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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

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发表于 2009-11-11 09:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。1 q/ H! i0 F7 b; Z6 X
  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:- D" N- P! W3 R; k8 o" \
  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)。
001.gif
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
4 T3 ], e$ @5 H" o5 A5 y+ p02
4 B1 l1 \* k# b03
+ ]" N9 c6 G# h04
4 C9 ~+ Q. p+ }2 L# {4 v- [* C05, h( K8 h/ c9 A6 d4 q
06. E% h! e  i5 d8 c% C1 I# T/ s, t
07% C9 n; i! T$ p; i
08* L9 N- M5 P6 u, o! D* t
09+ [4 ^: x/ V8 i
10
9 o; u0 J3 d! Y! F11
! l& v1 i1 T2 L6 V7 \, O123 V4 N' _( }, u9 T8 K$ B4 V+ r. U
13
冲孔" K* N1 R/ V3 U8 M+ I; j
单面冲孔$ R" Y" H# M: C' U& e) i/ }3 v, s
冲孔—冲头扩孔
. P- F. V. Q# R7 q! u: O9 q5 Z冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻' E  v' ~; t1 W
冲孔—芯棒扩孔
( R6 V/ I& i* w9 ]1 J4 T3 g冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔5 n5 ~. q( Y3 k) j+ f
冲孔—冲头扩孔—冲头拔长—芯棒扩孔
* H3 I  {4 S# h' R2 Q/ Q冲孔—冲头拔长或深冲孔—冲头扩孔—冲头拔长6 L" N- @8 F5 \  D) {' b3 N
冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长
0 ^5 {' y+ R: z6 l" s冲孔—芯棒拔长* g' }$ B& U& p. c
冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔3 z9 h5 J4 D# x- ?' _; l
冲孔—芯棒拔长—缩孔6 h" a7 p( _  H0 K& A1 Y2 p
不锻出孔的区域
, M" V8 p5 O0 F+ D  y+ ^3 B
  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。& V6 j4 i7 G- t
  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/ Y4 r5 r& w. G( l
  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。
8 H* T& U7 G5 N+ [  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。
( Z: q0 P# M1 |% p8 ^  Z3.1 直线的拟合方程
7 M" l1 J8 f) M- n4 F: @  令D/d=x,H/d=y% k% G3 X; {, d
  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:
; U. j$ F3 d+ d( a
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:
5 n: d& t; y# I5 S; x. b% _
y=ax+b
  具体的拟合结果在表2中列出。
) P. q' z: O- k6 y$ f8 e
表2 空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表
: o! S( X# ?4 k  R' z. X- z. B. _
线名实际: y, h$ ]9 L! [5 W$ M# M# g
线型
拟合1 B  N) l) R- |1 K
线型
   定义域   拟合方程
a1 m# S7 V- m- n3 P
b
! _% V9 L. X, g# Ac
9 b) s" g" [% `' bd: B$ U9 O' i* t
e
5 D" o6 E( R0 C0 B: tf2 F) Q4 y4 ~5 K9 @& x
g, `0 I  S) t$ s( w. ]! F# D0 v
h
: ^) i% h( K  ui
2 t' |  F  W+ Hj7 A/ p1 U% t4 K3 r7 ^$ l0 U9 j
k3 k( b9 Y: J- U. J- {) E
l
5 R5 y* f8 V. {' [9 sm
9 {8 ^  z% U# `# N5 M# O. on
# W5 Y0 `8 c: k. Qo3 S1 `1 l8 ^0 @" n# d  j
p
: Z- \' V# U$ N; T& [1 {4 L9 aq7 N' ^1 h; A9 H) s9 p. a
r
' _& I. P. z% os! D: `% M: @7 |" g4 U" \) C$ s
t
' z/ o$ b0 }& ^u+ f. G8 @. t6 r
v+ K+ I6 c& ?" P2 U# {/ c! u
w
直线) D; h6 m6 m+ J- T" S
曲线
* w$ l3 t; w2 @& n曲线$ A; X" c7 t9 L: G2 l
直线
" O+ R0 g2 ^, R! s: A直线2 D+ n$ U+ k1 T/ G
直线
: Y$ W9 K  ^. ?% Y3 k直线
8 z! q& p7 c6 a( {6 u直线
4 _& z6 N% J( k, a3 S7 P# z直线
; S9 d# R& J/ r' ]( u( q0 J  }直线8 ~& B4 l' H6 w$ E( ?
