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。
" \& S+ J: f8 q- V  K8 O　　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 # Z( [, N3 p7 l02 03 04 * y! Q0 S9 B& \3 H05 06 07 8 T5 K* O$ u8 m1 F$ |08 , \( B% j- L8 ]1 X$ T, a09 " S' a; j2 i+ H- p: A10 ; r7 P" U& |6 r* @# W+ z7 J8 G, a11 1 q5 e0 Z) Q2 ]12 / y/ J! G/ f% r+ p+ ?. F" M. q13	冲孔 " W8 o& g: R0 G* ]% W+ x1 b单面冲孔 冲孔—冲头扩孔 ! O. r$ N# n) i冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 冲孔—芯棒扩孔 ; k$ P5 v# k/ f$ Q7 A% d冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 # R) h2 g1 Q: B5 z% A5 F$ }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 $ ]! ^7 s8 N$ @. b  a/ T3 v% g6 N冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长 冲孔—芯棒拔长 3 m( g  ?- V2 g冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 冲孔—芯棒拔长—缩孔 7 i4 F7 Y4 l# d5 n# e; D1 U不锻出孔的区域

8 I9 [" @! f3 c" R- ~/ U9 ]　　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 4 L& X+ y# w3 L8 m　　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： # X+ V6 h/ W$ B" c 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 a$ }! q8 p* i8 Z9 S' G; H 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 3 f' C. v; X3 J2 R线型	拟合 3 @, Y3 y8 Q5 K* g+ ?* F) a线型	定义域	拟合方程
a & l) h" j* r( |: E  Y5 Z: E8 R4 `" W0 Vb . D. s4 d% b! Z1 `. g. Qc - |0 Y2 N" Q/ C8 jd e f / ~- i" C2 k' X# U* i3 ~& u9 Vg 7 o, x5 L4 C3 N4 D) Ph : V  N: \/ Q9 ^9 ?i j k l 5 ]  Q  O9 e" e2 \m n o p 6 u( r6 ^; H7 H8 w' V% hq r s / W8 j1 }& S9 I7 _5 z/ h7 Vt u v w	直线 6 C& q! b5 {- S4 w3 G( b曲线 曲线 ' [, H$ ~+ K- ^4 p  P, ^9 N直线 ( {& n" M& B3 W- b, G) {直线 直线 ) q$ m7 x0 H1 D" Q; K' C直线 直线 ( U, u/ p3 j* C7 `直线 . _- [6 b& u( I直线 1 J0 _% v9 _5 D5 h直线 " \! r1 A3 P! B$ `: i; X- b曲线 ( u! i; ~0 M7 t. F  n5 o直线 ) F0 I" `7 \, U曲线 ; L5 I- K9 T' E7 \8 \% A: c& s曲线 6 j! O2 b; Y6 U5 j: @# {* T曲线 : K( `- e! t3 `. T曲线 曲线 ) t) {# a! {& h8 Z0 y曲线 3 y, J8 k* F; V8 A3 W0 z: u曲线 ; {0 F# m! X, U+ k8 p曲线 8 K4 n/ r! D3 J, [' [曲线 曲线	直线 直线 * @' C5 U" ?" w$ P' {直线 : t  J# \. Z7 P1 t直线 - D, U5 v9 j3 \* S' c& h' o4 _直线 直线 直线 直线 : d9 Q2 k. d2 w3 ?直线 + q" T( R6 j7 ]5 ]% r  s直线   R0 i8 R5 u; M+ g2 k; r5 ~直线 直线 直线 6 P( r5 \; l7 k+ S直线 0 L2 k( s. A4 U' q2 l- ~: R直线 5 _1 P% I5 K/ t直线 6 y" P0 q$ Q2 Y直线 4 ^8 j" Y7 g! k0 c. O5 U直线 2 ]& G8 o% U8 I直线 直线 / u, }2 q# A2 R% H  W直线 直线 / h5 @' K- g, S$ d8 N# v* q  N; G直线	x∈［1，8］ & D$ S9 N: G+ By∈［0,0.3125］ * R$ ?" }/ I6 X/ H& e2 p2 Ix∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ 8 H7 B. G/ D+ y9 ~0 `1 m( ?y∈［0.2125,1.7］ x∈［2.5，3］ ! M- ]" W/ F: d1 Y1 wx∈［4，8］   ~  Q& Q3 N" y* k4 Px∈［3.2，4］ % E* d+ S% j6 Vx∈［1，8］ 0 j- o6 d( b- E' B6 i8 ~* Ix∈［1，5.333］ 6 d, r9 Q  ~! r& n6 z) {' c8 jx∈［1.54，1.7］ 4 L. U( O- o; x9 F, V" P7 k$ }5 J9 Px∈［1，2.75］ x∈［2.5，2.84］ . ]7 s: s  |) i" {3 g3 Kx∈［2.84，3.15］ 0 G7 Z" r) u: U# _1 R* }x∈［3.15，3.34］ x∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ x∈［3.8，4］ y∈［7，8］ " t1 R3 G' r! N$ ?, Ux∈［2，2.14］ x∈［2.14，2.32］ / G  X' p- \( r! Z) ^& O# Lx∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 y=0.3036x－0.3036 y=0.743x－0.643 4 D1 l+ T1 D- K. B1 ?$ yy=1.4571x－1.0571 7 i% q$ C- W5 c2 V1 Y: c+ [2 ]8 l: `x=1.7 y=5.375x－13.125 6 B5 f. e; z/ G$ u; S. py=－0.35x＋4.6 y=3.2 y=x 3 x6 Z/ k* U/ g/ V' cy=1.5x ( S# t% y2 N' ~6 {y=－3.8125x＋8.18125 ; ^& K  }: A$ j* i7 f5 E( h. m. q! _y=6.5 4 ^* b; }2 a7 D( k5 d9 }y=－5.882x+22.705 y=－4.113x+17.681 # l7 [) B" T. J4 iy=－2.763x+13.429 ) F$ d6 t. S# W/ J% q. sy=－2.3077x+11.9077 3 }% {& o' h5 J; \) Ny=－1.25x+8.1 / g( t2 A) Y/ {1 wy=－0.75x+6.2 x=2 - `  i0 B# g* @: \y=－8.333x+23.667 / N( [# y7 L  `/ J' D8 Iy=－5.556x+17.689 y=－3.407x+12.705

7 o4 w+ V( b3 m; Y3.2　曲线的拟合方程 　　先讨论五条曲线中的两条长曲线。 : k5 `) ~5 d/ L+ ?8 h8 R. |6 ~- r　　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 # m! z3 {& ?7 G4 F  i- T0 |　　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：

: _0 e, S& G$ D
　　曲线经拟合后，上式就是二次函数抛物线的一般方程：
% j2 u% z0 c; v  W0 e0 U

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。
9 [( P8 N& L! i　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
& T9 o1 P/ X0 D2 ~' i. Z　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
8 P* H' G, @- {% F. I/ n1 F$ r　　曲线(2)：y=5.017x2-29.925x+46.804
' j; T) |2 c7 p4 r0 B. {3 B　　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，
3 ]7 N+ G. t/ ^$ a4 ^* n3 f　　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;
, J4 C9 c  h3 s- i* c$ |　　当x=2.84～4时，y的误差为-0.1～-1.1。
+ f* N5 x# }% U* ]　　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。
- ?: \0 T- J7 `) @  v0 r, U% Y　　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。
) B$ r' s* K7 p5 `  D) i' |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。
: t( U: }1 K3 R& S& Y* a9 t　　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……