收稿日期：２０１０－０６－２１ 基金项目：山东省自然科学基金项目（Ｙ２００７Ｆ＇／５） 作者简介：王忠雷（１９７７一），男，山东烟台人，讲师，博士研究生，主要
研究方向：体积成形模具ＣＡＤ＼ＣＡＥ；电话：１３９５３１７１３６４； Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｄｅ ｔｈ山１ｄｅｒ＠１６３．ｃｏｍ
须以获得零件的三维几何模型为前提。这就为楔横 轧模具的设计提出了更高的要求。
个楔形成形结束时对应点的角度坐标．即本楔形的
起始角度坐标；而为前一个楔形成形结束时对应点
的Ｚ坐标，即本成形楔的起始Ｚ坐标。本楔形楔入
段对应的角度由式（２）确定：
Ｏｒ＝（Ｄ／２－Ｒ＋＃）ｃｏｔａ ｃｏｔ／ｉ／Ｒ６
（２）
展宽段对应的角度由式（３）确定：
Ｏｚ＝Ｌ ｃｏｔ／３／Ｒ６
（３）
精整段对应的角度由式（４）确定：
楔横轧模具的设计、制造是实现楔横轧工艺的 关键环节。随着楔横轧技术的发展，产品的品种规 格不断增多．而多数楔横轧模具的设计十分复杂。传 统的人工设计不但使模具的设计周期长。而且模具 的设计、计算及图纸的绘制任务十分繁重，不利于实 现模具的最优化设计口】。由于楔横轧模具的复杂性 和较高的精度要求，一般的加工方法很难满足要 求。目前多采用数控车床或数控加工中心进行数控 加工。ＣＡＭ系统的广泛应用，使得复杂零件的数控 编程已经变得相对容易，但是ＣＡＭ系统的应用必
金属铸锻焊技术ｌｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
２０１０年１１月
楔横轧模具三维计算机辅助设计系统
王忠雷，袁文生，程钢，宗士帅 （山东建筑大学机电工程学院，山东济南２５０１０１）
摘要：针对楔横轧模具设计、计算和制造复杂的难题，利用可视化编程工具Ｄｅｌｐｈｉ，开发了楔横轧模具辅助设计 系统。该系统主要功能包括：快速输入轧件图、自动计算热轧件图、优化工艺参数、设计楔横轧模具、绘制二维模具图纸
之，楔形向右加工时Ｋ＝Ｉ。
３模具设计结果输出
３．１基于ＳＴＬ的模具三维输出 为了更好的描述楔横轧模具的形状，便于后续
加工中与ＣＡＭ系统衔接。本系统采用ＳＴＬ文件格 式直接保存模具的三维模型。ＳＴＬ文件格式是一种
通用的三维ＣＡＤ文件格式。大多数的ＣＡＤ＼ＣＡＭ
系统均可接受该文件格式，尤其在快速成型和有限 元模拟领域应用较多。该文件格式在描述三维实体 时，将实体的表面划分成彼此相连的若干三角形，由 三角形面片围成三维实体。ＳＴＬ文件中每一个三角 形用三角形三个顶点的坐标和三角形面片的外法线 方向表示。因此要采用ＳＴＬ格式保存楔横轧模具， 必须将其分割成一系列的三角形面片。
毋＝１．２７ｒＲ／Ｒｂ
（４）
由此，可以计算所有的特征点的坐标如下所示：
Ｐ２（Ｄ／２－Ｒ，Ｏ，＋Ｏｘ，Ｚｉ）
Ｐ３（Ｄ／２－Ｒ，０１‘｝８寸８寸９Ｊ，ｚａ
Ｐ４（Ｒｂ，０１慨易懈·Ｌ）
以Ｄ／２—Ｒ，口ｌ＋９一如ｚ１＋Ｋ·￡） 以Ｄ／２一兄，ｐＩ＋臼计Ｏｚ＋Ｏｊ，Ｚ—。Ｋ·￡）
其中Ｋ为方向系数，楔形向左加工时Ｋ＝－Ｉ；反
个三角形面片，如图４（ｂ）中的面片１３所示；对于每 个阶段的过渡面片，如图４（ｂ）中的１，３，１０，１２面片 ．所示，这些不再是规则的四边形，有可能出项三角形 ’或者五边形，需要按照其形状特点进行分割。③单个 楔形的三角形划分完成以后，需要进行相邻楔形的 连接。如果相邻楔形在临边的分割点重合则两个楔 形自动连接；如果相邻楔形在临边的分割点不重合， 则需要在两个楔形之间添加连接三角形。保证各个 楔形构成一个封闭的模具实体【ｌＯｌ。
和输出模具三维模型等。工程应用实例证明，该系统实用性强，效果良好。
关键词：楔横轧；三维模型；二次开发
中图分类号：ＴＧ３３５．１９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１．３８１４（２０１０）２１－０１７６—０５
３Ｄ－ＣＡＤ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｒｏｓｓ Ｗｅｄｇｅ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｄｉｅ
