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摘要 结合机械液压拉深金属成形的新工艺，研究了设计液压辅助金属成形系统的编码技术和工程数据库技术，同时叙述了这一系统的软件结构和设计技巧，提供了一个对液压辅助金属成形加工进行探索和研究的实例。
关键词 机械液压拉深 编码技术 工程数据库
1 机械液压拉深的机理与软件设计
1.1 机械液压拉探的原理与压力曲线
对深杯形件，冲压加工通常采用多次拉深工艺，不但加工周期长，而且表面粗糙，壁厚不均。为了提高金属冲压件的质量，我们采用如图1所示的机械液压拉深方法，在冲头下行的过程中，通过调节液压腔和压板的压力加工出合格的零件。这种加工方法的实质是增大凸模与坯料的有利摩擦，抑制危险断面的局部变薄；消除坯料与凹模表面的有害摩擦；通过控制压边力及液压压力变化等，在保证不起皱的前提下使筒壁拉应力最小化，从而明显减少了拉深次数，并由此减少了模具和加工成本，提高了生产效率。由于工件的外表面总是处在液压腔中，因此工件无需其它表面处理工序即可获得良好的表面质量。同时，工件的形状由冲头的形状决定，简化了凹模制造工艺。
在工件的加工过程中，液压腔内液压力的控制是生产合格产品至关重要的一环。液压腔的压力如果控制在图2所示的工作区域内就可加工出合格的产品。压力过大，工件就会产生裂纹，压力过小，工件就会产生皱折。因此我们需设计一机械液压拉深辅助成形软件系统来优化加工过程。 （图片） （图片）
图1 机械液压拉深示意图 图2 冲头和压力曲线关系图 1.2 机械液压拉深辅助成形系统的软件包功能
本软件系统研究和提供一种方法，它可获得、积累、分析和优化每一特定被加工工件的工艺参数和压力曲线。这个软件系统作为一种工具将这种方法集成为一个软件包。用户可输入一些基本几何原型和一些复杂的几何形体组成一个组合体，并输入其技术参数和压力曲线，软件包将储存和管理这些工程数据。当用户需要加工一个工件时，他可输入新工件的几何和加工信息，通过编码技术，软件包将在数据库中检索到一些最为类似的工件的加工参数和压力曲线，将这些类似工件的加工参数和压力曲线作为参考模型，用户能调节和计算出一个更适合于新工件加工的工艺参数和压力曲线。通过实验方法，我们可测试这些加工参数的可行性。如果它们仍不适应新工件的加工，我们将继续计算、模拟和调整新的加工条件和压力曲线。如果它们适应于新工件的加工，我们将新工件的加工编码、加工参数、压力曲线储存到这个工程数据库中。新工件的这些加工信息将成为这个数据库的一部分。当更多的有限元模拟的工件加工和成功产品的加工信息储存在这个工程数据库中，则日益积累的数据资源将成为这个系统的集成方法的基础。
1.3 系统的软件和硬件环境
机械液压拉深辅助成形系统的硬件环境为一个PC586(233MH)的微机，它带有一个4.2G的硬盘和一个CD驱动器。我们采用Windows95作为操作平台，开发软件用Borland C++5.02和它的数据引擎，数据库为Paradox，画图软件为AutoCAD V.14。
Windows95具有良好的网络功能，连在同一网络上的微机可共享其硬件和软件资源。我们可方便地把用于数据处理的微机和用于DNC加工的微机连接起来。
Borland C++5.02是一个非常高效的软件开发工具，它提供Windows对象库(OWL)以用于Windows界面的设计。它还提供其数据引擎和数据库管理控件以方便地与工程数据库相连接。它同时具有非常丰富的多媒体和通信函数。它为深拉液压辅助金属成形系统的开发提供了一个强有力的开发工具。
2 软件框架与设计方法
2.1 软件框架
本系统的软件框架如图3所示。加工工艺的工程数据库主要由三种方式产生：a.由有限元软件包ABAQUS等仿真加工而得到工艺参数和压力曲线；b.由板材加工厂家输入已合格产品的几何形状、工艺参数和压力曲线；c.由新零件寻找出类似工件的工艺参数并加以修正，通过实际加工验证得到加工信息。软件提供良好的用户界面和工程数据库处理能力。它将工程数据处理和工程图形的显示良好地溶合为一体。图4是液压辅助金属成形系统的主界面之一。（图片）
图3 液压辅助金属成形系统的软件框架 （图片）
图4 机械液压拉深金属成形系统主界面 2.2 工件的加工编码
工件的加工编码将被用于工件加工信息的储存、寻找、分析和归类。当我们从屏幕上选择相应的表达几何和工艺参数输入的图标菜单时，软件系统将自动构造工件的加工编码。我们定义工件的加工编码为：
材料编码│厚度编码│几何结构编码│加工条件编码│…i编码
