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：
3 v7 L2 N3 i! q7 H　　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 - x5 @; J# t+ t/ S' T* F02 3 C) Z) R$ f% @2 {3 u03 % V6 y8 p/ ?8 q$ V5 {. w04 05 06 07 5 U; L4 k. ?  ]8 r08 09 10 : ]6 A7 I( L/ z: r11 ; G1 M  [* E- T+ u( U4 f. x8 A12 13	冲孔 单面冲孔 ' g: f4 a- y) V( Y! ^& l5 W冲孔—冲头扩孔 ; [$ v7 n! r: Y# _" e冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 5 Z3 I: W; U4 W: B5 n" v: z# f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 7 X3 U3 z, d+ r& L' c6 u# C' ~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 冲孔—芯棒拔长 - a0 x; \, ^3 c0 [' [冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 * F! V$ s9 |8 \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。 　　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。 　　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。 ( L) I0 k, s% Q( o& ^  R3.1　直线的拟合方程 0 g" T1 r+ j! D) e. `　　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。 $ a3 r# L: g# r; ? 表2　空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表

" ]" K8 p3 U3 M  j  p, q

线名	实际 线型	拟合 0 Y! j  q+ \$ y4 Q9 w: N; [线型	定义域	拟合方程
a 1 b9 i" ]  e5 L  ub ) D, }  C; c" j# Y9 `; |( pc d e + V: l) G; A4 _0 n7 Nf , r" K  y. Y3 G2 l( m; F! @3 |8 Fg 2 W8 x: K5 g  m# r  |3 p: sh * n; a% G% L2 Ci 3 x4 ~0 ~3 Z  d$ E; Y& B  `! w; `( [j k l , c1 G" |5 y2 q+ j! vm n o * J4 g' }: |% n' q( K) Bp 1 s' p, L: c# m/ W9 \+ S& hq r s t / o5 k+ k" m7 Z- \u ; k: N& x" i& B4 U+ s0 h( J% Kv w	直线 , j( Z# a  Y% L" N曲线 曲线 ' D6 B: Z; Y% S, R! M9 h" O直线 + N( \* u7 N6 W5 E# G直线 5 o) j9 s! E: c1 G: @" ]直线 直线 直线 $ k; O% _5 @! L1 i0 Q8 U直线 ' I3 L9 c6 i0 Y; H# p& K1 P直线 7 ^, \/ q: i6 M直线 曲线 直线 ) F+ U7 s# \. k: C6 F曲线 曲线 5 K. \, g4 b2 ^6 b曲线 曲线 曲线 曲线 % ^- U6 I* x1 \曲线 # I* t5 h8 o  a& I曲线 1 ^& j) y) g% ]4 `; R" b曲线 曲线	直线 * z$ R# Q/ D# B3 O, X直线 . S# _1 k7 t5 {0 `& Z1 t直线 # B6 \% ?" }6 A' @8 A( R' L( O直线 直线 直线 $ y8 J' U4 U7 p8 u1 D$ S直线 直线 4 [. m! m  O8 K+ G, C直线 + A. H' f3 b: [; ~1 m直线 直线 2 M! D0 @+ I- `2 Y直线 直线 直线 1 d1 F, f7 e+ d  {直线 : W7 P8 ~% A# p& }直线 : G& f9 l9 b( x4 [) U1 \% b直线 7 Q" O& Z+ N4 M/ }; K直线 4 U5 R7 f* a& L$ Q, x直线 直线   m- S7 W. x5 O) `, I; q直线 直线 # L; }  u% z/ `& i直线	x∈［1，8］ 3 m5 V* N1 ~) {  Yy∈［0,0.3125］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ 9 ]. C5 T5 P3 N  B" Gx∈［2.5，3］ ; \0 f  X* v7 Xx∈［4，8］ ; |& g/ G1 M  V( g9 N4 ex∈［3.2，4］ 5 S* M0 D2 e) T& ex∈［1，8］ & P$ N8 \* Y( s* {' {0 wx∈［1，5.333］ x∈［1.54，1.7］ * H# ^8 c* N9 H  y' f3 M) R7 px∈［1，2.75］ x∈［2.5，2.84］ ! A+ g% ?& g- Q& Q: tx∈［2.84，3.15］ x∈［3.15，3.34］ " ]" b+ o5 X; v' L: D6 b5 z: px∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ x∈［3.8，4］ 1 G3 ]9 o) X( D! s6 d* j* _8 e+ O# Oy∈［7，8］ " L# t- k% z7 g5 dx∈［2，2.14］ x∈［2.14，2.32］ x∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 y=0.3036x－0.3036 y=0.743x－0.643 y=1.4571x－1.0571 x=1.7 6 |& }) e1 R" K' _* gy=5.375x－13.125 8 ?) n! A" q: q8 g( d, y+ y$ oy=－0.35x＋4.6 ) w0 n0 u3 t+ P, q. T) |y=3.2 7 A; I3 w: j! b* y# Ty=x y=1.5x y=－3.8125x＋8.18125 y=6.5 y=－5.882x+22.705 . O* I1 A+ [- A) S6 f; |y=－4.113x+17.681 y=－2.763x+13.429 4 u# d; X& n: H, N: \y=－2.3077x+11.9077 ! n) f( F- w- T% g; M- Ay=－1.25x+8.1 y=－0.75x+6.2 x=2 y=－8.333x+23.667 $ g% L4 M. z! I# }8 f/ s$ Xy=－5.556x+17.689   L. i" U" I% b$ v4 ey=－3.407x+12.705

3.2　曲线的拟合方程 5 t* w: s7 }6 y; t# v0 }5 o3 O　　先讨论五条曲线中的两条长曲线。 0 ?1 _- {, |  }: B　　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： 7 ?: B9 u" Y* S9 C　　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：

9 ]4 k5 R; {1 ?4 O2 x1 K( s
, B1 A5 X' J6 Q. r1 p( M　　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。
, s: \3 |! Z% `　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
5 E$ M. u, W9 ^" k, Z9 |　　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，
　　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;
5 f$ k* K3 u- U0 T9 Y! h" i　　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。
　　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。
　　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
　　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。
　　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……