 在研发分工全球化的背景下更是如此。
开放性:标准在总结、提炼和升华实践经验的过程中不断更新。
动态性:传统的标准化以丰富的工程实践背景和先前多个型号的成功研制经验为基础, 基于多年的技术和设备条件制定, 是对过去研制经验的总结, 而信息标准化通常采用边制定、边应用、边完善、边提升的适当超前工作模式。尤其在推广一种新的信息技术时, 更是要求标准先行, 对信息技术的推广应用确定导向, 在技术上和管理上保证企业信息化建设的顺利进行。
2 制造企业信息标准化建设管理
制造企业信息化建设是一项集网络、服务器、数据库搭建和工程应用于一体的系统工程, 涉及企业发展规划、管理模式、技术专长等多个领域。由于专业范围广, 实施周期长, 单靠某个部门根本无法完成。需要在统一的规划和标准的指导下, 企业各部门协同工作, 逐步达到信息化建设的预期目标。制造企业信息化建设遵循这样一个公式:成功的信息化建设=合适的软件+有效的实施+持续的管理改进。由此可见, 制造企业信息化项目成功的关键在于管理, 不在于技术。标准化的建设体现了企业的管理水平, 有助于制造企业信息化的成功建设, 因此, 建立相应的组织归口制造企业信息标准化管理尤为重要。
3 必要性分析
3.1 现状与问题
由于缺少在长期生产过程中总结的管理制度和技术标准, 我国的信息加工和软件开发不能形成产业, 重复开发普遍存在, 造成了资源的极大浪费。目前, 中国的制造企业在信息化应用推广上存在着以下问题:重技术、轻管理;重硬件、轻软件;缺乏统一的数据信息交换标准, 重复购买;信息系统的集成化程度低, 信息资源共享能力差。
主要原因是制造企业对最重要的资源之一——信息资源缺乏规范化、标准化管理。信息资源的开发是企业信息化的出发点, 加工利用是企业信息化的目标。信息资源的有效开发需要建立信息资源管理的基本标准, 规范信息处理流程:即建立统一技术标准、数据来源、编码和数据交换格式, 为集成系统软件的可移植性、可互操作性、可伸缩性提供通用环境。
3.2 必要性
在制造企业信息化的实施进程中, 信息标准化是一项非常重要的基础工作。从各类软件实施应用的开始到最终数据的统一管理, 该项工作贯穿始终。标准化的输出直接决定了信息化的实施效果。标准的变动也有可能影响数据的有效性。实践证明, 结合企业的实际, 逐步建立信息资源管理的基础标准, 对企业信息化的发展至关重要, 是企业信息化建设成功的前提和基本保证。只有在统一的规划和信息技术标准的指导下, 才能真正推进企业信息化的发展。
4 制造企业信息标准化在产品三维数字化建模中的应用
4.1 工程研发工具的发展及三维数字化设计的优势
随着计算机技术的进步, 出现了计算机辅助设计 (CAD) 技术, 并从最初的二维绘图发展为三维实体造型、曲面设计、模拟装配。CAD系统的功能不再局限于传统的“甩图板”, 不断扩展深化, 从本质上减轻了设计人员大量简单繁琐的工作量, 使他们能集中精力于那些富有创造性的高层次思维, 最终实现了从三维模型设计数据直接传输到加工成品设备。
三维数字化设计相对于传统的二维绘图, 有以下的优势。
(1) 产品的三维模型是三维CAD系统的核心, 它完整准确地表达了产品及其所有零部组件的几何体信息。该模型中包含了更多的实际结构特征, 具有与实际产品一致的物理属性, 能模拟实际产品的材质、装配关系、运动关系等, 是制造信息化的数据基础。
(2) 三维CAD系统采用三维特征和参数化功能, 具有更高级的造型工具, 能够构造各种复杂的产品形状, 可实现“自顶向下”和“自底向上”的设计方法。
(3) 三维数字模型具有可视化程度高, 形象直观、设计效率高的优势。更为重要的是, 三维设计手段拥有参数完整的数字模型, 能为企业的各类数字化应用提供完整的设计、工艺、制造信息, 方便进行产品结构仿真分析和各种计算, 并支持结构仿真分析的前后处理和设计仿真。三维数字化设计已成为实现CAD/CAE/CAPP/CAM集成的基础, 提高了企业的综合技术实力, 提升了企业的核心竞争力。目前正逐步取代传统的二维设计。
4.2 标准化在产品三维数字化建模中的必要性
在数字化设计制造阶段, 二维和三维设计系统都是设计人员将所要描述的设计用形状表现出来, 并进行完善的工具, 二者之间没有本质的区别。后者将产品和零部组件的形状表现成实际形状, 而前者则是采用易于理解的明示方式, 将几何公差、尺寸公差、表面处理方法、材质等靠形状难以表达的信息传递给生产、加工、检验。
