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差 。
t
锻压技术 1991年 第 4期
三维复杂锻模及型腔模
具 CAD／CAM 系统
北京机电研究所 刘蓓令 张海雁 崔红娟 王强华
摘要 本文以混合几何表示模式和形状创成的加工模拟原理为基础，解决多曲面过渡
和出模斜度啦面创成问题。最终发展成三维复杂锻模及型腔模具 CAD／CAM 系统
模具 因工艺要求而具有 出模 斜度和过渡
面，先进的 CAD／CAM 系统均以模具 方面
的应用为其水平的象征。但对于具有多曲面和
斜度的复杂锻模和型腔模具现有系统仍不能胜
任，其主要困难为： ·
1．现有的几何表示模式无法同时进行全
部有效的曲面集合运算，并对其结果进行欧拉
运算 (非限性放缩及变形用于型腔创成及预锻
设计)、无干涉偏置 (数控编程及形状创成)、
刚体扫描变换 (出模斜度创成和轨迹仿真)和
三维有限元单元 自动划分操作
2．无法进行多个任意啦面光}旨过渡和创
成光滑连接的出模斜度曲面。
3．设有三维预锻、制坯设计软件
4．缺乏 适 用于各 种成 形工 艺 的应 用软
件
作者提出混合几何表示模式和形状创成的
加工模拟原理。以此为基础解决了多曲面过渡
和出模斜度曲面剖成难题，因而，实现了任意
复杂锻件三维几何模型和预锻制坯模型 自动刨
成、无干涉三维多曲面数控 自动编程。并且可
以由此方便地生成六面体单元有恨元网格。采
用新的快速有效算法，改进了程序结构，发展
成为全新的 cAD／CAM 系统。
一
、 基于断面、单元分解和贝
塞尔曲面的混合几何表示模式
结构立体几何 CSE和边界表示 B-rep是
两种常用的几何表示模式。但前者只能用于非
雕体 、而后者在曲面造型时数据量太大且不精
确。断面分解和单元分解都是形体的无二义性
的表示模式。但精度差 且不能绘出表面曲率。
贝塞尔曲面能精确逼近任意曲面。但构造和集
合运算困难。集中以上各种模式的优点，我们
用 CSE和扫描变换定义输入形状；由 B-rep
做为中问模式和其它 CAD 系统通讯；采用断
面和单元分解做为基础的表示模式；同时把每 一
个空问单元做为一个贝塞尔曲面片处理 由
此，提出并实现 _r复杂形面的混合几何表示模
式。由于模具制品均要求分模，分模面两侧的
表面法向朝向出模方向。因此，可消除单元分
解中的内部单元，仅由表面单元就可表示形
状。
形体所在区域被分割为 与其梯度有关的不
等距纵模断面，表面即成为许多长方形 隧域。
和多叉树分船类似，但每一个小片为一 贝塞尔
曲面片。如图 1所示。
节点的坐标可由一个两维数组和两个一维
数组存储：
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图 1 基 r断面 单j 分解和 贝塞尔曲面的
混音几何表币模式
rZ Z [f：m]
{X =X [f]
【Y：Y[ ]
由于 ，与 m按整数排列，所 以点线面关
系已隐含其中。结点相同时可比 B-rep表示
模式 少 4／5数据量 对于连杆锻件 几何模
型．采用 B-rep表示在精度 0．1时 占用内存
500kbit，而用混合表示模式的，同样 内存表
示精度可达 0．001
为了精确表示边角棱线，在程序中增加了
形状识别功能。在棱边情况下改变贝塞尔曲面
片的权值达到不同的效果。
显而易觅，每个贝塞尔曲面构成了三维有
限元分割的一个单元，合并相邻平面后即可得
到简化的空间网格。
形体集合运算 由对各 曲面片的并差运算代
替 欧拉运算非常方便，只需修改结点高度。
由于无需检索相互关系和重新组合数据结构，
所以计算速度快且 会出现悬面。其结果完全
符合正则原理。
二、形状 自动创成的加工模拟原理
传统的零件形状优化设计是以功能要求、
结构强度和重量等为目标函数 结构工艺性仅
作为约束条件或根本不考虑。因此，其结果往
往是不可加工或不便加工的形状 其流程图如
图 2所示 。
由于制造工艺 比较复杂，因此某些情况下
的设计形状和最终产品形状往往不同。例如锻
件的出模斜度和过渡圆角即取决于铣刀的锥度
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图 2 传 藐形状 设计 和加工 模 拟刨戚 法
和球头半径 因此，其形状取决于加工 _T艺，
在设计阶段无法确定其详细形状和体积。而且
对于这些曲面，方便加工是其主要因素 由此
