锤上空心类自由锻件锻造工序选择的计算判别方法及 流程图设计

青华香香

1　引言

　　我国在锤上自由锻计算机辅助工艺过程设计(锻造CAPP)系统开发方面已有十多年的历史，很多科研院所和生产企业都开发出了功能各异的CAPP系统。但到目前为止，这些系统基本上还是停留在半创成型阶段，如工艺过程的选择、工序尺寸的确定等，都有赖于操作者的经验来决定，离创成型还有一定的距离。原因在于锻件的形状千变万化，锻造工艺的确定是一个复杂的过程，要建立一套适用范围广泛、又具有很强的指导性的完善的工艺专家系统，存在一定的困难。但是，就某些特定的类型而言，尽可能地接近创成型CAPP的目标，还是可以做到的。如凸肩法兰类锻件、空心类锻件等。本文以空心类锻件为例，对建立它的锻造工序选择工艺专家系统进行介绍。

2　锻造工序的选择说明

　　在CAPP系统中，锻件图的生成、余量与偏差的选用、材料规格的确定、材料定额的计算等等，都比较容易实现，而对锻造工人的操作具有指导意义的工序选择、工序尺寸确定等工艺专家系统中最重要的部分，却是难度最大的。有文献［2］介绍过空心类锻件采用预估坯体积的办法来确定，应该肯定，这种方法是有效的，但具有局限性。一方面，预估就必须假定一些条件，这些假定条件与实际情况可能存在一定的误差；另一方面，该文也只给出了4类一般性的工序选择。
　　实际上，在这类锻件的工艺设计中，不需预估就可以确定它的工序选择。方法如下：
* e2 u  H8 ]9 V. }, A; I( L5 [　　在计算机屏幕上，显示图1所示图形，图中的直线和曲线分割构成13个小的区域，每一个区域都代表了一种确定不同的锻造工序的方法。不妨给每一个区域进行编号，为01～13号，各区域所代表的锻造工序方案见表1(注：在这种方法中，图1中的a、b、c...、u、v、w、(1)、(2)等符号是不存在的，符号的意义见下文)。

图1　锤上空心类自由锻件锻造工序方案选择

表1　锤上空心类锻件锻造工序方案的选择

区　域	锻造工序方案
01 6 P  L3 b! r- ^- H4 q) o3 ~02 03 04 ! S7 F5 l: ?% e) p05 06 ) P6 y+ F4 k& P6 k- V, [7 l07 : |2 S) X- N; z+ C$ D' y0 F08 09 10 4 @- ^( J. j) z) H0 B/ s11 12 13	冲孔 + j' h0 |  s! u, ~; x$ z单面冲孔 / o; q/ U. I' v1 |冲孔—冲头扩孔 8 o; r0 _) W7 n# o& \: I  b冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 冲孔—芯棒扩孔 冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 冲孔—冲头扩孔—冲头拔长—芯棒扩孔 . _! A' x; Z, X7 Q, H- n( u9 G冲孔—冲头拔长或深冲孔—冲头扩孔—冲头拔长 / w4 i. ]1 i5 O  t冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长 + ~' T- H5 Z4 D0 B冲孔—芯棒拔长 冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 ! k" a, {8 |7 p冲孔—芯棒拔长—缩孔 不锻出孔的区域

当锻件尺寸得出时，D/d和H/d的数值就确定了，此时可以在图1中显示出它的坐标位置，锻造工艺人员由此可以选定锻件的锻造工序，这种方法的好处是直观明了，只需少量的人机交互操作即可完成锻造工序的选择。 , T$ g/ c6 |+ I　　为了使CAPP向创成化方向发展，还可以建立一种更快捷的通过计算判别的方法，实现这种方法的前提条件是必须将图1解析化，以便于编出程序，使计算机自动完成计算判别并输出结果。 3　锻造工序的计算判别解析化 , V/ I6 B9 Z: i# D! N　　锻造工序选择是锻造工艺过程设计中的一个很重要的方面，为了在计算机上自动完成计算判别，对图1的解析化工作就是要拟合出图中的每条直线和曲线的数学方程，而后作出流程图。 　　在图1中，每一条直线的教学方程都可以比较容易地拟合得出，而几条曲线的数学方程，则应以保证曲线的计算精度为原则，通过一定的数学方法进行推导，然后加以验证、比较，再决定采用何种方式来拟合。 3.1　直线的拟合方程 　　令D/d=x,H/d=y 6 J' u, Y. F, g) x, q2 Q: @+ U　　对于每一条直线，都可以选定直线上的两点，取它们的坐标值(x1，y1)、(x2,y2)，则直线的拟合方程为： " C" H& T! q. K: H5 I, { y=y1+［(y2-y1)/(x2-x1)］(x-x1) 　　直线经拟合后，上式就是一次函数直线的一般方程： 4 j+ g& t0 ?8 \3 v& t5 ] y=ax+b 　　具体的拟合结果在表2中列出。 & y3 q( A3 t! K0 ]8 _# Q 表2　空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表

