汽车锻造模具的计算机三维造型

汽车锻造模具的计算机三维造型
前言：随着计算机的飞速发展，越来越多的锻模也开始利用计算进行三维设计和制造，锻模的三维设计是锻模 CAD/CAM/CAE 一体化的基础，但是锻模型腔的工艺特点：拨模斜度、过渡圆角和分模面以及工艺形状所要求的光滑过渡的曲面数目较多，因而增加了三维造型的复杂性。

本文介绍了汽车锻造模具的种类及以 DELCAM 的 POWERSHAPE 软件为基础，以曲轴模具的为代表的三维造型方法及拔模斜度的处理方法。

关键词：汽车锻模、 POWERSHAPE 软件、三维造型、曲轴、拔模斜度
一汽车锻造模具的分类
1 、按汽车锻件的种类来分类：
⑴圆饼类：如齿轮、轮毂
⑵杆类：如连杆、转向锤臂
⑶曲柄类：如曲轴、凸轮轴
⑷轴类：如前轴
⑸叉类：如转向节、凸缘叉
2 、按工艺用途分类：
我厂主要是锻压机生产汽车锻件，因此根据我厂生产工艺的特点主要分为：
⑴辊锻模具：一般杆类零件才有此模具，如连杆
⑵镦粗模具：此类模具圆饼类零件居多
⑶预锻模具：基本上所有锻件都有此工步，因此该模具总是存在；
⑷终锻模具：每个零件必须有此模具，这是最终成型模具；
⑸切边、冲孔模具：除闭式锻造外，所有锻件都要切边，个别锻件需要冲孔；
⑹校正模具：这个模具也是基本每个锻件都要用到，因为锻件热处理后存在变形
3 、按分模面的数量分类
⑴单个平面分模面
⑵单个曲面分模面
⑶多向曲面分模
二计算机三维造型软件的概论
1 软件的分类
随着计算机的发展， CAD/CAM 软件的种类繁多，并且新软件仍在层出不穷，从软件
的规模上可以分为 3 大类。

第 1 类为 CAD/CAM/CAE 一体化软件。

实力最强大的软件是法国达索公司开发的
CATIA 软件。

第 2 类为面向制造的软件系统，该类软件一曲面造型为主，主要突出 NC 编程的特色，并且简单易学；其代表为英国 DELCAM 公司开发的 POWERSHPER 和 POWERMILL ，专用于模制产品和模具的数控和高速铣加工；其次有以色列的 CIMATRON 等。

第 3 类是专用的小型的 CAD 软件。

该类软件以实体造型为主， SOLIDWORKS 是这一类软件的代表，还有德国 VRETZ 公司的辊锻软件—— VeraCAD 软件系统。

2 软件的技术种类
三维造型技术从 1981 年发展至今经历了 4 个阶段：
线框造型——曲面造型——实体造型——特征造型。

由于线框造型的功能有限，已经自然消失，而没有人继续使用；而特征造型正处于起
步阶段，仍在研究开发之中，在某些软件中把这一技术嵌套在 NC 加工中，如 POWERMILL 软件中的特征加工就是应用了特征造型，对于一些凸台、孔类等标准几何体，不用预先三维造型，只要给出几何体的特征参数即可加工成型。

因此，目前现有的三维造型软件均采用曲面造型和实体造型这两种方式。

这两种造型
方式又分为参数化和非参数化两种类型。

3 POWERSHAPE 软件的特点
面对种类繁多，功能各异的 CAD/CAM 软件，应用者要从适合自己产品的特点和所要达到的目标、数控加工的设备要求、配套企业、技术培训和技术支持、性能价格比等多方面
来考虑选择何种软件。

2003 年东风锻造有限公司引进了 Delcam 公司的 POWERSHAPE 和 POWERMILL 软件。

我们利用该软件中的 POWERSHAPE 模块进行模具型腔的三维造型，然后把三维图形导入
POWERMILL 模块中，进行 NC 模拟加工。

PowerSHEPER 是英国 Delcam 公司 CAD/CAM 专业化软件模块之一。

Delcam CAD/CAM 系列软件被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、家用电器、轻工产品和模具制造等行业。

1991 年 Delcam 产品首次进入中国市场。

1997 年在北京成立 Delcam （中国）有限公司。

多年来， Delcam 一直保持 CAM 软件开发研究的世界领先地位。

虽然 PowerSHEPER 是附带三维加工的造型模块，而且是一个非参数化软件，但是曲面造型功能比较强大，我厂应用 5 年来，所有各种锻件均能快速、准确地产生三维造型。

三 POWERSHAPE 软件造型锻模的基本步骤
⑴建立用户基准坐标系
建立坐标系，使其 X 、 Y 、 Z 的坐标原点位于世界坐标系的零点。

复杂的锻件有时要建立两个或多个坐标系，有时还要根据已有的几何体建立所需要的坐标系。

这里一定要注意的是，建立多个坐标系的情况下作图，一定要在当前坐标系中产生，否则会出现错误
的作图。

（如图 1 ）
⑵根据图纸输入曲线
如图 2 可以根据需要选择圆弧、直线等功能，经过修剪后留下需要的符合图纸的复合
线框（如图 3 ）
⑶产生曲面
该软件的曲面造型分为两个部分，一部分是标准体素曲面，它们分别是平面、矩形块、球、圆柱、圆锥和圆环。

