第三节材料加工工艺CAD

2.3材料加工工艺CAD及其应用

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3.1概述

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1.1CAD概论及发展过程CAD是计算机辅助设计英文Computer AidedDesign的简称它是指利用计算机技术完成设计过程中的信息检索、方案构思、分析、计算、工程绘图和文件编制等工作CAD中的”设计”包含内容广泛，几乎涉及所有学科其中分析、计算及工程绘图是设计过程中的典型环节，CAD的典型含义就是计算机辅助完成包含以上典型设计环节的活动CAD的概念及相关术语是1963年由美国麻省理工学院MIT24岁的研究生萨瑟兰德I.E.Sather land在她发表的博士论文”Sketchpad:一个人机通信的图形系统”中首次提出的该系统中，设计者用光笔和键盘在图形显示器上实现选择、定位等交互功能及绘制直线、圆等图形，并可对图形进行变换和编辑它为CAD技术的发展和应用打下了理论基础交互式图形生成技术的出现，促使了CAD/CAM技术的迅速发展60年代中后期，美国的一些大公司开始重视这一技术，并投有些经验知识能够经过图表、公式等形式总结出来，供设计人员参考，但很大一部分经验知识则是无法用数学模型来表示的2工艺设计过程是数值计算、数据检索、图形处理、符号处理及优化设计等的集合在工艺设计中，尺寸的换算、间隙补偿量、展开尺寸计算、回弹量计算、拉深次数计算和冲压力计算等都是经过数值计算完成的同时在设计中要经过查表检索大量设计参数工艺设计的信息主要是以图形方式表示的工艺设计往往有多种方案可供选择，在设计中不但要考虑到设计的技术可行性，而且必须符合经济性原则，以最小的代价生产出满足需求的产品因此存在着多种方案的优化设计问题3工艺设计是一个创造性劳动过程因为冲压产品是多种多样的，形状各异，变化复杂在设计中，不但需要设计人员掌握丰富的设计知识，而且要求设计人员能充分发挥自己的创造力,设计出各种冲压件的加工工艺由上述特点可见，传统的手工设计没有固定的系统的准则可循，设计结果受设计者的经验、偏好等因素影响因此，建立冲压工艺CAD系统，不但能够建立一套完整的设计准则提高设计质量，同时也可减轻设计人员的劳动强度冲压工艺CAD与传统的手工设计方法完全不同，它是把设计者长期积累起来的经验一一模具设计资料包括计算公式、经验数据等预先汇编成一套程序系统，并以一定的方式输入到计算机系统中在设计模具时，只要根据冲压件的几何形状、尺寸和材料等参数，编制若干个简单的主程序，然后调用先前已编好的程序系统中的一些子程序，经过运算就可获得所需的模具设计参数，包括冲压件的工艺性（好或差）、冲裁件的最佳排样位置、模具刃口尺寸及其公差、凹模的外形尺寸、压力中心、冲压力和脱模力等一般的讲，冲裁工艺CAD系统的流程框图如图7-2所示由于冲裁零件为平面零件，图形输入和处理比较容易实现,因此CAD技术在冲裁模中该系统主要包括产品模型建立、工艺性分析、毛坯排样、工艺方案选择、工序设计、冲裁力与压力中心计算及压力机选择等产品模型建立即冲裁件图形输入，是将冲裁件图一样的几何信息和非几何信息输入到计算机中图形处理程序将其转换为机内模型，为后续设计模块提供信息工艺性判断程序以自动搜索和判断的方式分、析冲裁的工艺性如零件不合适冲裁，则给出提毛坯排样程序以材料利用率为目标函数示信息，要求修改零件图-Hr-tr排样的优化设计程序可完成单排、双件双排等不同方式的排样，从近万种排进行压力出材料利用率最高的方案转日工艺方案的选择，即决定采用简单模、复合模或连续模，经过交互方式实现程序能够按照内部结合的设计准则自动确定工艺方案，用户也图2-110冲裁工艺CAD系统程序流程图能够自行选择认为合适的工艺方案这样，系统便可适应各种不同的情况

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2.2冲裁件图形输入冲裁件图形是一种2D图形，能够用平面内的封闭轮廓线表示轮廓有内、外轮廓之分，而内、外轮廓又由若干线段组成，如直线段、1圆弧线、圆及非圆曲线段（这些线段又称为线素）等，线段与线段之间的交点或切点称为节点冲’裁件图形输入的任务是在计算机内建立描述零S件图的数据结构，形成其几何模型，以便计算机”理解“和“记忆几何模型包括零件的几何信息和拓扑关系，最终归结为对点、线、圆及相互关系的定义几何信息是描述图形几何特性的参tM数，如直线段的斜率与其上点的坐标—和圆弧段的圆心坐标、半径、起始角和终止角等冲裁件拓扑关系的描述比较简单，只需将各线素按一定的方向首尾相连即可如规定外轮廓为逆时针方向，内轮廓为顺时针方向，则所有线素前进方向的I左侧是实体，右侧为空白，这样就能唯一描述图形，满足后续设计要求冲裁件图形输入方法有多种，大致可归结为图2-111冲裁件图形交互输入过程专用绘图语言输入法、参数编码法、面素拼合法和交互输入法等，本节阐述常见的交互输入法交互式输入法是经过在屏幕上交互作图，并由程序自动处理完成冲裁件图形输入的一种图形输入方法这种方法一般以某一绘图软件为支撑，可对图形进行交互编辑、修改、插入和删除等操作下面论述以AutoCAD绘图软件为基础的冲裁件图形的交互输入法1冲裁件图形的交互输入过程冲裁件图形的交互输入过程如图2-111所示首先利用AutoCAD绘图软件包，以交互方式在屏幕上完成冲裁件图形编辑,然后生成冲裁件图形的DXF交换文件，并利用接口程序从图形交换文件中提取各线素的节点数据，再利用后置处理程序将提取的图形信息按冲裁模CAD/CAM系统的要求，建立起冲裁件图形的数据结构与几何模型，供系统后续模块调用2图形信息的输出AutoCAD主要以DXF文件方式输出图形DXF文件是具有特殊格式的ASCII文件，它包括了绘图过程中的完整信息，但其结构复杂，图形辅助信息较多，难于辨别所需的图形信息因此，DXF文件需经转化和提炼才能适应图形输入的要求冲裁件图形输入信息主要是内、外轮廓信息，即AutoCAD中的”实体，内、外轮廓信息都包含在ENTITIES段，因此，只需对DXF文件的ENTITIES段进行讨论在冲裁件图形编辑中，一般都用基本实体绘图命令LINE、CIRCLET和ARC灯会图，而且编辑命令如TRIM、BREAK.CHAMFER FILLET等在生成的DXF文件中也是以LINE、CIRCLET和ARC等实体表示的，这就为图形的编辑和提取实体数据提供了极大的方便3图形信息的提取数据提取的方法与过程根据DXF文件的组织结构，在编写提取图表信息程序时，可用一个字符变量C对DXF文件进行搜索,搜索到ENTITIES字符串后，再开始对实体绘图命令进行搜索,遇到绘图命令就转到相应的子程序进行处理提取的图形数据库按表2—8所示的结构存放，并经过有关程序转换成表2—9所示的结构表2—8提取的图形数据库结构N ETR表中N为实体所在层号，规定非轮廓线元素方在第0层，外轮廓线方在第1层，各内轮廓分别方在第

2、3……层上，尺寸标准方在第99层上LT为线形；Xs、Ys为起点坐标；Xe、Ye为终点坐标；R为圆弧半径表2—9冲裁件图形的数据库结构N|X|Y|Xc|YcN为线形，规定外轮廓按逆时针方向循进，内轮廓一瞬市镇方向计算，±1表示水平线，其中土代表与横轴正向相同±2表竖直线；土3表示斜线，其中+3表示线段起点的x坐标小于终点的x坐标土4表示逆顺时针圆弧；±5代表外、内轮廓元，88带轮廓分界，99为结束符X、Y为线弧段的起始点坐标兄、匕委圆心坐标