直线
2 z5 S  Y8 J2 ^曲线9 ]% c/ M5 e: L8 V
直线" J: l& ^3 N; P* l% h
曲线
: O& g' m# O. e( `; `曲线
3 P( d5 j0 t1 G3 \曲线! f* i9 g: P1 w. I- q7 n" ]
曲线8 A" }) g3 F+ F3 M. V( M
曲线
" z0 J- m" `5 B/ o: e% ]曲线% o2 m7 E: o8 z0 p/ g1 I
曲线* U7 C+ W5 V* K3 U7 S7 H* ~: k+ ~7 U
曲线7 e5 z% }. S) B3 c2 b: w$ N
曲线
; u0 e( D4 J. j; S曲线
直线) y- {6 |3 d$ Z: Z( w! T/ ~
直线% |5 C8 x: r9 O1 n" i$ a
直线
5 g, a3 B3 R8 F8 j! W  G1 R3 L( ~直线" s* i+ M4 D# C2 `5 V6 E
直线9 z/ T) @. _! j/ Y  T( v
直线
/ @% i) V9 N! x# F3 ~2 Z直线4 X- A9 l* ^: m
直线
; R1 W5 C5 l9 f8 U1 G" J直线6 E& j/ i( Q$ J: u1 d
直线9 @8 C5 w. R! J% g6 {% }
直线. B% B, }: D% M' N! t8 \1 Q
直线
5 G$ a1 t: B( x% U3 D9 e直线: m& H% L) ^: x- f1 L
直线) p# k' Z, ?6 w# m% j  @
直线: y! M* `: u" _# v
直线9 U5 s4 p9 E3 F( j! M
直线
9 @% m& t4 t; Y/ `% ^, S直线* X8 q$ W1 h! J. Z5 Q9 A
直线
# f& |4 ~' B/ @4 U直线& g! \+ j3 p3 G: k9 Y- }6 }, q5 K
直线
* n+ i! }9 y) [/ n8 P. O7 Q- K- Q直线" w* g2 h2 A9 d$ @; U
直线
x∈[1,8]
6 ~, \- I7 u) M$ ^" F$ uy∈[0,0.3125]
0 C( |/ N, f& q& o3 Q9 _( gx∈[1,1.7]3 h9 a% Q7 f+ q; @0 V
x∈[1,1.7]0 Y+ B6 J! W  p- x5 Z% i
x∈[1,1.7]
; A# y+ x4 {0 ~& y. ^y∈[0.2125,1.7], ?9 \; t: u# q8 Z7 L& W+ s) S0 n
x∈[2.5,3]+ u( L( [1 \9 v- G- f
x∈[4,8]
, f1 E6 U# N  o) mx∈[3.2,4]
6 w- l# p6 O/ X# Q# N2 ix∈[1,8]8 b5 G4 U+ z, O* [- w3 K) q
x∈[1,5.333]
* F# I7 x' Z& C" ]x∈[1.54,1.7]
! C- n+ Y1 ?; j4 ?. p. c( e/ qx∈[1,2.75]" i) s& ~. p8 I: ^3 A
x∈[2.5,2.84]
3 H1 i2 F0 s# N7 W9 y7 hx∈[2.84,3.15]3 a) l  x& F* X- n
x∈[3.15,3.34]
0 Q$ l' S8 Q5 y+ I+ M  ?/ f) yx∈[3.34,3.6]" o! G. g5 ^4 J, P7 P5 w% T" x
x∈[3.6,3.8]
9 v& j( h% ?" {; s: [x∈[3.8,4]
0 Y: f: w& n* o8 s& f3 Oy∈[7,8]6 _! p) G( b) O, Y
x∈[2,2.14]
5 A, T% T( d2 ?2 c$ r1 R% Yx∈[2.14,2.32]: v4 C, l  A- g' {
x∈[2.32,2.59]
y=0.125x. T+ y9 Q& J. X; [
x=2.5! V: d4 c+ _% Z% ~
y=0.3036x-0.3036
5 O# v0 h* i& l8 B5 v7 Y( G, Ny=0.743x-0.643
" P5 O) f4 B; F! ^" cy=1.4571x-1.0571
- [* w% |; b$ T. `8 _4 {x=1.7
! r8 ~: r# r5 N5 ]y=5.375x-13.125
# ~0 ?) i" N$ \1 q5 {+ Hy=-0.35x+4.6
( C% B& B/ `/ g# t: Z* Ey=3.2