Ｗ Ａ ＮＧ Ｚｈｏｎｇｌｅｉ，ＹＵＡＮ Ｗｅｎｓｈｅｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｇａｎｇ，ＺＯＮＧ Ｓｈｉｓｈｕａｉ （１ｒｕｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅ如ｃｔｒｉｃｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ２５０１０１，Ｃｈｉｎａ）
对于该成形过程模具的基圆半径由式（１）确定：
Ｒ６＝（Ｄ－Ｄｐ－２圆）／２
（１）
其中。６为原始棒料与模具基圆之间的单边间隙，一
般取ｌ。
《热加工工艺》２０１０年第３９卷第Biblioteka １期１７７万方数据
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２０１０年１１月
特征点Ｐ１的坐标为（凰，巩，五），其中玩为前一
由于楔横轧模具分布在圆柱形的轧辊上，采用 圆柱坐标描述特征点的坐标比较方便，即采用（尺， ｐ，Ｚ）表示特征点坐标。模具设计时设轧辊中心线为 Ｚ轴。第一个成形的轧件单元体的中间截面与Ｚ轴 的交点为０点；第一个楔形起楔的位置定义为０＝０。 假设某一楔横轧成形模具，其成形角为Ｏｔ，展宽角为 １３，轧辊中心距为Ｄ，原始棒料直径为见，以设计一 个半径为尺。长度为￡的圆柱形基本单元体对应的 楔形为例说明楔横轧模具参数化设计的过程。
近年来为了解决楔横轧模具设计困难、加工制 造效率低的问题，国内众多学者对楔横轧模具的计 算机辅助设计系统进行了研究∞。其中杜凤山等以 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ为软件平台，建立了楔横轧模具网络化 智能ＣＡＤ系统四；赵静等针对汽车半轴，采用 ＰＲＯ／Ｅ二次开发技术。设计了楔横轧多楔成形模具 辅助设计系统【司。这些楔横轧模具辅助设计系统，能 够进行楔横轧模具辅助设计。并输出三维模型，很好 地推动了楔横轧工艺的发展和推广。然而这些系统 一般都是基于某大型的三维ＣＡＤ软件．进行二次 开发，系统运行时需要特定的ＣＡＤ系统支持。这大 大增加了系统配置的困难，提高了系统的成本，降低 了系统的灵活性。为此本文采用Ｄｅｌｐｈｉ语言．基于 通用的ＳＴＬ文件格式，开发了不需要任何特定 ＣＡＤ系统支持的楔横轧模具三维辅助设计软件．大 大提高了软件的灵活性，降低了成本．解决了楔横轧 模具设计效率低、三维几何模型建立困难的问题。本
本系统采用的分割法方法分为三个步骤：①将 每个轧件基本单元体对应的楔形沿轧辊轴向分割成 条状，如图４（ａ）所示。②根据楔形不同阶段的形状特 点。将条状面片分割成三角形面片，如图４（ｂ）所示。 在楔人段楔形分为基圆面和成形面，两个四边形的 面片，将其分别分割为两个三角形面片，如图４（ｂ）中 的面片２所示：在展宽段楔形分为基圆面、成形面和 顶圆面三个四边形的面片，将其分别分割为两个三 角形面片，如图４Ｃｏ）中的面片４～８所示；在精整段 楔形只有顶圆面一个四边形的面片，将其分割为两
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｒｏｓｓ ｗｅｄｇｅ ｒｏｉｌｉｎｇ ｄｉｅ，３Ｄ·ＣＡＤ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｒｏｓｓ ｗｅｄｇｅ ｒｏｉｌｉｎｇ ｄｉｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｕｓｉｎｇ ｖｉｓｕａｌ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｏｏｌ Ｄｅｌｐｈｉ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｑｕｉｃｋｌｙ ｉｎｐｕｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｃｔｓ ｄｉａｇｒａｍ，ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｆｏｒｇｉｎｇ ｄｒａｗｉｎｇ，ｏｐｔ／ｍ／ｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅ塔， ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｗｅｄｇｅ ｒｏｉｌｉｎｇ ｄｉｅｓ，ｄｒａｗｉｎｇ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｒａｗｉｎｇｓ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ、Ⅳｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ．ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．
轧件输入模块可以实现轴段的添加、修改、删 除、打开、保存和零件图自动绘制等功能，提供全面、 方便的轴类零件编辑功能。另外，该模块还具有轧件 计算功能，能够计算轧件的体积．进而计算原始坯料 的尺寸；能够根据工艺数据库或用户输入的热膨胀 系数，计算模具设计需要的热轧件尺寸。图２为该模 块设计计算的轧件图和热轧件图。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｒｏｓｓ ｗｅｄｇｅ ｒｏｉｌｉｎｇ；３Ｄ ｍｏｄｅｌ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
楔横轧是一种先进的轴类零件成形技术．它由 两个带楔形模具的轧辊，以相同的方向旋转并带动 圆形轧件旋转，轧件在楔形孔型的作用下，轧制成各 种形状的台阶轴。与传统的切削、锻造零件成型工 艺比较．其生产效率高３＂－＇７倍，节约材料２０％ ４０％，生产成本平均降低３０％，是当今公认的先进制 造技术【”。
ｆ。 ７ ●２
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７
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９
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Ｉ
ｍ¨屹” （ａ）
＼＼—＼／＼～ ∥时／
●２ ３ ４
＼＼＼～／Ｖ＼＼
＼／ｖ＼Ｖ／√＼ ／，—Ｖ＼＼＼ｙ／＼＼
５ ６ ７ ８ ９
二～二二 ～＝＼≥ ｍ¨￡３¨
（ｂ）
图４楔形分割方法 Ｆｉｇ．４ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｗｅｄｇｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｄｉｅ
划分的三角形面片各个顶点的坐标为圆柱坐 标，在输出ＳＴＬ文件时，必须将其转化为直角坐标， 两个坐标系存在如下的转换关系：
ｘ＝Ｒ·ｃｏｓａ
ｙ＝Ｒ‘ｓｉｎａ ｚ＝Ｚ
图１轧件基本单元体
Ｆｉｇ．１ Ｂａｓｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ ｏｆ ｐａｒｔ
对于每一个基本单元体采用记录类型数据进行 描述。为了适应楔横轧模具由中间到两端的设计顺 序，整个轧件采用双向链表结构进行存储，以方便对 轧件中每一个标准单元体的访问。其存储结构如下 所述：Ｔｙｐｅ表示基本单元体的类型，Ｔｙｐｅ＝ｌ表示圆 柱单元体、Ｔｙｐｅ＝２表示圆锥单元体、Ｔｙｐｅ＝３表示圆 弧回转单元体。对于不同的基本单元体采用不同的 方式进行参数化的描述，对于圆柱体，只需记录其长 度Ｌｅｎ和半径ＲＢ；对于圆锥体记录其长度Ｌｅｎ和 两端半径ＲＢ，ＲＥ；对于圆弧回转体，除了记录其其 长度Ｌｅｎ和两端半径ＲＢ，ＲＥ外，还要标记其最大 半径ＢＭ和最大半径的位置Ｌｍ。