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。
4 p& {% G+ {1 B7 _- A& z! P　　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：
　　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 . l5 c* j. C& q9 b9 @' ?7 ?02 " ^7 j+ m" R9 ?03 04 - R  o- p" m( D( x05 % M* S; {4 b" \9 J06 1 f4 X$ x+ D. Y! ~# Z/ N07 ( {2 A% G+ n; A" l# P08 09 + `( j8 ^7 t) T- c1 l/ i/ |0 ^+ V4 c10 11 * Q; O2 C. m: ?! w12 ) J7 M4 d2 `: m. v, \6 E' L13	冲孔 单面冲孔   r, p% C, t9 W+ H0 E: |冲孔—冲头扩孔 0 w8 g7 u: m) s0 ^( n6 c6 S冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 冲孔—芯棒扩孔 1 }* g: T) w, Q3 O) w4 }冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 冲孔—冲头扩孔—冲头拔长—芯棒扩孔 冲孔—冲头拔长或深冲孔—冲头扩孔—冲头拔长 1 p. K; |( g3 a冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长 冲孔—芯棒拔长 冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 2 X* h4 X, ?5 o4 y$ m# p7 e/ D冲孔—芯棒拔长—缩孔 % n' W% |- f; d/ I) m0 s( N不锻出孔的区域

5 H0 Y& O8 z, J0 b& z( r　　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。 　　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 　　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。 1 H0 ]) r/ \: H8 b8 m& c　　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。 # g/ p1 i" V+ P3.1　直线的拟合方程 　　令D/d=x,H/d=y & i- [" A- q/ E- G　　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： ; z3 Z3 X" e: c% d& ^, u1 F$ m8 L 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： ' d. l+ v" v! [8 d y=ax+b 　　具体的拟合结果在表2中列出。 ' b. G  g$ }0 }3 O 表2　空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表

线名	实际 " R9 C& t' f! j线型	拟合 7 X1 }; c, j5 `6 V$ E' d线型	定义域	拟合方程
a - e& w. A' _8 C8 h# A* _b + v2 ?0 _3 k* N9 x; v& p* |- yc ( i, i9 z) w  ]) L8 @" ^% X' }d e f g h i   E5 w, [- Y" J3 U0 Q# i$ }j 4 A1 P9 {# K" h+ }5 w4 c8 e* ck l m n o 5 e) f3 J) O, Kp q ) Q; F4 R' w( C1 Pr s # h+ ~+ B4 P" H0 r! g9 Vt % z% t: {7 c& H& q7 n  du v + r3 l# e  X, j8 V: W7 k3 t. hw	直线 5 E4 ?2 ^# p4 ?  R# ?曲线 : y5 X' b5 J/ p% m* C+ T/ ]曲线 " S' j* k9 V4 i' B( S: t直线 直线 直线 直线 直线 直线 ( ~  k* k& [' E, F$ q, w直线 直线 曲线 & E/ Q5 c  M4 e3 e) X直线 : Q0 S# r! ^5 r5 p) s6 q, K7 k曲线 曲线 曲线 曲线 7 L3 @" u6 n" S; d7 a1 J曲线 : C0 I) U# a! @9 P曲线 + a& ~" ^6 O7 m+ a4 r曲线 曲线 6 W3 O6 [2 A8 w9 E6 t曲线 6 n1 h8 L4 h9 u+ G  x3 l0 ]曲线	直线 直线 6 D* [& c1 O5 B  n- X直线 直线 直线 $ b$ B: Y3 Y+ K3 A! @/ {; a直线 直线 " [4 a  n9 [) R& Z+ L直线 直线 直线 直线 直线 " ?2 ~2 F# [' I# C' Q7 B直线 直线 + s7 w" k; C/ ?' C, Y% p/ U直线 直线 ; q! d9 J+ h. L0 o直线 直线 直线 " Y5 i4 w, S! f( y- e4 }: m% G% Y直线 + I0 D; Z+ s  y) k/ H直线 直线 直线	x∈［1，8］ y∈［0,0.3125］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ x∈［2.5，3］ x∈［4，8］ x∈［3.2，4］ % r, F1 q/ {! j% {% g6 e! }x∈［1，8］ 0 e7 @! _1 u0 j) E5 }) D9 fx∈［1，5.333］   J2 m* a3 U6 @* v1 f1 ex∈［1.54，1.7］ " x0 n% L6 {6 f/ o% o, z0 M, ux∈［1，2.75］ ; T( D2 C( d# k0 P* m$ o1 J8 ix∈［2.5，2.84］ 9 h  k8 n( V3 k5 @x∈［2.84，3.15］ 2 `: [* a% |: W  v$ f! ~x∈［3.15，3.34］ . _" k' P& K1 L& Z! Zx∈［3.34，3.6］ . m/ a; ?7 o9 Zx∈［3.6，3.8］ x∈［3.8，4］ y∈［7，8］ x∈［2，2.14］ 4 B1 z1 p9 \. Qx∈［2.14，2.32］ x∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 y=0.3036x－0.3036 * b/ X6 S7 t/ `: F3 H$ [# Zy=0.743x－0.643 % T- [9 A5 `1 X1 m! qy=1.4571x－1.0571 x=1.7 8 v- I# x5 a( H( C( g* gy=5.375x－13.125 y=－0.35x＋4.6 y=3.2 y=x ( r( ]& f7 K* K% c+ U8 Ky=1.5x ( H9 f% n. f- g, }/ Ly=－3.8125x＋8.18125 . L5 [, x& _" c4 \  Uy=6.5 y=－5.882x+22.705 ' h% E0 N# T& By=－4.113x+17.681 y=－2.763x+13.429 y=－2.3077x+11.9077 , [7 |5 {1 h+ [$ J& Yy=－1.25x+8.1 $ N" S* C  |( J" Q3 ^; P/ M, B, K7 Py=－0.75x+6.2 x=2 y=－8.333x+23.667 y=－5.556x+17.689 ' Y" \& y" P' y' M% [! w5 uy=－3.407x+12.705

3.2　曲线的拟合方程 - c% `! X% W; v9 v　　先讨论五条曲线中的两条长曲线。 　　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： - k* y: \& Q/ Q( V( P  x, b　　令D/d=x,H/d=y 　　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：

5 O4 v7 v# @9 g% K) l
0 Q$ C# d* ]* m5 _( Z# q+ p　　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。
! k& q' q6 M$ a/ p　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
6 a& N; o% X3 s7 U. ^4 l! `　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
+ p  T4 {5 L) p  N* U　　曲线(2)：y=5.017x2-29.925x+46.804
) ?8 y3 s! O& m' N. E' a　　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，
! Q! f0 q, [: a# A" o5 f; V　　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;
　　当x=2.84～4时，y的误差为-0.1～-1.1。
1 w! Z* [6 i' c9 j& c! l+ [　　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。
& p; h+ d- @! {* ]) [　　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。
2 [$ ]$ R+ s3 }. 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。
　　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。
8 W0 |- G! W8 q1 q  \2 W  ]8 L4　锻造工序的计算判别方法及流程图设计
: q% w: g! G8 ~　　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)。
' Y$ a" |! [: d2 h$ S: A: V# N

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……