因此, 着手建立基于三维模型的全新设计信息的传输手段, 实施标准化, 具有很大的必要性。制造企业需要充分利用三维模型具备的表现力, 从二维图纸的现有概念中跳出来, 探索更便于理解、更具效率的设计信息表现形态。比如三维模型可以使用颜色, 为了便于识别可以给加工面涂上颜色等。
在三维模型替代二维图纸作为技术交流和信息传递的主要方式的情况下, 大多数的技术制图标准仍然适用, 但应做必要的修改。同时, 开发适用于实际情况的新标准, 显得尤为必要。
4.3 三维数字化建模的标准化建设
CAD技术发展的必然趋势是三维协同设计和数字化工厂。无论是协同设计还是后续的业务活动, 只有对基于统一标准的产品信息进行交流, 才能保证产品各部分的协调一致。从三维CAD软件应用效果来看, 制造企业的使用现状不是很理想, 主要涉及以下关键问题。
(1) 标准与规范不适用。现行标准和规范都是基于纯二维设计, 不能完全适应三维设计。基于二维设计的数据归档与认可标准, 严重限制了三维的应用。三维模型中不包括几何形状的公差、表面粗糙度、表面处理要求、连接方式、间隙或过盈配合等相关技术标准。三维CAD的使用规范和标准没有建立起来, 不同的设计者有各自不同的习惯做法, 不利于数据的管理和交流。
(2) 软件客户化程度低。制造企业没有建立标准的三维CAD平台, 许多设计者经常是在通用的CAD环境进行设计, 大量时间浪费在环境的修改、设置等重复工作上, 效率低。
(3) 人员技能限制。没有建立一套系统有效的培训机制, 设计者的能力提升困难。没有提炼出标准的设计流程, 最佳实践得不到推广应用, 整体工作效率没有得到进一步的提高。
(4) 数据共享与协同集成的不足。三维参数化协同设计的普及推广程度较低, 不能在同一共享平台环境中为下游部门提供3D模型, 减少产品3D重新建模时间, 减少出错的几率, 保证同一个3D设计数据源。
4.4 解决方案
通过软件系统标准的建立和客户化定制, 最大化、最有效地统一设计模板和设计标准, 积累沉淀宝贵的产品经验, 形成典型设计流程、设计理念和设计知识, 实现知识的获取和重用。
(1) 建立科学合理的企业信息化研发基础技术标准:统一产品研制的信息化平台和工具标准;确定协同研制中的模型等电子数据交换标准;统一数据对象在新工具下的工作标准。
(2) 规范化产品设计:通过标准与规范制度, 以及标准的软件应用环境, 确保产品设计的规范化, 保证设计质量, 增强产品的可读性, 为数据共享提供有利条件。
(3) 设计标准与规范的建立。
(1) 以标准与规范的形式确立三维数据的重要地位, 使得三维模型数据也可作为数据传递的正式依据, 与二维图纸具有同等的地位, 并与二维图纸一样进行认可和归档。
(2) 建立三维CAD软件系统应用规范, 既满足标准化的要求, 又可规范工程师的行为。三维设计标准与规范可包括:三维建模规范、装配建模规范、三维转化为二维工程制图规范等。
(3) 建立标准与规范的检验手段, 促进标准与规范的贯彻。检验的内容可包括产品设计是否遵循公司标准与规范、模型是否存在质量问题、设计数据是否完整等。
(4) 标准的三维软件应用环境的建立。
(1) 对三维软件进行客户化定制, 增强软件系统的易用性。包括软件系统缺省启动文件的设置, 建模、装配、制图标准应用模板的创建等, 从而使通用的软件系统通过客户化定制成为适合于企业特定应用的专用系统。
(2) 对三维软件适当的二次开发, 加强软件的功能及对企业的适用性, 、包括用户自定义特征库的创建、产品开发专用工具的开发、3D公差等数据库。
(5) 产品快速设计。
针对典型零件制定最佳操作流程, 统一建模方式, 提高了工作效率和质量;针对复杂零件开发智能化建模方法, 简化操作过程;针对产品设计中的典型流程进行归纳和总结, 形成最佳实践, 指导后续应用;针对特定应用, 开发专用工具, 专用工具将以工具条的形式出现和被使用;创建用户自定义的特征库, 便于产品快速设计使用。
5 结论
通过信息化建设, 整个制造企业的工作环境得到了改善, 业务流程和活动得到了进一步的梳理和改进, 并通过标准化固化下来, 促进了信息资源的协同共享和合理配置, 提升了工作效率和质量。
同时, 制造企业的信息化建设是一个庞大的系统工程。只有在科学、有效的统一管理下, 逐步建立全生命周期的企业信息化技术的标准化体系, 才能保证信息化建设持续改进和提高。
参考文献
[1]沈同, 姚晓静, 王长林.企业标准化基础知识[M].中国计量出版社, 2007.
