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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

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发表于 2009-11-12 13:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
' Y; J( ^9 i9 X$ z6 X2 m2 `6 K  V  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:9 @+ m2 e3 @3 m* \3 X& B
  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)。
001.gif
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
$ _3 V; p( D* M3 @: P' }9 a- s% x02- \) l' Q4 z* i( T+ e% X2 G
03( I- ^1 c1 h( t$ b' V
04
. C7 ]& B1 d2 k, j* h6 ]! D$ k6 b05
9 \+ l7 l5 c5 K4 I0 t06# d# L8 S9 g, M# i/ P
07
" C! g' l- `0 K1 f. }# {/ m5 X5 z086 U0 A0 b6 r$ L% a; Y
09( ?& t7 h/ X+ q: r% Q8 T4 G& W
10
; z$ J* O( C0 ~( Q- y11( @4 v/ U+ ~" a/ \  t+ f
12+ O$ G2 l2 }8 H  `+ ~
13
冲孔
9 f) |/ l! r0 v" L单面冲孔
- P. r5 R& D' j5 K4 n' U' f, T4 ?冲孔—冲头扩孔
5 Y: ]' O4 N3 q冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻
$ P4 [. u' P. u" @: y/ `冲孔—芯棒扩孔/ x! B) j  X% ?7 ?5 X- r8 r( O
冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔3 q  i( b) K, \& @5 P
冲孔—冲头扩孔—冲头拔长—芯棒扩孔
! @2 d! t+ Z3 S8 n冲孔—冲头拔长或深冲孔—冲头扩孔—冲头拔长
( u3 \. @4 \! B6 R% u  I1 S冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长4 \7 ^$ S* ~5 A$ b
冲孔—芯棒拔长
9 k& f. s7 ^7 \# D  q冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔5 E6 b* ~* L# |0 f, L( O: @$ P
冲孔—芯棒拔长—缩孔1 u3 g  P4 u3 V# c0 R, x
不锻出孔的区域
, H7 }: H  ?, H6 H" s, M
  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。6 Q. y8 o8 F( B) f
  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
' |+ C. e5 a% ~5 G; N  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。
& M! \+ S* O7 l/ V1 @7 A$ i  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。
' F) W* t1 e0 V) e# |, f5 \8 G1 m3.1 直线的拟合方程
) A) W' T3 a' D+ @- a$ z  令D/d=x,H/d=y
: \, C+ L0 [9 O/ i8 b8 Y  m3 c  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:

4 `0 i  b5 e1 t) o
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:, H+ Z* t0 }! A9 S$ g
y=ax+b
  具体的拟合结果在表2中列出。
) f& |7 r1 \2 Y- o( B4 s
表2 空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表
  N; C5 y# W0 ?9 y4 \$ K
线名实际8 `+ n" N6 t7 i8 [2 T/ N; V
线型
拟合8 B7 @* T6 J! o+ r) q# d
线型
   定义域   拟合方程
a5 P$ O( |4 l5 p3 w/ b+ T! m* U2 W
b  P0 G, N7 y9 e& T* h  H: ?