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2.3冲裁件工艺性判断冲裁件的工艺形是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，主要包括冲裁件结构尺寸的工艺形和冲裁件的精度与粗糙度两大方面，其中冲裁件结构工艺性的具体内容如下1冲裁件的形状尺寸尽可能设计成简单、对称，排样废料少；2冲裁间各直线或曲线连接处，应有适当的圆角过渡；3冲裁件凸出或凹入的部分不宜太小，避免悬臂与狭槽；4冲孔孔径不宜太小；5孔与孔之间、孔与边之间、边与变之间的距离不宜太小；6弯曲与拉深冲孔时，孔壁与直壁之间应保持一定距离工艺分析包括技术和经济两方面内容在技术方面，根据产品图样，主要分析盖冲裁件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合冲裁工艺的要求；在经济方面，主要根据冲裁件的生产批量，分析产品成本，阐述采用冲裁生产能够取得的经济效益冲裁件的工艺分析，主要讨论在不影响零件使用的前提下,能否以最简单最经济的方法加冲工出来，能够做到的，表示该艺性裁件的工艺性好，反之，工因素很差影响冲裁件工艺性能的考虑，多，从技术和经济方面和尺寸、冲主要包括冲裁件的形状标注、生产裁件精度、尺寸手工设计时，工艺批量等性判断数据进行判断在CAD系是人工逐个对照手册上的表格能够统中采用交互式设计方法自动识采用自动判别方法，也可题要找出判别对象元素；需孔间别的方罩心产3^三个问，主业”/卜斗-合给出事件编I严士必师对产钻加成即属于距、孔边距或槽宽等中的,小工k选定判别江番平商业||极限值进行比较为此，能够采用多种方法下面介绍一种方法的流程图见图2Tl2,图中表示了工艺性判别的主要步骤1选择判别对象元素是采用对整个图形进行搜索的方法对于直线，以某一端点为圆心，某一常数为半径，作一辅助圆，进而判断辅助圆和除线段本身以外的所有图形元素是否有交点或图形元素在辅助圆内，若有交点或在辅助圆内，则是判断对象元素对于圆元素则是将半径放大或缩小作辅助圆，求图形所有元素本身与邻元素除外是否和辅助圆有交点或在其内，这样即可找到判断对象元素但要注意到在有关系的元素间可能有多余元素存在，要将它除去2找到判断对象元素后，利用事先确定的一套几何关系进而确定判断对象的性质当零件图中直线与直线间关系是虚型，则判断其类型为窄槽；若是实型的开放型，则判断类型为槽间距或槽边距；若是实型的封闭型，则判别为细颈或悬臂利用同样原理可确定出圆一圆或圆一线的关系，即判断出孔间距、孔边距等3计算需要判别的量值，并与极限值进行比较用解析几何的方法求出点与线间，线与线间、线与圆弧间以及圆与圆间的最小距离，并与允许的极限值进行比较