[2]侯炳辉.什么是企业信息化.
三维制造工艺 篇4
采掘设备截齿在高冲击、高应力、高磨损条件下, 在截肩处受到很大的弯矩和剪切力, 所以截齿的齿体易出现破损状态。基于煤矿生产中大量截齿磨损、破损的实际, 通过弧焊机器人再制造技术获得性能满足使用要求的截齿, 从而实现报废截齿被修复再利用。
反求工程是对已有实物原型进行数据测量、拟合、重构CAD模型的一种技术, 是截齿再制造模型建立的基础[1]。采用分层/堆积方式实现重要破损零件维修再制造是目前研究的热点问题之一, 柔性化、自动化、智能化的再制造技术是未来再制造工程发展的方向。在基于精密焊接方法制造金属零件的研究方面, 国内外都开展了相关工作, 如英国的诺丁汉大学、澳大利亚的威龙宫 (Wollongong) 大学等。西安交通大学机械学院的先进制造研究所进行了等离子弧焊直接金属成形技术的研究工作[2], 华中科技大学材料学院进行了基于焊接机器人的三维快速成形的方法研究等[3]。
本文着重介绍采掘设备截齿机器人柔性再制造三维模型建立的基础-反求工程。
1 截齿三维信息数据的预处理
实际测量结果不可避免存在一定误差, 如果直接用这些数据进行拟合及重构, 势必会造成曲面不满足精度要求, 因此, 需要对拟合曲面进行处理[4]:
1.1 数据插补
对于一些测量不到的区域, 其数据只能通过插补的方法来补齐。截齿种类很多, 结构不同, 如图1所示的截齿, 85%以上是由于截齿体头部过早磨损而失效。针对这种类型的破损截齿, 需要较多的截齿体头部的三维信息。
1.2 数据平滑
测量结果存在误差, 部分点是不准确的, 除去不在曲面的点, 使截齿曲面趋于平滑。
2 曲面重构
根据曲面拓扑的形式不同, 曲面构造可分为两种方法[5]:
2.1 以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法
2.2是以非均匀有理B样条曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法, 即NURBS法, 目前大都采用这种方法, 本文也采用这种方法。
对于u向k次, v向l次的NURBS曲面定义为[4]
一般情况下, 分两个步骤利用NURBS进行曲面插值, 首先, 沿着u向对每个切片上的数据, 把它们换算成带权的型值点, 再按照B样条曲线的边界条件及反算公式, 求出控制点, 然后再把这些控制点看做v向按照B样条曲线的边界条件及反算公式进行反算, 求得矩阵点, 构成控制网络。
在反算过程中, 应用重节点条件, 使特征多边形的首末顶点满足型值点首末端点的插值条件, 边界条件取为自由端点条件, 节点矢量按照累计弦长法计算。得到控制网格后, 就可以利用定义式, 进行曲面重构。
3 截齿三维模型
通过空间点数据得到截齿曲面模型后, 就可将其导入三维造型软件中, 得到截齿的三维实体模型, 截齿的种类不同, 结构不一, 其中一种截齿三维模型如图1所示, 图2为其STL模型。
4 结束语
本文主要是对缺损的截齿进行三维结构建模, 然后与完整的采掘及截齿进行对比, 建立截齿的再制造模型, 为后续的弧焊机器人柔性再制造过程奠定了一定的基础。
参考文献
[1]钟俊坚.反求工程中的数据加工处理[J].南方冶金学院学报, 2005, 26 (6) .
[2]Zhao Baojun, Wang Su, Chen Wuyi, A lgorithm for rapid slicing STL model[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautic, 2004, 30 (4) :329-333.
[3]Choi S H, Kwok K T.A tolerant slicing algorithm for layered manufacturing[J].Rapid Prototyping Journal, 2002, 8 (3) :161-179.
[4]郭迎福, 李兵, 等.激光扫描点云数据的NURBS曲面重构技术研究[J].湖南科技大学学报, 2006, 21 (3) :31-32.