线名	实际 线型	拟合 # {$ \6 j+ K  I* |3 r+ Z线型	定义域	拟合方程
a b c ( l* ]# v# Q# a; k8 p0 fd # |2 @8 T+ W% s1 p6 a: le - u/ S2 I! O& h# pf g h i - j# s8 a& U9 Tj 9 g% c9 K" |4 q$ J0 l; q9 Fk : h9 l( D! t; x% xl m $ g: B+ n3 f( yn o 2 a1 C* @2 ^! `' f/ [- Pp q 6 c* S5 o( K0 T1 wr s t u v , q3 F7 q8 _, v+ uw	直线 曲线 ; w# Z3 W' e/ Q2 H- s  v/ Q曲线 8 d$ h! b1 R/ G6 |直线 直线 直线 直线 6 j; }/ B( Q, q  }" h: w% U2 G! {直线 直线 直线 4 s1 O' L2 P. U6 b& \8 U  N6 t直线 曲线 9 L' n$ z. Z, O4 F% D# \7 V# K1 u4 f直线 : A5 M0 G0 s# f; S7 y1 |曲线 % g" v& b7 P& y9 P曲线 2 q2 K, w7 x) R2 c" k1 Z6 Q曲线 7 U1 ^4 K# H& X, u  {曲线 曲线 曲线 1 n, D9 S0 F: p曲线 7 G7 h5 d5 j8 P7 R; Q曲线 # E* h/ u7 d; F: w+ P! Z9 ~曲线 曲线	直线 直线 3 ^0 L7 k0 a0 B- O5 _* u直线 直线 , E# ]: h# s+ M* f0 ?直线 直线 ( d3 l; M4 F& d  |; r. C7 X1 j直线 7 c9 X+ H6 w. r& ]直线 直线 " B  n3 s: }3 @3 p: A; N8 ~直线 ; B$ O% }  H$ {) ~5 ^" f5 ]直线 , Q; t0 a7 N$ Q' `3 b6 @直线 8 x: ~1 C. {: B8 J& |直线 直线 直线 直线 ' S! z, X; G5 U& B直线 直线 直线 0 r4 n; `$ P7 l( K7 O直线 直线 - M% L/ x4 {. e$ o/ P直线 % i% \  e; D1 p- _/ I. j8 Y9 r直线	x∈［1，8］ 7 b, z2 s, V3 ^# ~/ Y/ Ly∈［0,0.3125］ - X& c1 U/ p! a5 q8 lx∈［1，1.7］ / O% g* N, y) w9 A) n0 ?x∈［1，1.7］ 5 e7 {2 Y: ^4 e! D7 U& p7 p( ox∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ . F: P% O" W# k1 q7 t4 |, d/ |( ]1 yx∈［2.5，3］ 4 z/ ^9 u! D* n9 B/ A+ \1 c1 Lx∈［4，8］ 0 K' M. L6 Y, n9 m* @, m) Ex∈［3.2，4］ x∈［1，8］ x∈［1，5.333］ x∈［1.54，1.7］ ' Q, s+ F1 v9 G  x7 r' ~x∈［1，2.75］   l* `5 Q. y0 z" ]x∈［2.5，2.84］ 5 N5 a$ y9 {! {( x, gx∈［2.84，3.15］ - ?! T4 O3 u" E# Hx∈［3.15，3.34］ - K7 g3 t; |4 E: tx∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ x∈［3.8，4］ y∈［7，8］ x∈［2，2.14］ x∈［2.14，2.32］ x∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 y=0.3036x－0.3036 + F( D6 I% l. V, i% sy=0.743x－0.643 y=1.4571x－1.0571 / i& Z7 U; O; z  Xx=1.7 y=5.375x－13.125 y=－0.35x＋4.6 y=3.2 y=x 2 [! V) g9 M$ q' qy=1.5x y=－3.8125x＋8.18125 y=6.5 0 k4 v' Y( O7 d) q5 s5 h1 by=－5.882x+22.705 y=－4.113x+17.681 ! Z% j$ M9 L6 S0 Ry=－2.763x+13.429 ; F8 R& X7 p. X) k2 Oy=－2.3077x+11.9077 y=－1.25x+8.1 y=－0.75x+6.2 , N$ _8 }# z% o3 l) ux=2 ( L* O+ S! ]5 v) o/ py=－8.333x+23.667 y=－5.556x+17.689 * F" Z- B" Y  ay=－3.407x+12.705

