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 02 & O/ y6 x3 I; u% L0 I* |03 04 05 . ^3 M: a& z' q" [06   R- ^4 O, T# Q07 08 3 \3 q0 ~- ]& ]4 ^! G: \! X09 ! n. r- U9 }! J& s3 l+ L/ }10 + @% r; A/ ^9 u, q/ D* u11 12 13	冲孔 单面冲孔 冲孔—冲头扩孔 " y* T- r0 n4 f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 冲孔—冲头拔长或深冲孔—冲头扩孔—冲头拔长 冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长 ) {3 C9 M" P6 ^8 y冲孔—芯棒拔长 7 T* V' t  R% ^2 `& A冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 2 d2 v3 M; V( V1 B冲孔—芯棒拔长—缩孔 3 F) n  k+ J. y* o: ~$ X不锻出孔的区域

1 p! ^6 V( I4 M% K0 n/ q  }# ]　　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。 0 Y/ M& O8 E- A' a7 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。 8 U) j. F8 i$ ?) C7 ~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： 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 : X, e/ o- l; y" \2 C9 B& u线型	拟合 线型	定义域	拟合方程
a 6 l( I3 L; R# G) {b * X; U. r8 M6 Z8 }) p% @9 Bc d   r' Q. @7 I  V/ |0 l6 K9 Ee f g & G0 p. k, a" Eh + t. a4 V* T8 `* S( M. m* q( a# L4 ti 9 S5 [5 X$ E7 M3 j% Lj k . o. U1 _  V1 Q+ y+ K0 tl   k. C- D1 ]7 i# E% x- @5 ]$ Nm n o # ^6 F9 H$ e: ^: Mp 9 u6 F# L" U  C- @( aq   \$ Y' Y3 |9 _& n3 k% Cr s t u v w	直线 曲线 曲线 直线 : n  `8 S: h# Z5 A直线 直线 : N/ n4 S1 x/ c/ K+ L直线 ) L( C$ h7 h5 F+ b( R直线 ' J0 `. E) B' o直线 9 _1 D$ I  [$ B, L. p直线 9 R; J* [( q& O4 k+ P直线 曲线 直线 曲线 8 ~7 A4 C( d/ {% }$ q- _曲线 . o* W- t3 B/ j# `2 t曲线 曲线 * l5 T$ a, j/ y3 X4 B0 }/ C曲线 曲线 曲线 $ j& o0 P) |8 V8 l$ h' h! H曲线 曲线 / k6 `  o5 `( m% u曲线	直线 直线 直线 直线 直线 直线 直线 直线 直线 + j' v/ P8 y! g6 X6 s$ \: f直线 0 }+ M, s3 m; |" |直线 直线 直线 7 L2 E6 T6 e& y2 o! U/ x. D直线 直线 直线 8 F3 @5 U% G( E; \/ a# _: C) a直线 直线   i+ Q0 T' O4 N, N/ X直线 % N+ s1 I. w% L$ g( r直线 + Z+ C9 K# z$ y* {1 X  n直线 直线 直线	x∈［1，8］ " `( k* t' Z4 I3 By∈［0,0.3125］ 6 y7 F& `1 N3 ?* D, qx∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ 7 y. t5 T* s% Uy∈［0.2125,1.7］ x∈［2.5，3］ - n2 F" G7 \0 q0 kx∈［4，8］ 1 R7 S: z' |& I: r- Y$ sx∈［3.2，4］ x∈［1，8］ - \' j6 {7 x/ E' V& }x∈［1，5.333］ x∈［1.54，1.7］ x∈［1，2.75］ x∈［2.5，2.84］   z" m* l: g8 i1 M$ T1 e; T- ~9 d& ex∈［2.84，3.15］ 3 W7 J' E" X0 M# Y* W2 c5 ^' Gx∈［3.15，3.34］ 4 ~$ i3 d- J% `/ Q! z. u" T- px∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ x∈［3.8，4］ y∈［7，8］ $ i# v" @! V; I! F$ U: J' f: sx∈［2，2.14］ ' g: Z) k4 e+ W. d) Rx∈［2.14，2.32］ : [2 ^8 D: ^" ]3 Jx∈［2.32，2.59］	y=0.125x : o- z/ G- B1 W. Z& q8 Z# `x=2.5 6 t5 `7 ~" V2 t: g$ U5 i2 Qy=0.3036x－0.3036 . M3 f; L0 v; A) Vy=0.743x－0.643 ( {' V/ Q: K) I/ J. }y=1.4571x－1.0571 x=1.7 y=5.375x－13.125 ! |) u; z- a: h7 L1 fy=－0.35x＋4.6 2 s/ Y, f; W" q/ M+ Ty=3.2 y=x y=1.5x 9 Z" v/ y8 o0 a3 M# J) Ly=－3.8125x＋8.18125 : T: ?/ e$ s  D) ^5 Q5 Iy=6.5 : |+ B4 a; Z% B' I$ Jy=－5.882x+22.705 y=－4.113x+17.681 y=－2.763x+13.429 1 P, |  F' L% }- P- g9 @& z) fy=－2.3077x+11.9077 * w1 O! b  Q# O' T: g/ B% Fy=－1.25x+8.1 ! c* D8 C8 Z$ G' ly=－0.75x+6.2 7 P& {& \: d* y, K6 q$ c1 p2 u2 yx=2 # v9 x8 y/ W+ |y=－8.333x+23.667 9 t" g- K! P  r+ h; ~& t- qy=－5.556x+17.689 ' E4 Z' x2 M  \& i# Yy=－3.407x+12.705

" _8 [: g) l' l: L8 N3.2　曲线的拟合方程 　　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： 　　令D/d=x,H/d=y ! h9 d. c1 i9 o/ L) ?1 Q0 ]7 {　　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。
2 l9 x' G3 x$ A4 a7 H　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
! Z3 g1 s0 S/ L" n　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
　　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，
! \( _5 x' b4 r　　当x=2.5～2.6时，y的误差为0～+0.2;
' }3 k( ^1 c. v# ~, F6 Q& [　　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。
　　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。
! k# y* {5 |" O" i' _2 `0 @　　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。
$ L* S: z0 N( l# v& a9 i% ]/ F　　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 Q" O5 }* v1 Y9 r8 f. h　　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。
7 J/ ~8 ]" G$ j" Z$ ~; z  s! Y4　锻造工序的计算判别方法及流程图设计
- L( k; G9 e4 n% ?7 J/ C　　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)。
, _* B1 O0 S( D& X7 A2 C" N" H

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。
) \: O9 t6 y* U9 q( h- ~; u　　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……