三维制造工艺 篇5
当前, 国内装备制造企业主要还是以CAD二维设计为主。在产品二维设计中, 处理复杂投影线的生成问题、漏画图线问题、设计更新和修改问题等都是相当困难的［１］, 特别是由于二维设计图纸上人为因素的影响, 可能会出现视图对应关系混乱、零部件属性与明细不符等问题, 图纸上的低级错误难以避免。三维设计可以达到尽可能减少人为因素的影响、降低图纸的错误率、提高设计效率的目的。王其芳［２］、苏成君［３］等对三维设计在机械设计中的必要性和应用中出现的问题进行了详细的阐述, 熊丞政［４］等人探讨了如何提高三维设计效率, 何永堂［５］论述了企业三维设计标准体系的建立。本文就企业如何更好地应用三维数字化设计技术进行产品设计和开发加以探讨。
1三维设计规范的建立和完善
企业在全面实行产品三维设计之前, 必须制定与企业设计习惯、国家标准等相适应的三维设计规范, 特别是对于非标成套装备的设计, 合适的设计规范的制定更为重要。设计规范的合理制定, 必须充分考虑产品三维设计流程的统一性和简洁性、产品三维模型和图纸的可重复利用性、大量产品数据的可存储性和易管理性。三维设计规范的建立大体可以包括4个方面:设计环境、设计文件命名规范、建模规范和设计库。
1.1设计环境
设计环境是指三维设计软件上各种设置的统称, 主要包括设计软件的操作界面、系统选项、设计模板、 绘图标准等。1设计软件的操作界面应简洁, 去除不必要的按钮、工具条等;2系统选项应以方便设计、满足设计要求为前提进行设置;3设计模板包括零件、部件、工程图等的模板以及明细表等各类表格的模板, 应结合企业设计习惯、国标和软件特点进行设置;4绘图标准包括字体、线型、标注样式、图纸比例等内容, 软件一般均自带GB标准;5其他设置, 包括常用的快捷键设置等。设计环境设置完毕后, 可通过三维设计软件的“一键设置”功能, 复制到其他计算机上。
1.2产品设计文件命名规范
产品设计文件是指产品在三维设计过程中所生成的各类文件, 包括三维模型文件、工程图文件、计算文件等。规范设计文件名称对于三维设计和三维数据管理有着重要的意义, 首先, 合适的命名规则有利于设计过程中识别模型文件和工程图文件, 更可避免在三维设计过程中因文件重名而导致设计模型错误等问题; 其次, 合理的命名规则可以提高大量产品数据的管理效率。
1.3产品三维建模规范
产品三维数字化建模规范主要包括零件、部件的建模规范和工程图的生成规范。因为同一零件可以有多种方法来完成建模, 这一规范的建立就是要统一设计人员的建模思路, 这样不但可以提高模型的重复利用率, 特别是复杂零部件的重用率, 而且对于修改设计也更加便利。
1.4设计库
加快产品的开发速度、提高产品设计效率是企业进行产品三维设计所追求的目标之一, 企业设计库的构建是实现这一目标至关重要的环节。
设计库是指设计中可重复利用的设计要素的集合, 主要包括材料库、标准件库、典型零部件库、外购件库、企业标准件库、特征库、技术要求库等。企业设计库的框架和组建方法可以参考文献[6]。
材料库的内容包括企业在设计过程中的常用材料, 材料的种类不必全而广, 而是要根据产品的性能和经济性添加材料, 材料的属性应包括名称、密度、弹性模量、热膨胀系数等物理属性, 便于对产品进行有限元优化分析时使用。
标准件库、外购件库、企业标准件库、特征库的构建关键在于零部件、特征基本模型的建立和驱动尺寸参数的系列化。以SolidWorks软件为例, 参数的系列化有两种方式:一种是在基本模型上添加系列表来增加配置, 这种方法适用于配置较少的标准件和库特征; 另一种是将系列化的参数添加到数据库中, 以数据库来驱动基本模型, 这种方法更适合于配置多和参数数据量大的情况, 以及标准件是部件的情况, 如万向联轴器等。实际工作中可以根据具体情况选择构建方式。
1.5设计库的维护和管理
设计库的建立和完善是一个长期的过程。设计库雏形构建完成后, 在应用的过程中需要不断的更新和完善。
对于拥有多个设计部门的企业来说, 为了提高设计库的利用效率, 建议采用本地计算机安装“企业设计库” 的方式, 可以采用以下两种方式来实现设计库的更新。
(1) 在企业网络服务器构建FTP服务端, 上传 “企业设计库”文件夹, 设计人员在本地计算机上安装 “设计库更新程序”进行本地设计库的更新。设计库管理人员在本地计算机安装“设计库维护程序”, 通过口令登录对服务器上的设计库进行新内容的上传和更新。这种方法的优点是流程简洁, 不足之处是对服务器的要求较高, 要能处理大量的并发流量。
(2) 在企业网络服务器构建FTP服务端, 上传 “企业设计库”文件夹, 在各部门设置子服务器, 可以用个人计算机代替。子服务器通过“设计库更新程序”访问网络服务器完成设计库的更新, 部门内设计人员通过“设计库更新程序”访问本部门局域网子服务器完成设计库的更新。这种方法的优点是通过分流大大减少网络服务器的访问量, 对网络服务器的性能要求较低, 可通过设置计算机开机自动运行或定时运行更新程序来完成本地计算机设计库的更新。
2三维设计软件新功能的开发
2.1新功能开发的必要性
三维设计软件自身的功能往往并不能满足企业在设计过程中的个性化需求, 新功能的开发可以使设计过程变得更快捷便利, 减少繁琐的重复操作。 以SolidWorks软件为例, 如果要实现明细表的自动分页显示, 实现设计文件的批量自动改名等, 都需要对软件进行二次开发才能实现。
2.2新功能开发的简单方法
以SolidWorks软件为例, 通过录制“宏程序”, 只要具备简单的VB编程语言知识, 通过编辑“宏程序”, 便可完成新功能的开发。
SolidWorks API帮助文件和SolidWorks官方网站的论坛都是获取二次开发知识的有效途径, 很多现成的“宏程序”可供参考和利用。
3结语
产品的三维数字化设计是企业提高自身水平和市场竞争力的利器, 合理有效地利用这项技术, 不但可以缩短产品设计周期, 更使得设计人员有充裕的时间去发挥创造性, 优化产品和开发新产品。企业通过建立和完善三维设计规范, 在三维设计软件的基础上开发必要的新功能, 可以不断提高设计效率, 提高产品质量, 提高市场竞争力。
参考文献
[1]陈伯雄.三维设计是CAD技术应用的必然趋势[J].计算机辅助设计与制造, 2000 (8) :11-13.