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2.4毛坯排样优化设计在冲裁零件的成本中材料费用占60%以上在大量生产中,即使将材料利用率提高1%,其经济效益也相当可观因此，材料的经济利用是冲压生产中的一个重要问题毛坯排样的目的在于寻求材料利用率最高的毛坯排列方案人工排样一般难以获得最佳排样方案，这是因为工件的布置方案多种多样，要比较这些方案材料利用率的高低是手工计算所不能胜任的另外，工件形状千差万别，单凭经验和直觉作出正确判断往往是困难的计算机排样较之手工排样具有明显的优越性,可显著提高材料利用率使用情况表明，计算机优化毛坯排样可入相当资金对CAD实用系统进行开发如美国通用汽车公司为汽车外形设计开发了DAC-I系统DesignAugmentedbyComputer一1,用以分析和综合车身的三维曲线设计该系统是在大型计算机上运行的，成为该公司设计小车和卡车必不可少的工具；美国洛克希德航空公司开发飞机设计的CGADAM系统Computer GraphicsAugmented DesignandManufacturing,具有强度分析、绘图和数控编程等功能；贝乐实验室开发了Craphid,用于电路方案设计和印制板的电路元件布局布线设计这一时期的CAD系统的特点是规模庞大，价格昂贵，只有经济实力雄厚和技术力量较强的大型企业和研究单位才能研究和应用CAD技术在70年代，随着大规模集成电路IC问世，CAD系统采用以超小型机为基础的集中分时方式，CAD系统开始商品化，但价格依然很贵在此期间出现了廉价的固体电路随机存储器，产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔和图形输入板等多种形式的图形输入设备，使计算机图形学算法研究进入新阶段，并出现了一批专营CAD/CAM系统硬件和软件的公司如Computer Vistion、Intergraph、CalmaApplicm等这些CAD/CAM系统的特点是硬软件配套使材料利用宰提高3%-7%在冲裁模CAD中，凹模、卸料板和凸模固定板等零件的设计均需利用排样结果所提供的信息，因此在系统流程图中毛坯排样处于较前的位置图2T13为实际生产中常见的排样方式，其中a、b为单盔匿^排排样，c、d为双排排样，b、d为旋转180的排样a bcd图2—113常见的排样方案一般来说，排样可有图2-114中所式的两个参数和人决定参数小和人的变化范围为八G{0W@W Ji,-B6W人广W n@}示中的B0为的单值函数，它反映了图形在Oy轴方向\\齐全因此人们称它为“交钥匙”系统Turnkey System□这一时期内，CAD/CAM系统的应用主要集中在航空、电子和机械工业部门同时她们对三维几何造型技术也开始进行研究70年代末以后，32位工作站和微型计算机的出现对CAD/CAM技术的发展起了极大的推动作用32位工作站之间可相互联网，以达共享系统内的资源和发挥各台计算机的特点80年代中期，分布式联网的工作站已成为CAD的典型硬件环境，其性能价格比年复一年地迅速提高，光栅扫描显示器及其算法统治图形学硬、软件，CAD方法从绘图进入造型，实体模型系统成熟，计算机动画开始兴起，集成CAD系统开始商品化，CAD应用迅速发展，市场十分繁荣到了90年代，CAD的硬件支撑已从工作站扩展到个人计算机PC,彩色图形显示系统的图形加速卡已成为或正在成为工作站和PC的通用设备，各种新的计算机图形输入输出设备的不断涌现，如三维彩色数字化仪，使得CAD造型的数据库建立越来越容易CAD技术中的图形接口、图形功能日趋标准化，CAD技术逐渐多媒体化，使CAD技术进一步普及，质量更加提高另外，人工智能Artificial Intelligence,简称Al和专家系统技术在CAD中的应用大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CADAICAD,把工程数据库及其管理系统，知识库及专家系统，用户接口管理系统集于一体,形成一门新学科以CAD为基础，当前已产生了一系列相关概念，如计算机辅助制造CAM,计算机辅助工程CAE,柔性制造系统FMS,快速成形技术RP、计算机集成制造系统C1MS、并行工程CE、敏捷制造AM及虚拟制造等等中国在CAD技术方面的研究始于70年代中期当时主要是研究开发二维绘图软件，主要研究单位是学校、研究院所航空和造船业是CAD技术应用较早的部门80年代初，有些大型企业和设计院成套地引进CAD/CAM系统，在此基础上进行二次开发后实际应用，取得一定成果随着改革开放和发展商品经济的需要，在80年代中后期，中国的CAD/CAM技术有了较大的发展，当前该技术越来越受到人们的注意进入90年代后，各工业部门都提出了开发应用CAD技术的计划，以达到提高设计质量，取得经济效益的目的；高等院校和研究院所对CAD技术的理论和软件开发进行了大量的研究，并取得了明显成果如清华大学、浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、华中理工大学、中科院计算所等，国家科委、各工业部门都十分重视CAD技术的发展，并有计划、有步骤地在全国各地建立培训基地，以提高工程工作人员的素质随着中国自主版权CAD软件的发展，CAD技术将在企业达到普及，并在此基础上进一步发展先进制造技术

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1.2CAD系统的硬件CAD系统的硬件基本是由主机、常见外围设备和图形输入设备所组成1主机主机包括中央处理器CPU和内存储器，它是系统的中心，控制整个系统的工作、执行运算和逻辑分析2外存储器外存储器有软盘、硬盘、磁带及光盘等3图形输入设备包括鼠标器、数字化仪和光笔等43D物体输入设备计算机图形设备发展的重要方向是输入设备的功能从2D发展为3D,3D输入设备包括三大类

①3D物体直接转变为2D图像3D扫描仪能直接扫描物体,典型的产品如美国Kan Image公司生产的扫描仪，称为Kanscan另一种更为简单的设备是数字照相机，该相机拍摄的图像可存储在外接硬盘上，也可直接输入到PC机进行处理将3D物体转化为3D模型这类设备是经过手动的方法将3D物2体的表面结构线框输入到计算机，形成计算机的3D线框图模型，直接用于真实感表示3D数字化仪生成的文件可转化至DXF,IGES,Warefront OBT等标准或常见的格式，以便和3DStudio等3D造型软件接口将3D物体自动转化为3D模型3D自动化数字化仪可自动地将33D物体的表面形状以及色彩的信息输入到计算机中，它利用激光和视频技术，能以极高的分辨率快速扫描3D物体，而不直接接触物体，因而无损于实际物体经3D数字化仪扫描的物体，可将其数据传输到数控加工中心或快速成型设备上，从而可迅速地复制物体5图形显示设备图形终端是交互式CAD系统的重要设备之一在交互式CAD作业过程中图形处理一般由图形显示器、键盘和鼠标器配合使用图形显示器的核心部件是阴极射线管CRT、还有处理图像和指令的微处理机DPV及图形显示器本身所带的内存储器图形显示终端具有图形输入输出两个功能，它与一般的字符终端不完全相同，它需要随机地显示图形，而且要求实时快速地更换和修改图形6图形输出设备图形输出设备是以纸、胶片、塑料薄膜等物质为介质，输出人眼可视并能长期保存的图形的计算机外部设备图形输出设备也可分为矢量型和光栅扫描型两大类矢量型设备的作画机构随着图形的输出形状而移动并成像绘图机属于矢量型设备光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵扫描整张图面，并按输出内容对图面成像光栅扫描型图形输出设备包括点阵式打印机、热敏印刷机、静电印刷机、喷墨印刷机以及激光打印机等等