这些标准体素可以自动产生，很多锻模设计可以从这些标准体素
曲面开始进行裁减或合并而成。

另一部分的做法有很多种，经常用到的有驱动曲面、双轨曲面、线框曲面、填充曲面、分离曲面等。

如图 3 所示是用两分离的曲线产生的分离曲面。

该软件的曲面是有方向性的，而且用颜色区分，金黄色的一面是曲面的外面，而红色的一面是曲面的里面，根据自己需要里、外可以进行反向。

⑷拔摸面
拔模面可以通过一条复合曲线产生，也可以通过一组曲面产生。

拔模面要么投影到当前用户坐标系的 XY 平面上；要么投影到另一个预先指定的曲面上（一般用于曲面分模）。

如图 4 所示，是采用复合曲线拔模投影到当前的 XY 平面上，因为它是平面分模。

⑸导圆角
POWERSHPAER 即可以产生凹面圆倒角，也可以产生凸面圆倒角。

凹面圆倒角是所有的圆倒角面的指向均向外的圆倒角曲面，也即曲面均阴影呈金黄色；凸面圆倒角则相反。

如
图 5 是凸圆角。

还有该软件倒圆角功能之一是：可以同时选择多个曲面，同时进行倒圆角；之二是：可以进行变圆角倒圆角，就是两个曲面之间的倒圆角可以从 R5 变到 R10 。

⑹做连接面
一般的情况下是做凹圆角，所以连接曲面就和倒圆角基本相同（如图 6 ），也可以采
用上面的功能进行。

四汽车锻模造型的总体原则
从事锻造的人都清楚，锻模的型腔是由锻造工艺决定的，锻造工艺的主要特征就是拔
模斜度、过渡圆角和分模面以及工艺形状，而目前通用的 CAD/CAM 软件 ( 包括正在使用的 POWERSHEPE 软件 ) 都不是针对锻模开发的具有锻造工艺特性的专用软件，因此造成了锻模三维造型的复杂性。

如果我们把锻造工艺特性从锻模的三维模型上分离出来，锻模型腔的形状就变得十分简单了。

把分离了工艺形状的模型称为锻模的概念模型，当有了概念模型，再在上面添加工艺特性，就可以得到满足锻造工艺的最终形状。

在当前没有专用锻模三维造型软件的前提下，基于概念模型这个理念就可以把三维造型条例化、步骤化。

无论采用的软件是面造型还是体造型，不论是参数化还是非参数化的软件，锻模的造型步骤基本相通，下面以 POWERSHEPE 软件为基础，分别叙述曲轴预锻、终锻、切边、校
正模具的造型基本步骤。

㈠终、预锻模的造型步骤
因为曲轴预锻、终锻形状基本相同，只是尺寸不同，因此造型步骤一样。

⑴分析锻件图纸，把锻件化整为零，分别造型；如把曲轴分为平衡块、连杆轴径、主轴径，
并建立概念模型，见图 7
⑵根据分模面分别进行锻造工艺的拔模斜度的处理，见图 8 ；
⑶倒圆角处理，见图 9
⑷把主轴径、平衡块和连杆轴径的过渡圆角做出，锻件就完成了见图 10
⑸做出仓部和桥部，见图 11
⑹后做出模具，见图 12
㈡切边凸、凹模的造型方法
根据锻造设计原理，切边凸、凹模具的型腔大都不用重新造型，而是利用终锻锻件的三维图形，依靠软件的各种编辑功能，经过改造即可。

⑴把终锻锻件三维图形根据设计图纸的比例经过缩放成为切边锻件的三维图形，软件的功能是可以三轴同时同一比例进行缩放，也可分别进行不同比例的缩放。

如图 13 是一个曲
柄进行缩放后的比较。

⑵在缩放后的切边锻件三维造型中取出锻件的最大轮廓，作为凹模模具的刃口，然后做出
模具。

⑶在凹模轮廓的基础上三维偏置出凸模模具的轮廓。

如图 14 红色线。

⑷凸模型腔是在切边三维锻件的基础上，根据设计要求，把放间隙的侧面进行左右移动 1.0
—— 2.0mm 即可。

㈢校正模具的造型方式
没有特殊要求的校正模具造型比较简单，因为锻件的校正基本上只校正锻件上、下平台部位，其余部位都与锻件留有间隙 1.0_2.0mm 左右，所以校正模具的型腔也与凸模一样，依靠终锻模具的三维造型，进行缩放、移动、倒角基本上就可以完成。

另外一种更加简便的方法是，一些要求不高的锻件的校正模具的间隙可以不作出，只是按照校正锻件的尺寸把模具做出，导入加工软件后，利用加工软件的功能把模具的间隙
直接加工出来。