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 - Y) {7 t; ]! r+ J( G. V3 i03 0 j/ D" ~8 {% @$ W$ W3 z% r: r4 E04 05 $ r& G1 I3 g- W. A4 D: A06 ' C& I' |$ u- s6 e% Q" ^07 08 7 B( s0 C; N' i$ k0 t, ?# k4 n09 2 [% D% ]9 d  K; ]3 t10 ; {( ]3 J" [- l) ?11 12 / d  D% r1 w8 u, B; h0 U13	冲孔 单面冲孔 ( m0 j& E( J9 g& f3 B冲孔—冲头扩孔 0 `4 t; ?9 N- U' ~冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 - c" Q3 a- M& x. |& Y8 k' @. Q4 }: n冲孔—芯棒扩孔 / x6 J: m# d& j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 冲孔—芯棒拔长 冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 , E% V. X* \7 e5 Q6 b1 @  M0 F( H冲孔—芯棒拔长—缩孔 . A1 ?- r  j  B5 H3 }不锻出孔的区域

0 C1 l5 U6 i2 r% o2 b) W& `　　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。 $ Q* v" k( H2 c: i8 c0 e　　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。 3.1　直线的拟合方程   D) M, P8 B( y0 C/ ^- o　　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。 ; O8 Q; `% z7 i* S 表2　空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表

, B- P4 X! R, K6 `& j' l

线名	实际 . v1 S* [' D3 ]  E线型	拟合 线型	定义域	拟合方程
a b c 8 \" ^9 h1 l" |& V9 r& w" \d e + c4 p6 P. s3 c% l: {% r8 t3 b: {3 Hf 1 E" _8 k. _- X7 e  t# g+ tg & Z( D, C7 J( G. e7 U. L$ ?5 xh i - `/ I; D. \8 B8 `/ F9 O+ \j k l m n * h% H. `$ k; H. x8 y- k- Jo p q   ~( M% ?" w6 h! ~  G. g1 t1 Mr : Q5 f1 P6 [0 p: e: l# W$ ~s t u v " M# r8 v) |) [2 Gw	直线 曲线 曲线 * G( P+ o8 b3 H直线 直线 8 p" o" n$ }: Y! A/ c8 C直线 直线 直线 直线 直线 * d/ r. Y! Q; B2 s6 S) d9 Y* e6 j直线 & B: Z( a' y7 J  _曲线 ( \% N9 {: d$ z  v! h' ?直线 & E5 {( Q% M% v# e5 k. I) y曲线 ! j0 @, e; N% K' X  _+ r7 ~曲线 曲线 - n7 ~# L& j: k) Z, v2 P* [2 W曲线 曲线 曲线 + s% m$ {4 e2 z- }1 k曲线 曲线 曲线 曲线	直线 直线 * {1 k4 j: o/ ]/ U2 j1 o8 a直线   a. m: a0 ~! O" M4 ?& f8 b直线 & I/ J' E  v' Q' I7 k& s8 F直线 5 C- R* ?- J$ h- x1 j( D! U直线 ; g# q; \2 ~, o* t# g8 U$ o直线 直线   v* R3 N1 B  m8 Y! x! ^/ g$ Q: c直线 直线 直线 8 H$ R1 a2 _* p/ i: K直线 直线 4 {' B+ d0 Y5 T直线 直线 % x$ [" B) u( F5 B% Q% e# G9 S, I直线 ( V. R' a6 f# H- r1 c! g' x% L直线 直线 " N' o6 x$ ^& R. h* b9 V6 ?直线 0 `" ?) [" a# r/ m. ]1 `  B! H3 n直线 % r8 [( @$ s( a1 `9 A直线 . z7 B. b* ]  m) w+ e直线 直线	x∈［1，8］ ) a( J' B! e' L5 p3 }3 h' \% N7 ly∈［0,0.3125］ 7 n3 m) `6 I! ?) ~, m; Px∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ 4 G$ t9 ]9 o; h  a5 R' z$ ~) H! p" X& fx∈［2.5，3］ x∈［4，8］ 5 w# o' L3 W5 m& v2 Px∈［3.2，4］ ( F, q9 R: Y" `9 t! K; A# nx∈［1，8］ x∈［1，5.333］ x∈［1.54，1.7］ x∈［1，2.75］ " D6 y# K" q8 {$ }7 R; V% Gx∈［2.5，2.84］ + c2 P# F9 Z8 G6 U1 T7 H8 {x∈［2.84，3.15］ / N! I9 a5 X3 ?5 O$ o* px∈［3.15，3.34］ & H+ L' B% I! f1 f8 k' M+ T0 Jx∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ * t0 C; E  ^0 o1 Fx∈［3.8，4］ ' {4 h  X3 t2 [& i- i* ~y∈［7，8］ * g+ m& Y! r1 T" y0 k; gx∈［2，2.14］ - c1 W4 V# V7 Tx∈［2.14，2.32］ . @' l& t0 C1 G& R* ~" J, hx∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 0 D) f: U1 e  U+ K1 i! Ky=0.3036x－0.3036 y=0.743x－0.643 y=1.4571x－1.0571 / J9 M" Y9 e6 t7 @; jx=1.7 y=5.375x－13.125   t+ U: J$ Q% a% W, ^y=－0.35x＋4.6 2 j. L8 d; E' z8 p  U: Y% Fy=3.2 y=x ( ~8 Q) O* Z1 N6 Uy=1.5x % ~2 A- B- Y9 u$ z, ^y=－3.8125x＋8.18125 y=6.5   I! d* m8 r# m, r1 Y2 Ay=－5.882x+22.705 y=－4.113x+17.681 - g5 a7 @! U0 {' j8 Iy=－2.763x+13.429 , r. t. P& e8 D+ ay=－2.3077x+11.9077 y=－1.25x+8.1 9 J! P; l# }: ^0 P: K) sy=－0.75x+6.2 ! Y+ W- v, F6 ]: X+ gx=2 4 b7 r8 }: y4 s7 hy=－8.333x+23.667 y=－5.556x+17.689 ( X% F/ z5 |. L6 m" d5 ny=－3.407x+12.705

o7 L: b/ ]+ q, {* f7 S3.2　曲线的拟合方程 . C6 y4 q2 B. s( S* L: E　　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： 0 }6 n5 A5 P  M, l+ b# j7 ?4 G/ w8 `　　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：

. ^% o  C0 Y( h# U# F( [" L2 a+ n$ p9 H
　　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。
　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
' R* q& Y. Q/ ]0 N" C0 S　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
+ e2 V* c  ?% ~& S( u　　曲线(2)：y=5.017x2-29.925x+46.804
8 S3 O* s. a% `2 B" b2 j! Q: _5 I　　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，
8 T! `3 l7 `" Y3 Z5 `　　当x=2.5～2.6时，y的误差为0～+0.2;
' Q' l; R" \% V! E2 p* L' C9 W6 A　　当x=2.6～2.84时，y的误差为0～-0.1;
* o5 y  n1 _! Z  ?# p9 a- S% B　　当x=2.84～4时，y的误差为-0.1～-1.1。
3 w; M6 }9 W$ F* T; A, `3 g6 ~　　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。
# W( C. o- X& c/ v5 Y4　锻造工序的计算判别方法及流程图设计
# y! L. q' y' l　　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。
" N: w' f8 t; O7 }' @: @　　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……