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1.3当前CAD系统中常见的软件1AutoCAD软件AutoCAD是主要用于二维设计和绘图的软件从

10.0C版增加了三维造型功能，并为用户提供良好的二次开发环境它是国内外应用较广的微机CAD软件，当前已推出2I一Deas软件I一DeasIntegrated EngineeringAnalysisSoftware是美国SDRC公司开发的SDRC公司于1970年推出的第一个产品是模态分析，当前它的软件产品仍侧重于工程分析和产品建模1993年3月发布的新版Master Series转向全面的CAD/CAE/CAM集成系统，主要包含9个模块

①二维图形设计和绘图模块

②三维几何造型模块

③有限元分析模块

④优化设计模块

⑤系统动力仿真模块

⑥桁架结构分析模块

⑦数据处理模块

⑧塑料模具设计分析模块

⑨数控加工模块该软件可在工作站或微机上运行3CADAM软件CADAMComputer-Graphics AugmentedDesignand Manufacturing是美国洛克希德飞机制造公司研究开发的大型CAD/CAM软件主要功能有

①交互设计控制模块

②三维几何造型模块

③三维管路设计模块

④有限元分析模块

⑤数控加工模块该软件可在工作站和微机上运行在工作站上运行的CADAM称为“大CADAM〃，在微机上运行的称为小CADAMo4UG-II软件UG—II UNIGRAPHIS—II软件是美国麦道航空公司研究开发的，于80年代推出商品化软件，其主要功能有:

①实体和曲面造型及绘图模块

②机构设计模块

③零件设计与装配模块

④注塑模流动分析模块

⑤有限元分析模块

⑥数控加工模块UG的长处是复杂型面的设计与加工5CATLA软件CATLAComputer-Graphics AidedThree-Dimensional InteractiveApplications是法国达索Dassault Systems公司研究开发的，其曲面造型功能更为突出主要功能有

①三维线框几何造型模块

②曲面设计与数控加工模块

③实体几何造型模块

④运动学模拟模块该软件为工作站版本6EUCLID软件该软件是法国Matra Datavision公司研究开发的，主要功能模块有

①几何造型模块

②自动绘图模块

③分析计算模块

④数据管理模块该软件为工作站版以上几种软件都是由国外开发的，近年来，国内自主版权的CAD软件开发的不少，但规模不算太大比较著名的有清华大学开发的CEMS软件，包括三维形体的定义输入模块、三维形体集合运行模块及变换输出等三个主要模块；华中理工大学软件公司开发的HustCAD,该软件是比较实用的CAD系统，面向于企业当前推广应用前景乐观

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3.2冲裁工艺CAD随着计算机技术的不断发展，CAD已逐步渗入材料加工的各个领域，并可有效的提高生产效率和产品质量，下面简要介绍冲裁工艺设计过程中CAD技术的应用

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2.1概述冲压加工是建立在金属塑性变形基础上，利用模具和冲压设备对金属板料进行加工，以获得所需要的形状和尺寸冲压模设计包括冲裁工艺分析计算、模具结构设计与模具图样绘制两大部分，其中冲压工艺设计是冲模设计中关键的一个环节，工艺设计结果直接影响模具的结构和生产的冲压产品质量冲压工艺设计包括工艺性判断、毛坯展开、毛坯排样、工序设计与工艺方案确定冲压工艺设计具有如下特点1冲压工艺设计是一项经验性很强的工作，设计中所用到的一些经验性知识是靠设计人员在生产实践中不断摸索获得的。