3.2　曲线的拟合方程 　　先讨论五条曲线中的两条长曲线。 4 a7 ~4 q1 Y3 I; S# j, m2 C　　曲线(1)、(2)与二次函数中的抛物线类似，可以用二次函数进行拟合。数学方程可按如下方法推导得出： 　　令D/d=x,H/d=y 4 d6 }' a) d" B9 A5 s  y  R　　选定曲线上的三点，取它们的坐标值(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)，则曲线的二次函数表达式为：

　　曲线经拟合后，上式就是二次函数抛物线的一般方程：

y=ax2+bx+c

　　按照这种方法拟合的二次函数表达式随三点取值的不同而略有不同，即a、b、c的数值不同，但y的计算结果相差不大。
　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
5 D4 c( e/ W: X8 e　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
$ f- D0 J8 `& ~0 i+ A1 H, q, x- X　　曲线(2)：y=5.017x2-29.925x+46.804
　　对照图1上的坐标点，验证其精确度，以曲线(1)为例，x的取值范围为2.5～4，
　　当x=2.5～2.6时，y的误差为0～+0.2;
　　当x=2.6～2.84时，y的误差为0～-0.1;
; e: {% R9 s* \　　当x=2.84～4时，y的误差为-0.1～-1.1。
, Y5 j  P4 _# F# ?& `# p7 v　　由此看出，只有当x的值在2.6附近时，y的计算值才能满足精确度要求。其他取值范围都不太理想，尤其当x=2.84～4时，y的计算值误差过大，拟合的二次函数表达式根本不能使用。验证曲线(2)的精确度，结果与曲线(1)基本类似。
　　这样就应该找到一种能确保精确度的方法，重新进行拟合。不妨设想，如果把两条曲线都分成若干段，使每一段都与直线逼近，把它们拟合成直线方程，再检验其精确度。只要分成的段数足够多，就可以使每一段基本上与直线重合，这样精确度就能得到满足。
+ \* I3 }( C; v4 t0 i　　按照这种思路，将曲线(1)分成n、o、p、q、r、s共6段，将曲线(2)分成t、u、v、w共4段，再分别建立直线方程，见表2。检验其精确度，误差均小于0.1，可见这些直线方程已经能够满足使用要求。需要说明的是，将曲线分成多少段，分法并不是唯一的，只要能够确保精确度就行。
% ^2 E0 s7 w2 Z　　五条曲线中，曲线b、c、l的长度较短，按照上述方法，允许用一次函数直线代替。拟合结果在表2中列出。
* l& r$ Y, v  Q" L/ r4　锻造工序的计算判别方法及流程图设计
$ B" b. `: ?8 p' R# N) J2 d　　在拟合出所有直线和曲线的数学方程后，即可建立起锻造工序选择的计算判别方法，并且根据这个方法绘制出流程图，供程序设计用。图2中列出了01～08区和部分13区的判别流程图。限于篇幅，09～12区和部分13区的判别流程图未详细介绍，但根据图1和表2就不难绘出这些区域的判别流程图(图2)。
6 n; H: q4 I3 Z/ Q7 p6 m

图2　锤上空心类锻件锻造工序选择计算判别流程图

　　绘出了锻造工序计算判别的流程图，就可以用计算机高级语言(如C语言)编出程序，自动完成锻造工序的判别并输出结果。
　　另外，锻造工序确定以后，各个工序的工序尺寸确定也至关重要。只有确定了工序尺寸，锻造工人才能按图进行操作。只要将与之相关的工艺知识综合运用起来，就可以建立这方面的工艺专家系统。关于如何建立该系统，此文不再介绍。

yiming3647

我们国家的锻造工艺还普遍非常落后，数控自动化水平不高，锻打出来的毛坏精度都很难达到，切边大导致外观也不好看,能源消耗也非常大……