c( t% W8 k8 W6 ~2 l: Y' s( G) C
d
0 \) f+ e" X1 e' ^e
/ _9 o# ?) p! b4 Uf
% B2 c+ h9 H  k* }% h1 ?+ ag# G/ x3 q: t3 e3 k# }
h* V, ~" }3 N  y6 Z' _1 {8 ^
i( P( t' T& w  U: F0 i5 Y! _
j
: ~7 {' t# W5 e8 o) sk
5 k) ^% {3 B- ql
( q! S; f  g. J$ n  @+ Vm
3 U& X2 I( ~$ T+ y+ F2 Xn) u9 B" X+ ^% J9 Y" d5 Z
o( r: _* y+ o3 p/ h7 @
p; j5 E1 b% W6 u" p  p' }" R7 F
q' x; `0 x0 ?% s
r* T' s) e4 o0 w; o
s
0 D; r$ g. n# c5 V0 vt
: p3 b& M' T8 d  bu
  r& S/ @% s& }v
# |1 p$ t' u7 R8 A$ Ww
直线; F9 y; T; s9 r7 s5 k+ B
曲线" K' E* `% `5 }/ z
曲线. W1 F- a2 a; m5 t. R+ |
直线
3 g; r7 O1 b: W7 C, \直线8 D' o$ j" V, ?9 L  ~
直线
1 z9 T9 M  O4 N9 u& c直线* S0 |3 b: t. ^$ F3 j) K0 R
直线
, n8 |* u  h; \1 X/ X6 o  d! S! }直线8 T$ U$ @$ j  p: S
直线2 O1 ]. L. `) f2 I$ R8 H/ x
直线
9 K' o3 V' L" l' F" J) w( \! {# m& O+ _曲线; C/ F) G4 f* }3 \" s
直线& q1 I8 r' L7 D; h" _- X3 v% }4 {
曲线
% Z3 U- W% N3 I0 t# ?5 Z" V' m曲线, \/ c: }& d4 v( D) f$ V1 Z6 M
曲线
9 ]& E) G9 m# K, z& U: x% O5 r曲线3 j6 Q1 l4 @$ X. y
曲线  o/ G- D/ s- Y; J. ?8 t
曲线
" F: c. E: d/ |6 W4 B曲线6 `6 Y4 r) e: ]' J  g! O
曲线
$ p: C% b7 V+ b  @/ L- R* a曲线+ Z5 s# L7 J% w! G. K' l
曲线
直线
/ E7 I" N" C  T/ I: |& X& z直线; f7 ?# K2 A3 J
直线
/ D. Y* G# q6 o' Z; s, \9 q直线
; J. o/ d+ l$ z; n7 ~- W# w直线" A5 `9 Q, E' q/ |1 h+ J. G
直线4 x( j8 i6 m" @" X: m( ?& g3 g
直线# [, ]3 N! ]$ F" _& d' \
直线
" ~: c/ d5 c; L, i! R2 m2 L直线
& w1 F& U7 F2 l# A0 t5 Q1 x5 D直线/ P) g" o: D- E/ v1 ?8 p
直线
: z! h: [5 D+ A5 M% J直线
9 N5 z- \; @6 s- [直线
! B* o. V) s" p/ O1 ?0 t( @9 G直线
$ M0 ]& J8 ~+ C直线
6 B0 i. y3 ?4 Q+ _1 d直线* z/ n0 Y3 H+ c7 {# ]
直线
4 }8 _2 s# q1 x" s* t. P3 L直线0 O" v4 Y0 O+ I1 G  H6 m0 |/ L
直线2 x, I8 x* S: h3 `! e, j5 p
直线; d6 n/ `$ ^2 A7 a) e; @& C$ I
直线
7 X8 {# w" G9 s/ d直线5 D. u% {% q- j: e
直线
x∈[1,8]
( u4 L; N1 k' {( \y∈[0,0.3125]
8 a# C6 ~. l! Q4 v" w$ _- h& xx∈[1,1.7]) J9 S& K4 S7 k: \2 X
x∈[1,1.7]
% H, @- |) l7 w4 p+ ]! ?% u  K( jx∈[1,1.7]- s. W- U+ I% v
y∈[0.2125,1.7]; ?3 L* ~; C( M  r' n4 s/ m
x∈[2.5,3]
+ L, ?' D; D! f, t$ t/ fx∈[4,8]
9 |3 t# Q$ ]+ kx∈[3.2,4]
% m( [  J8 c* {& Xx∈[1,8]
  n7 j0 {, x$ gx∈[1,5.333]5 |. K, h& Z. i8 g& s6 G' F$ g" c
x∈[1.54,1.7]& J0 ?; \. i& ?$ Y
x∈[1,2.75]" F4 g& E! [: F8 C6 g7 j9 l
x∈[2.5,2.84]- e# M6 F% B) G
x∈[2.84,3.15]
2 A. ~# @$ K- B* ?  Wx∈[3.15,3.34]6 x6 x4 s! c7 Q
x∈[3.34,3.6]
$ I( \# O8 t0 Q. ?& Z. Xx∈[3.6,3.8]
' F: e) f" h) o8 l" @x∈[3.8,4]: n/ S8 B; M" ~+ I1 n  V
y∈[7,8]) O" H5 u* L+ S! [
x∈[2,2.14]0 O1 E9 c0 y/ G
x∈[2.14,2.32]