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[4]熊丞政, 邹江, 石新营.应用SolidWorks设计库提高设计效率的探讨[J].机械制造与自动化, 2008, 37 (4) :15-17.
[5]何永堂.浅谈企业三维设计标准体系的建立[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2012 (3) :84-86.
三维铸造工艺CAD冒口系统设计 篇6
铸造工艺CAD是提高铸造工艺水平、科学化管理铸造工艺图样的有效工具,它能使工艺人员从繁杂的手工劳动和大量的繁琐计算中彻底解放出来,不再需要描图员手工描图,直接用打印机打印透图。不但提高了工作效率,而且铸造工艺设计更加标准化、规范化。质量、模数、冒口、浇注系统、冷铁等计算更准确,铸件形状、冒口、浇注系统、冷铁布局更直观,有利于造型工和模型工识图。另外和铸造CAE连接进行工艺优化设计,很好地达到控制铸件质量的目的。铸造工艺计算机辅助设计不仅是工厂发展的需要,而且是工厂参与竞争、赢得市场的需要[1]。
1 模数的计算
铸件的凝固时间,取决于其体积与表面积的比,这一“比值”称为“凝固模数”,简称“模数”[2],用公式表示为:
式中:M—模数,cm;V—铸件体积,cm;A—铸件散热表面积cm2。
根据研究表明,各种形状、质量、用途不同的铸件,不论铸件形状如何,只要它们模数相等,其凝固时间就相等或相近。模数小的铸件凝固时间短,模数大的铸件凝固时间长。
铸件中缩孔的位置是在铸件最后凝固的部位。铸件内各个部位的凝固时间,取决于该处的体积与表面积的比值,即取决于该处的模数。
模数法设计铸件冒口,可分为以下几个步骤:
1)根据铸件的结构特征,将它分成几个几何基体,计算各基体的模数,确定补缩通道,确定冒口类型,划分各冒口的补缩区域。对内在质量没有特殊要求的铸件,冒口补缩区域可以大于补缩范围;对致密度要求高的铸件,应按补缩范围划分冒口补缩区域;
2)计算每个冒口补缩区域的铸件体积或质量;
3)根据各个补缩通道模数,计算它们各自所要求的冒口初始模数和尺寸;
4)根据补缩通道的特征、冒口的初始模数和冒口补缩区域内铸件的体积或质量,选择合适的冒口类型和冒口尺寸。
2 补贴液量与热节圆法计算冒口
该方法是建立在凝固等温线和补缩液量基础上的冒口计算方法,多用于计算大气压力暗冒口。等温线代表了一定时间内铸件与冒口的凝固层厚度,当假设两者的厚度相等时,它的逐层推向中心;直到铸件完全凝固时,冒口尚未完全凝固,而且冒口中贮有足量的钢液,铸件的凝固收缩始终能得到在大气压力作用下的冒口中热钢液的补给;最后在冒口中留下缩孔体积。
这种方法简单、快捷,尽管并不是很精确,但是用于各种类型中、小铸件上,却得到了满意的结果。设计步骤如下:
1)计算出铸冒口中的钢液从浇注温度到凝固结束的体积收缩量;
2)画出被补缩节点的热节圆;
3)根据收缩量和热节圆直径计算冒口尺寸。
3 计算补贴参数
利用经验公式计算补贴参数的主要设计过程,如图1所示。
在实际铸钢件加工生产中,除了经验公式计算补贴参数之外,还常常采用滚圆法计算补贴参数。滚圆法适应的铸件形状多样化,本文利用了滚圆法的数学建模和计算求解。