笔者提出形状创成的加工模拟原理：
由于模具是经过确定的加工工艺形成的，
因此可由加工模拟来定义和 自动创成 在给定
的工艺条件下，创成的形状唯一地可由该工艺
准确复制。其原理如图 3所示。
据此可知出模斜度为锥铣刀加工的结果；
过渡圆角为球铣刀加工的结果 从而完全解决
了 CAD／．CAM 中的多曲面光滑过渡和出模
罔 4 多十 自由曲面光措过键
I
j
量 团 垂
别 i 渐 善
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斜度创
有了理
圈 5 概念曲轴模型 田 6 增加出模斜度曲面后的曲轴
三、三维复杂锻件 自动设计
由于多曲面的相交并且形状复杂，传统的
锻件设计只能以过渡线的形式表示斜度和过渡
面，无法标出确切的尺寸。因而形线、断面、
体积和计算坯料图也不准确。模具设计和制造
周期以及模具斜度都不能满足要求。采用先进
的 CAD／CAM 技术，由简单形状的理想模
型自动生成复杂的锻件模型，一直是设计人员
追求的理想。作者采用形状创成的加工模拟原
理想慎型t- 三维锻fl=设计
岙 嘲
囹
光柑过渡
加工模 拟
无干涉 倔 置
圈 7 三维锻件 自动设计过程
圈 8 由概念模型 自动生成的斯太尔莲杆儿何模型
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图 9 南京汽车制造厂 1004G连杆
四、三维预锻设计
采用前述的原理和程序，首次可以将预锻
设计 由二维推广到三维，在空间上考虑预锻形
状优化。图 10给出设计过程。由三维锻件模
型开始用欧拉运算及无干涉偏置运算进行形状
___维预锻设计卜——— 锻模
形状变更 形状化筒
亡 形 状 识别
交互修正
形状化简
端 J i
图 10 三维预锻 自动设计垃程
变形处理 ，对所求形状进行化简光顺 以利成
形。最后给出各截面的面积比和接触情况，可
由交互方法修正几何模型以达到台乎要求的结
果。
五、无干涉偏置算法和多曲 面数控 自动编程
实现上述原理的技术，在于找到快速有效
的算法模拟铣刀加工，并 自动消除切痕和识别
形状 经过多种算法试验，采用优化理论中的
加速搜索方法和性质识别原理，终于完成了混
合表示模式的无干涉偏置算法和刚体扫描算法
(见图 l1～l3)
多曲 面加 L 数控自动编程
选定加上域l 1偏置运算I I空互植壹I l后置处理
圈 11 多曲面数控 自动编程过程
『尼于涉掘置运算I
圃I 呼 I五
囱 函
图 13 由无 f涉偏置算出韵 1004G连杆偏置面
六、软件系统设计及其实现方法
以混合表示模式和加工模拟形状创成原理
为 理 论 基 础 ， 采 用 图 形 标 准 ， 我 们 在
VAX_II／750计 算机 、Tektronic411I r作
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站和 VTI25图形终端上实现 了复杂锻模和型
腔模具 CAD／CAM 一体化系统 (见图 l4～
1 5)。 。
上P上
三维复杂锻 横丑型腔模CDA／C~M 系统
二维图形语言 l算法语言FORTRAN
l仿6 碉
MEDUSA 船I m∞ 操作 系统 VMS
Tektronio 4l_】 T125
图 I4 三维锻模 CAD／CAM 系统谎程图
图 15 软件配置情况
七、应用实例
本系统研制成功后即应用于南汽、济汽和
柳汔的锻模设计和制造 (见图 16--17)，取得
了明显的社会效益和经济效益。应 用结果表
明，完全满足复杂形状模具设计制造要求，从
根本上改革了传统的模式。算法快速有效，已
达到了商品化的要求
图 16 眭城 和}}丹 l 视机 前壳
图 】7 由MC5VA 加工中心加工成的模块
、 钛半球体在西安试制成功 用于某国防l殳施 的关键性部件一1Ⅵ 钛台金半球体，最近在西航公司锻造广试制成功
这种钰半球体由半径为 179ram半球壳体和直径为 330mm 圆柱形壳体相接 成、 厚 度 ；{有 12m rrL 精度 要 求 严 T． Z g
杂、 加工难度 太
首批 200件钰半球体已交付、产品台格率达 98％ 上 目前该7已成为钛半球体定点生产r家
西安航空发动机公司宣传部 郭旭之
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