. s0 I6 U* C8 s: M1 W$ Ux∈[2.32,2.59]
y=0.125x2 R* q* k8 G5 O) R9 Q! t
x=2.5
# s8 w" K8 s8 ^( A& zy=0.3036x-0.3036% f% ]4 m$ V/ [# g8 S: L2 c; \, V* D
y=0.743x-0.643
/ u! X0 h9 D" \7 P0 u6 ]y=1.4571x-1.0571& o" S/ H4 F8 L6 `
x=1.70 |4 e, B' H+ g3 ]0 ]' C8 o
y=5.375x-13.1254 A$ [& Z- N) R( @1 Y
y=-0.35x+4.6. ?$ p- r9 C7 e( E4 z5 I
y=3.28 L" ?, M  d4 {0 g" B- w
y=x
  J* G* R+ {& ~- x" ^: Oy=1.5x9 ]8 l( l" d- k
y=-3.8125x+8.18125
; D, t8 S: ~5 U9 N/ p# gy=6.57 f4 ?6 l4 A, S  P+ S
y=-5.882x+22.7055 Z! n8 `# a& A+ l
y=-4.113x+17.681
& I# Z( T% E3 ^8 P1 j2 {$ S1 ty=-2.763x+13.429
; g8 o0 Z; M; O0 `9 L1 g  P# Fy=-2.3077x+11.9077
- W9 M2 Y5 Q, d) q. R3 [y=-1.25x+8.1& U- K8 l2 b7 x
y=-0.75x+6.27 |- f( k' C5 r0 X, L
x=26 V  P4 M3 h$ Q0 s/ ~
y=-8.333x+23.667! R; [) ^& o8 a& }; t# ]& T' q
y=-5.556x+17.689
! d/ v6 k( i+ C" I) S1 K% y9 Oy=-3.407x+12.705

9 a: v0 D1 u( w3.2 曲线的拟合方程' n6 j* |  E; K5 S  A0 U/ a
  先讨论五条曲线中的两条长曲线。% Y6 J% K' X# o5 r7 T
  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:$ e4 ^1 l, X. S7 w9 R. r* h" j
  令D/d=x,H/d=y0 C5 F, |. A2 ^2 [1 [6 R
  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 x2 D4 K! f+ s! F+ `  O3 _' |0 x# Z. _( r( u* ]
  曲线经拟合后,上式就是二次函数抛物线的一般方程:& [8 m6 v) s$ y5 Z5 g
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。
$ c( U0 t) w4 ?: K  在拟合结果中,两条曲线有如下的表达式;
3 V0 \) i/ A+ x$ L  曲线(1):y=2.167x2-18.102x+39.818' n3 a% r$ @5 v
  曲线(2):y=5.017x2-29.925x+46.8040 Z! W  f5 c3 Z
  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 e2 Y7 p& N# P- o  当x=2.5~2.6时,y的误差为0~+0.2;' A2 m- c$ O- O0 b- Y
  当x=2.6~2.84时,y的误差为0~-0.1;. {$ g3 r$ A6 H* B' ]* e" h1 y
  当x=2.84~4时,y的误差为-0.1~-1.1。
% W$ ?$ Q7 Q: e* W4 b% T  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。
; W" c$ `/ B" M3 p/ D! C' l  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。
9 }5 T8 K5 h6 e5 \$ p3 r; `  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。
+ W" G. x3 o& a4 w/ X1 i9 I  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。
5 I( F  j; _! j% k; z3 _
4 锻造工序的计算判别方法及流程图设计
7 s3 w8 S7 e7 t/ E8 ]- \  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)。. T) |& s% o- I1 F
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。& e& |. p* c+ x/ N; H# R+ f" H
  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。
发表于 2009-11-12 15:08 | 显示全部楼层
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……
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