我们用数字定义工件加工编码的每一场域。如果两个工件在同一场域有相同的数字，这意味着它们在这一场域有相同的几何或技术参数。两个工件在同一场域的数字相差越小，则它们在这一场域有更多的几何或工艺类似性。当我们要制造一个新的工件时，通过交互方式输入工件的几何和技术参数，系统可自动产生工件的加工编码，通过下述公式，我们可查询出最为类似工件的技术参数和压力曲线：（图片） Bi是i场域在整个编码中的平衡因子，它取决于这个场域在整个工件加工编码序列中的影响程度。Ci是新工件在i场域的编码，OCi是老工件在i场域的编码。如果软件系统工程数据库有1000个老工件的经验数据，系统将在每一场域比较新工件和老工件1000次，并得出DltCode。DltCode越小，新老两个工件的几何和技术参数越类似。当我们查寻出较为类似的一些工件后，系统将给出类似工件的加工编码和技术参数。当然新工件和老工件在几何和技术参数上有一些差异，我们将调整这些参数以适应新工件的加工。系统将产生的新的技术参数和压力曲线作为加工过程的技术参考。通过其机械控制和DNC加工系统，我们将实验新工件的技术参数和压力曲线。如果这些参数仍然不适应新工件的加工，我们将根据工件的打皱、裂缝和表面质量现象继续调节这些参数以获得最佳的加工技术参数和压力曲线。如果这个制造系统是一个DNC闭环控制CAM系统，这个调整过程是非常快的。当获得高质量工件的技术参数和压力曲线后，这些工艺参数和加工编码将储存到数据库中。这些制造工艺信息是可重复使用的历史和关系数据库，适应于新工件的工艺参数将被CAM系统或机械液压控制系统所使用。
2.3 软件包的主要功能和实现技术
软件包提供的一些主要对话框介绍。
a.模型构造对话框。它是提供给用户构造几何模型的工具，用户输入各种几何模型的参数，然后输入模型的文件名，系统将通过*.SCR接口文件将它们转换成AutoCAD的几何模型，用户还可将它们装配成一个组合体。AutoCAD的图形有*.DWG、*.WMF、*.BMP和*.DXF这些文件格式。通过OLE自动化技术，这些几何图形将自动显示在主窗口中。
b.曲线绘制和曲线类型选择对话框。通过鼠标或键盘输入各种压力曲线的型值点，也可由工程数据库读入压力曲线的型值点。曲线采用三次参数样条拟合而成。各条压力曲线的区域阴影由程序自动绘出。压力曲线包括液压腔压力曲线、压板压力曲线等。
c.演变曲线对话框。当我们寻找出最为类似工件的加工编码和其它加工参数后，我们将它们作为一个参考，通过调整类似工件的各个参数以适应新工件的加工，通过经验公式和实验，我们将得到新工件的压力曲线和工艺参数。某一类型的新的压力曲线由原压力曲线演变而来，有时只要调整一个参数，有时需要调整几个参数。演变曲线对话框是提供给我们进行工艺参数修改和调整压力曲线的工具。
d.压力曲线输出对话框。为了加工的需要，我们将显示和打印压力曲线坐标，用户还可在对话框中编辑和储存这些坐标。输出的压力曲线坐标主要用于非DNC加工系统。
2.4 软件系统采用多文档文件管理
为了数据处理和图形绘制的一体化，软件系统采用多文档的Windows界面。其中*.PTS用来储存压力曲线和OLE对象，OLE对象包括AutoCAD图形、位图和Windows的图元文件。*.XY用来以文本格式储存每条曲线的坐标。*.DB用来储存工件的加工编码和技术参数。所有这些数据都可在该软件系统提供的窗口中加以编辑。
3 结 论
我们已成功地开发出机械液压拉深辅助成形系统的软件包，该软件包集数据管理、图形绘制、加工编码处理为一体。我们将继续在下列两个方面展开进一步的研究和开发。
a.设计实时DNC控制系统。尽管我们可以输入、输出和寻找出合理的经验曲线和加工参数，但液压辅助金属加工过程是非常复杂的，它受许多加工因素的影响。为了生产出高质量的产品，我们将开发液压辅助金属成形的实时控制系统。结合工程数据库查寻，通过调控工艺参数和设计自适应的闭环系统，可快速和稳定地寻找、修改和控制各种加工参数和压力曲线。
b.开发表面质量和尺寸误差分析的程序。通过三维测量仪器可测量出工件的尺寸，并通过网络系统将这些数据输入到这个软件系统中，通过设计接口文件和OLE自动化技术，在AutoCAD中显示被加工工件的图像，工件的理论和实际被加工几何形状还可在3DS中显示出来。我们可在可视虚拟空间中画出其误差曲线和曲面。误差分析程序将为生产高质量的产品提供可靠的保证。
7/6/2004
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