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。
2 l$ i. {8 C* p& N' G　　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：
0 f( |% Z* V# ~　　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 & I9 |+ {9 b  G. d- A" u02 03 ) A+ {" r8 i8 l2 n' c6 n04 05 06 0 n7 E7 i; Q( T* c6 Y! r  F; g07 08 09 # \1 m  k' X/ b/ r( w# G5 n" Q10 11 12 : ~0 _& |. T- q$ h1 Z9 L2 q13	冲孔 ; l% a3 H0 A3 z% }7 ]; x& s单面冲孔 3 z9 e* A, x3 N+ M- z# V' p冲孔—冲头扩孔 # d  |6 R3 s1 o' Q  F冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 冲孔—芯棒扩孔 # k! v/ b" p8 ^7 e+ f7 c冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 & ]: E. k9 W  ~. E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- B. U' x5 g+ u# G冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长 冲孔—芯棒拔长 + i' W0 \6 p3 z9 X2 X冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 6 y" U0 l0 q6 U* n% v冲孔—芯棒拔长—缩孔 4 c1 _8 X: {5 z: d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。 , U5 K& l: ]) [4 P　　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 " {6 p  |: h+ W　　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 ( ~- {( a; w/ F0 {7 h! H　　令D/d=x,H/d=y $ k9 ^  m# e" S1 t' z& H8 Q2 t　　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： % W, R) a! _) B4 M0 U" U- m7 n. ~ 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： ; F; t  I; @: Z6 E& }5 K 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 线型	拟合 % |* Z* |) \( X5 [9 x线型	定义域	拟合方程
a ) e" o; `7 M! k+ n0 eb c d - F* V5 l/ _& M' je f g 5 J, P0 h; P& X6 e7 k! G) [& Dh 5 \% M. n2 k; k( |7 B) y. v; `% i0 r3 `i j 4 g( k' ^+ i: q$ R/ V' Fk 9 o# `( H$ ?  e, Z# Ol % M0 V8 ]5 H  t9 ~, Ym + Z" A9 i* T. S  D" w1 t" ]4 en o ! G* _$ i  Q. i( x2 K. v8 Zp q ; G: G5 B7 r7 Z  e6 a1 br ( |+ v1 w" h# N) ?% Ts t u / u! v( J( A* ~4 C4 |% O+ P! t& d# av 4 h+ {' P7 |; X# q3 ~w	直线 曲线 曲线 直线 $ P$ Z, O! g* }直线 直线 # y6 I0 R2 p, }7 B6 O2 `5 f直线 - T! g8 p" A; v$ r" W. P) y直线 ' e; U4 M+ E* X8 j直线 直线 直线 曲线 直线 曲线 曲线 8 R  k; e- O, a0 r1 S曲线 曲线 曲线 : \# f) E+ T% d  [; J2 h9 p曲线 * }5 P3 e+ n* V+ r# }曲线 曲线 + n. _& W8 h! i4 u曲线 曲线	直线 直线 直线 & i) q/ D. P' q3 m直线 直线 直线 直线 直线 ; }9 i- h" ?+ W1 N直线 直线 直线 直线 ' g  {4 K5 c) d4 M! A( C' H2 o直线 直线 : x5 t/ d0 g8 ~( n直线 0 P: \' a' J) q! H7 _$ i直线 & a1 V7 R; ?9 z" o$ T直线 $ x# ]' ], F8 d+ x直线 直线 + h; {- n0 ]% g+ y" h( a直线 直线 直线 直线	x∈［1，8］ 1 }0 y# }9 g: t8 d: t: dy∈［0,0.3125］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ 6 \1 l- w& R4 q6 c; ?) h! [x∈［2.5，3］ x∈［4，8］ x∈［3.2，4］ x∈［1，8］ x∈［1，5.333］ ! i( \9 [9 M- a, D! n! d1 Kx∈［1.54，1.7］ x∈［1，2.75］ 9 m: s( U+ _9 V5 C4 }" w7 `" L! p( Mx∈［2.5，2.84］ 0 ]5 M0 x/ A  P4 T3 [1 _3 I4 rx∈［2.84，3.15］ 1 d- q* C$ _9 s; I7 Yx∈［3.15，3.34］ 5 h: ?; v# }! w) K* J- A; J; h  K' nx∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ x∈［3.8，4］ ( _7 \- [' p& H( ry∈［7，8］ 6 g; `% A3 U7 Gx∈［2，2.14］ x∈［2.14，2.32］ x∈［2.32，2.59］	y=0.125x ' `  Q' a4 W$ f. D! j$ R+ [5 Q* ox=2.5 y=0.3036x－0.3036 / u9 D9 \8 }. @9 a3 _3 `$ Y# [y=0.743x－0.643 y=1.4571x－1.0571 0 L( N" S9 b2 b8 @1 ox=1.7 " ?, d* F! j" r; o, `6 Fy=5.375x－13.125 y=－0.35x＋4.6 $ f, ?9 G' T& b9 c+ a3 ?! m3 iy=3.2 y=x y=1.5x y=－3.8125x＋8.18125 y=6.5 y=－5.882x+22.705 y=－4.113x+17.681 y=－2.763x+13.429 y=－2.3077x+11.9077 * r4 @! N8 ]1 `  G2 by=－1.25x+8.1 y=－0.75x+6.2 x=2 4 V- {) c7 Q  j1 H% U  Xy=－8.333x+23.667 / E: u! P8 t/ ], Y5 ly=－5.556x+17.689 , ], C9 q9 Y. [7 A% e9 v% s3 oy=－3.407x+12.705

/ c8 ]6 ~1 U% T3 C5 `* H3.2　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： : p8 n' D; ^' I$ _　　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：

$ A( Z# o4 M- |; ?; g8 y
% [/ l. R3 m& a# X7 q4 z　　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。
# N( ?& R  ]. q4 c; g' }8 G; b0 I　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
( V- L& q. u( `& L+ ?　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
1 H& f! o; S6 w+ v! W' r3 {　　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;
, q$ j, _# k6 }　　当x=2.6～2.84时，y的误差为0～-0.1;
2 q) z8 j# d1 ]$ W& C9 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 d6 E) M+ d6 o9 W　　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。
  y5 @$ c8 I& G4 z+ j, }% r- f. h　　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。
1 A# A6 S+ c8 l& n+ B　　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
6 T4 Z7 R4 e4 [) q. O0 v5 O0 o　　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)。
& a# V& s1 M- R) l

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……