2 M; c; n6 _& E, W  By=x6 Q! ^) A* F" C4 B; Y  m# Y
y=1.5x
: ~: A5 I! o6 w4 j- _  N' ly=-3.8125x+8.18125$ o$ i% U+ l/ B/ l9 q: v
y=6.5
. O6 R* j/ c7 g' J+ G6 ?* @y=-5.882x+22.705' t# |  ~6 U  c% v7 F0 M
y=-4.113x+17.681( j/ Z" C8 D4 E
y=-2.763x+13.4294 s; D; T9 R/ `# P" @5 g8 }
y=-2.3077x+11.90771 k  ?8 |0 L! m/ L4 a( u5 h8 T' v) l6 S
y=-1.25x+8.17 s# x+ P  B0 J( Q) S% M; ]
y=-0.75x+6.2. l7 a- N8 ~% Q, `$ u; v
x=29 z7 B6 F4 w  Q( L
y=-8.333x+23.6672 ~2 C* m, i  h+ n3 r* Y7 e
y=-5.556x+17.689
/ a1 s' O9 m" C. oy=-3.407x+12.705

3 g( M% q7 P: A8 S. I, u3.2 曲线的拟合方程
1 G; [+ S, p2 P. G# N/ X% n  先讨论五条曲线中的两条长曲线。
1 |9 S/ W2 W. U% ^- U, @  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:
8 `& ]1 M1 K7 t% I  令D/d=x,H/d=y/ ]% s( r/ |6 u
  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:
+ i4 z5 s. L5 x, n3 E0 N

& ^1 i6 H* t$ F! d  曲线经拟合后,上式就是二次函数抛物线的一般方程:
* o6 g( S- b! J8 p6 Y6 [/ X; V
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。$ C5 r# F: ]9 X3 P( O  I
  在拟合结果中,两条曲线有如下的表达式;5 s. d, X7 }6 e7 g: U
  曲线(1):y=2.167x2-18.102x+39.818
' Z1 }- {: o* {. W- }% }  曲线(2):y=5.017x2-29.925x+46.804  o$ u; G' ]3 [' q6 @/ S/ f  w
  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,
  c# Q% k, g8 T7 K  当x=2.5~2.6时,y的误差为0~+0.2;
& }6 J7 R& A; {4 K  当x=2.6~2.84时,y的误差为0~-0.1;
* c9 P5 e8 P# j7 `4 l  当x=2.84~4时,y的误差为-0.1~-1.1。1 R8 p, M* D3 z
  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。
: H3 V9 V7 b4 F! r  F; `# q! V8 G6 P  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。9 c% m3 S0 o+ P. D" J
  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。3 U2 E; k# {: T( a0 V1 y6 ?: O0 ]
  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。
  T! t$ w# x' H( i( |
4 锻造工序的计算判别方法及流程图设计
$ h0 d& L7 u, t6 f. t% K# H% x- N  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 c7 W- F0 M) y' 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。
( v" j" b& s/ N4 }  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。
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