三维铸造工艺CAD系统设计假定用滚圆法数学求解方法来做:铸件以x轴对称并且壁厚度均匀;圆角圆心位于x轴和铸件外面壁所投影的交点处。通过这种假定可以达到简化求解步骤,以便于程序设计,并且这样得到的补贴尺寸数据跟实际滚圆法得到的数据误差很小,可以保证铸件工艺设计的精度。系统解析法求解计算,是通过一系列圆心的求值来获得最终补贴尺寸。如图2所示。首先定义y轴(图示朝上为正向)和x轴(图示朝右为正向)以及原点O,则原点到上部顶面的距离为(H+L/2),到侧面的距离为B。设第一个圆C1圆心为(x1,y2),半径为R1,则有解此方程得到及x1=-(B-R1),y1=0,第一次求解完成。同理,设第二个圆C2圆心为(x2,y2),半径R2=1.1R1,此时x2=-R2,y2未知,但(x2,y2)落在第一个圆C1的圆周上,从而有(x2-x1)2+(y2-y1)2=R12,根据这个方程可以得到y2的值,此时取有y2的正解,从而得到(x2,y2)。以此类推,设第n个圆Cn圆心为(xn,yn),半径为Rn,则Rn+1=1.1Rn,取xn+1=-Rn+1,有(xn+1-xn)2+(yn+1-yn)2=Rn2,解得(xn+1,yn+1),求解终止条件为取保守值,最终补贴宽度a=2|xn+1|-B,因此求解得:此时由于过渡圆还未确定,没有办法确定补贴的高度,还需要进一步求值,如图2,过渡圆的圆心坐标为xr=-B,yr=0,过渡圆半径假设为Rr。在做实验过程中,观察到第2个热节圆很具有代表性,通过M点和第2个圆的外部切线都能保证所有的热节圆都位于切线一侧,因此取第2个热节圆和点M相切的直线作为补贴的轮廓线,并且最终求得Rr。这样,求取补贴参数即可完成。
经过多个样例的验证,采用系统提供的滚圆法设计工具计算,可以比较方便地求取铸件的补贴,其数据误差在±5%以内,这样可以满足铸件补贴的设计要求。
4 铸件补贴设计
实现冒口补缩铸件的基本条件之一是,铸件凝固同时补缩通道扩张角始终向着冒口,且角度大些为好。然而对于板形件和壁厚均匀的薄壁件来说,单纯增加冒口直径和高度,对于形成或增大补缩通道扩张角的作用并不显著。如果在靠近冒口方向逐渐增加铸件壁的厚度,从铸件结构上造成向着冒口的补缩通道扩张角,却能显著增加冒口的有效补缩距离。这种人为地、在冒口附近的铸件壁上逐渐增加的厚度称为冒口补贴,简称补贴。
1)均匀壁上的补贴
图3是壁厚度为T的钢板,立浇后铸件中的缩松情况。当钢板的高度H小于冒口有效补缩距离时,铸件中不出现轴线缩松,如图3(a)。当铸件高度H大于冒口有效补缩高度时,铸件中部产生缩松,如图3(b)所示。从冒口有效补缩距离以上开始加补贴,使铸件壁向着冒口方向逐渐加厚,直到冒口根部为止,铸件加厚量a称为补贴厚度,如图3(c)所示。由于有了补贴,铸件从下向上实现了顺序凝固,从而消除了缩松。
板形铸件立浇,补贴厚度与铸件壁厚、铸件高度的关系的关系如图4,可以看出当铸件的壁厚T一定时,补贴的厚度a随铸件高度H的增加而增加;当铸件高度一定时,壁厚越小,所需的补贴厚度越大。
图4是以碳钢板状铸件顶注实验得出的补贴厚度,对于底注式铸板及高合金钢铸件,因铸件的自然温差较小,需增加补贴厚度以促进铸件顺序凝固[3]。
5 铸件冒口设计
液态金属浇入铸件型后,在凝固和冷却过程中产生体积收缩。体积收缩可能导致铸件最后凝固部分产生缩孔和缩松。体积收缩较大的铸件合金,如铸钢、可锻铸铁以及某些有色合金铸件,经常产生这类缺陷。
缩孔和缩松影响铸件的致密性,减少铸件的有效承载面积,会使力学性能大大降低。生产中防止缩孔和缩松缺陷的有效措施是设置冒口。冒口的主要作用是贮存金属液,对铸件进行补缩,此外还有出气和集渣的作用。为了实现这样的目的,设计冒口应遵循下列基本原则:
