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：
　　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 `4 |& h& D. L' B) H! ^3 C02 ; I5 E7 r/ v2 G- x03 + a6 n5 Q( o: k" i9 C0 K04 % q$ s2 S% a2 Y5 c0 V! ^05 06 07 ) o0 m5 ?4 ]; o08 09 7 L, C7 m+ A: b4 N. q10 11 3 U3 m- w& W1 {& h9 t2 K: k12 13	冲孔 4 D- O3 h7 [- f- g+ Y单面冲孔 ! C- t  O. ]1 `, F# z冲孔—冲头扩孔 ; x3 w- @* j' [3 V( O: m- k9 P# h冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 冲孔—芯棒扩孔 0 v: Q) d* o5 a) E- S冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 5 |. X- z  I7 d  x& D/ Z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 . j- `0 q3 h' a  m0 Q$ @* F冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长 冲孔—芯棒拔长 7 C, N4 v# j8 i# {! _/ l! d冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 冲孔—芯棒拔长—缩孔 不锻出孔的区域

, Z! H, a' x0 k) q+ c! ~! A3 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 & f) U- b9 O" X; h　　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 　　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： 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： . w% s! W% ?- ~4 O* z; m y=ax+b 　　具体的拟合结果在表2中列出。 表2　空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表

线名	实际 $ L, K5 I5 H$ {9 q; T& U线型	拟合 线型	定义域	拟合方程
a b % ^$ L8 D  y5 G* `c d ' X9 T; m2 W5 G1 _5 F) T+ @8 B, U9 s# \e 4 W) a  {0 E  v; @/ U! Df g * W9 ^* @6 a0 u7 N+ th i j : V0 T1 i" ?; N/ Ak + r7 G5 Z* i; K! e6 Ll m n * S' F$ s0 F! U/ x+ So p q r * z% [+ F# J- M- c# Hs 7 _$ E7 [+ b- w- Z* \9 Rt u 4 K8 {3 h" x& \  g9 V; @v % P5 g4 F0 X8 V& T8 t, fw	直线 曲线 6 n% M( T+ r$ T5 \6 `0 \* k! H曲线 直线 直线 直线 " [0 ~* {0 s7 v7 l. Q2 p6 P直线 直线 直线 直线 8 Y1 ?* o: y) M# u- a直线 曲线 直线 曲线 曲线 ; k$ |2 V7 e2 f2 y* l曲线 曲线 曲线 曲线 / K. t# G; I4 O0 a6 g曲线 曲线 曲线 曲线	直线 2 K5 D- z, O5 r3 X$ d2 J$ l7 A3 G直线 1 F) U$ R# p1 V/ V9 f直线 4 c8 w7 @7 r( d, {  S& z5 e$ F" j$ z直线 % `* r1 C2 Q0 o' e& Z$ [) t1 N直线 直线 直线   M5 A0 ?1 \' q' \; ?& k直线 直线 ( `: a1 f& r- f1 R' k& c. [- P直线 ) }: E6 N+ F* Y; k) s直线 直线 $ e2 K1 j- g( m9 ]8 C直线 / d5 j" K1 W" j% Q3 @6 t  k直线   X1 \" V/ ?% Q0 ~7 z) Q4 z+ O) g直线 直线 直线 % Q& @+ a- J9 ~) d% @- a直线 1 W- _) \" s- f3 \/ @, c  u直线 ( F$ s/ p/ Z' s: p- L( L0 o. `% x直线 直线 # _' Y7 t3 L- @9 s; e- m直线 ! `2 `3 w3 m8 d% ~直线	x∈［1，8］ & j/ v+ ?6 [/ v5 e5 l, O  Hy∈［0,0.3125］ x∈［1，1.7］ : c1 K2 }0 h8 F0 q7 s$ bx∈［1，1.7］ ' N+ j0 F) c9 A& W3 S7 bx∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ * {3 Z3 `; k' ux∈［2.5，3］   n0 C) K4 p( U+ k' b5 v$ I, X: px∈［4，8］ x∈［3.2，4］ x∈［1，8］ x∈［1，5.333］ $ [2 j: E7 _; ^$ b: T: b$ lx∈［1.54，1.7］ x∈［1，2.75］ x∈［2.5，2.84］ x∈［2.84，3.15］ x∈［3.15，3.34］ # x1 i2 g/ x6 c, w9 j2 I5 Ex∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ 3 z, Y8 h& m4 f1 m( _: t* _8 J6 Ix∈［3.8，4］ - M" @/ G. J; N5 J& hy∈［7，8］ ; N) F+ Z& G5 ]" ex∈［2，2.14］   {. x% F1 w8 Z+ ?. b1 Bx∈［2.14，2.32］ ( s' y5 y+ ~. l1 Fx∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 & y8 Q1 h% u( wy=0.3036x－0.3036 ! ~) }& I$ t+ n  A  b4 Q( |, u: By=0.743x－0.643 $ p  ~$ @" J. q: r3 Ky=1.4571x－1.0571 & ]: a4 d' l2 `0 ]x=1.7 y=5.375x－13.125 1 o2 Y) S( c/ Z9 A/ c# L$ Uy=－0.35x＋4.6 y=3.2 7 [+ O4 h- J  `y=x y=1.5x 4 b+ |: u( a# M! i0 Jy=－3.8125x＋8.18125 y=6.5 & A; I5 b; x( P, i5 ay=－5.882x+22.705 y=－4.113x+17.681 8 Q, z' C* F4 U2 cy=－2.763x+13.429 7 `% T7 I8 L1 G8 }' V1 ^3 vy=－2.3077x+11.9077 y=－1.25x+8.1 y=－0.75x+6.2 4 J5 y# u: _  V' P7 kx=2 3 f! P' S4 Q5 U) B/ [# ?y=－8.333x+23.667 y=－5.556x+17.689 + L1 X% g" Z* p& {# R6 hy=－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。 / ^5 d4 i# v5 R$ V8 U3 s  s　　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： $ N8 A) y7 m* G　　令D/d=x,H/d=y , N. Z& n1 D/ T4 d　　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；
& x, {/ y, J. {# g: O' x  C) _/ D/ A4 O　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
2 B: \6 G7 k$ ?) A+ p( A+ ~　　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，
: Z+ P+ B5 F0 o) e) l" D- r+ W　　当x=2.5～2.6时，y的误差为0～+0.2;
& t$ ^! l) ~1 E9 E& A+ V% ?$ r  ^　　当x=2.6～2.84时，y的误差为0～-0.1;
$ [; w1 _6 q- I1 @- P; g　　当x=2.84～4时，y的误差为-0.1～-1.1。
　　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。
5 q6 Y+ v* s* f6 a  R　　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。
　　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。
% b: C) b! s# p7 i% E　　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。
4　锻造工序的计算判别方法及流程图设计
4 J+ N* T* l' j  g% `5 }" x　　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)。

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。
& O1 R& Z( q) i( \　　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……