1)冒口的凝固时间应大于铸件被补缩的凝固时间;
2)冒口能提供足够的补缩金属液;
3)在整个补缩压力,冒口与铸件被缩部位存在补缩通道。
4)有足够的补缩压力,使补缩金属液能够流到要求补缩的区域。
冒口设计的内容主要是:选择冒口的种类、冒口的形状及安放位置,计算冒口的数量并添加冒口等。
a)冒口种类
使用得最多的是普通冒口。按冒口在铸件上的位置,普通冒口可分为顶冒口和侧冒口(边冒口)2类;按冒口顶部是否与大气相通,普通冒口分为明冒口和暗冒口[4]。
图5为铸钢件、铸铁件常用的冒口类型。如图所示,顶冒口一般位于铸件最厚部位的顶部,这样可以利用金属液的重力进行补缩,提高冒口的补缩效果,而且有利于排气和浮渣。
1—明顶冒口;2—大气冒口;3—侧冒口;4—铸铁;5—压力冒口
采用明顶冒口,造型方便,能观察到铸型中金属液上升情况,便于向冒口中补浇金属液,可以在冒口顶面撒发热剂以缓减冒口冷却速度。但因顶部敞开,散热较快,同样体积的冒口,明冒口的补缩较低。明顶冒口对砂箱高度无特殊要求,当砂箱高度不够时可设辅助冒口圈,而暗顶冒口要求砂箱高于冒口。因此对于大、中型铸件,尤其是单件、小批量生产的铸钢件,经常采用明顶冒口;而中、小铸件则多用暗顶冒口。
b)冒口形状
冒口形状直接影响到它的补缩效果,为了降低冒口的散热速度,延长冒口的凝固时间,应尽量减少冒口的表面积。最理想的冒口形状是球形,但因起模困难,目前尚未普通采用。实际生产中应用得多的是圆柱形、球柱圆形、腰圆柱形冒口。如图6所示。
圆柱形冒口造型方便,它的散热虽然比球形的快,但仍有较好的补缩效果。对于轮类铸件,热节形状为长方形,圆柱形冒口的经济效果不如腰圆形的好。因为使用腰圆柱形冒口时,所需的冒口数量比圆柱形的少,节约金属。
c)冒口的位置
冒口在铸件上安放位置对获得健全的铸件有着重要的意义。冒口安放位置不当,就不能有效地消除铸件的缩孔和缩松,有时还会引起裂纹等铸造缺陷。应遵循以下确定原则:
1)冒口应设在铸件热节的上方;
2)冒口应尽量放在铸件最高最厚的地方,以便利用金属液的自重进行补缩;
3)冒口最好布置在铸件需要进行机械加工的表面上,以减少精整铸件的工时;
4)在铸件的不同高度上有热节需要补缩时,可按不同高度安放冒口。
6 结语
通过UG提供的二次开发接口UG/Open和VC开发工具,开发了基于UG的三维铸造工艺CAD软件。利用这种软件缩短了用传统方法建模的时间,减轻建模的工作量。通过曲轴的断裂分析和铸造CAE模拟结果的比较,说明铸造CAE模拟结果真实可靠。用CAE指导CAD进行工艺设计切实可行[5,6]。铸造CAE模拟技术的应用,可以有效预测铸造缺陷,使工艺人员可以提前采取预防措施,减少废品和损失,提高铸件质量。缩短了通过实际生产进行工艺验证周期,节约生产成本。
参考文献
[1]刘从庆.铸造工艺CAD研究近年来在我国的发展[J].铸造,1995(4):40-41.
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[3]程军.计算机在铸造中的应用[M].北京:机械工业出版社,1993.
[4]聂方兴.液压件冒口系统设计及绘图模块的研发[D].武汉:华中科技大学工学硕士学位论文,2002.
[5]廖广兰.铸造工艺CAD浇注系统模块的研究与开发[D].武汉:华中科技大学工学硕士学位论文,2000.
三维制造工艺 篇7
关键词：三维设计,缸体铸造模具,制造,铸件,分析
在全球经济一体化建设进程不断加剧与城市化建设规模持续扩大的推动作用之下, 铸造模具制造行业在整个国民经济建设发展中所占据的地位日益关键。可以说, 铸造模具制造行业的建设发展程度与整个国民经济的建设发展程度是息息相关的。相关工作人员需要清醒的认识到一个方面的问题:在当前技术条件支持之下, 小型乘用车的钢铁多选用高强度的薄壁式灰铸铁件。在这种铸件材料选型作用之下, 为确保铸件生产工艺相关要求得到最大限度的满足, 我国现阶段的缸体模具多依赖于进口, 这对于社会主义市场经济建设开发趋势之下汽车工业的建设发展而言是极为不利的。在计算机应用技术与无线通信技术蓬勃发展的作用之下, CAD技术应用范围逐步扩大, 新时期的模具制造技术得到了前所未有的发展, 但这一阶段的模具制造技术同国外先进模具制作技术之间的差距仍比较大, 与此同时, 在数控机床应用拓展及高速数控机床引进应用的背景作用之下, CAM技术也正受到相关工作人员的广泛关注与重视。
1 三维设计在缸体铸造模具制造中的的基本思路分析
相关工作人员需要清醒的认识到一个方面的问题:对于当前技术条件支持下的缸体制造模具设计而言, 其关键设计过程可以按照参与主体及肩负任务的不同划分为以下几个方面:首先, 缸体铸造模具制造客户方需要为设计方提供详尽的零件产品示意图或是铸件元件毛坯图;其次, 缸体铸造模具制造设计方需要依照客户方所提供铸件元件的基本生产条件来明确相应的铸造技术以及工艺方案, 进而在软件系统的支持下得到相应的铸造工艺图。这一环节所得到的铸件工艺图正是缸体铸造模具设计及验收的基本参照;再次, 缸体铸造模具制造设计方需要依照铸件元件生产厂家所提供的造型条件及制芯设备要求, 设计出能够充分满足以上需求的缸体铸造模具模板、芯盒等关键设备模具。以上诸多设计步骤在三维设计这一整天当中并非独立存在, 而是相互联系的。
2 三维设计在缸体制造模具制造中的运用分析
对于三维设计而言, 其在引入缸体制造模具制造的过程中并非一个独立的个体, 其更多的倾向于一种系统化、集成化的整体性行为。从产品造型到铸件造型, 从铸件造型到模具设计, 从模具设计到结构设计, 从结构设计到夹辅具设计, 这些关键环境应当特别注意哪些方面的问题?三维设计在这些制造环节中以何种形式体现在哪些方面呢?笔者先对其做详细分析与说明。
2.1 三维设计在缸体制造模具产品造型中的运用分析。
产品造型从本质上来说是以需求方所提供的有关零件产品示意图以及铸毛坯示意图为基本参照, 在计算机系统中形成有关零件及毛坯的三维实体。大量的实践研究结果向我们证实了一点:受发动机缸体铸件在外形及内腔上的形状复杂度影响, 要想一次性构建完成有关缸体产品的三维造型设计是不实际的。笔者认为, 在三维设计作用之下, 有关缸体产品造型的设计可以先选择外模、端盖芯、水套芯以及缸筒芯金喜设计, 进而构建砂芯与缸体外膜之间的布尔减运算, 进而通过分砂芯得到相应的芯盒。
2.2 三维设计在缸体制造模具铸件造型中的运用分析。
相关工作人员需要明确的一方面问题在于:铸件造型作为缸体制造模具制作的关键与核心, 应当在三维产品实体模型建模的基础之上, 以铸造工艺的基本需求为依据, 涉及到加工余量以及工艺补正量的提升问题, 涵盖反变形量以及收缩率的处理问题, 并在分型面处理过程当中生成相应的拨模斜度及圆角参数。特别值得注意的一点在于:若三维设计在铸件造型设计过程当中存在不符合相应标准规范的壁厚参数, 相关工作人员则需要及时对这部分壁厚部位加以合理的补贴处理, 直至壁厚参数满足最小壁厚要求, 其最关键的检验方式在于确保铸件造型支持下所得到的三维模型是整个缸体铸造模具制造中的最理想化铸件模型。
2.3 三维设计在缸体制造模具模具设计中的应用分析。
对于模具设计而言, 其基础也是关键在于给砂芯以及外模增加相应的芯头装置。在当前技术条件支持下, 相关工作人员需要在完成砂芯芯头装配的情况之下, 对外模芯头进行创建, 进而确保整个缸体铸造模具铸件设计结果能够得到系统的观测。
2.4 三维设计在缸体制造模具结构设计中的应用分析。
对于缸体制造模具制造中的结构设计而言, 相关工作人员应当运用三维软件的装配功能以及相应的参数性能确保结构设计过程当中的装配设计及相关性设计得到充分的满足。
2.5 三维设计在缸体制造模具夹辅具设计中的应用分析。
在三维设计的作用之下, 半自动化浸图夹具能够较为快捷的寻求到组芯元件的中心位置, 并对其自身重量进行详细计算, 一方面提高了计算参数精度, 另一方面也解放了大量且繁琐的设计人员计算过程, 适用于生产准备环节。
3 结束语
伴随着现代科学技术的蓬勃发展与经济社会现代化建设进程日益完善, 社会大众持续增长的物质文化需求与精神文化需求同时对新时期的铸造模具制造行业提出了更为全面与系统的发展要求。可以说, 铸造模具制造行业的建设发展程度将直接关系着整个现代经济社会的建设发展程度。缸体铸造模具制造作为整个铸造模具制造体系中的基础与核心, 应当引起相关工作人员的广泛关注与重视。本文以三维设计在缸体铸造模具制造中的运用这一中心问题做出了简要分析与说明, 希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。
参考文献
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