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。
' 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：
　　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 $ _3 V; p( D* M3 @: P' }9 a- s% x02 03 04 . C7 ]& B1 d2 k, j* h6 ]! D$ k6 b05 9 \+ l7 l5 c5 K4 I0 t06 07 " C! g' l- `0 K1 f. }# {/ m5 X5 z08 09 10 ; z$ J* O( C0 ~( Q- y11 12 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 冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 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 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 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 ' |+ 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： 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

线名	实际 线型	拟合 线型	定义域	拟合方程
a b c d 0 \) f+ e" X1 e' ^e / _9 o# ?) p! b4 Uf % B2 c+ h9 H  k* }% h1 ?+ ag h i 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 o p q r 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 曲线 曲线 直线 3 g; r7 O1 b: W7 C, \直线 直线 1 z9 T9 M  O4 N9 u& c直线 直线 , n8 |* u  h; \1 X/ X6 o  d! S! }直线 直线 直线 9 K' o3 V' L" l' F" J) w( \! {# m& O+ _曲线 直线 曲线 % Z3 U- W% N3 I0 t# ?5 Z" V' m曲线 曲线 9 ]& E) G9 m# K, z& U: x% O5 r曲线 曲线 曲线 " F: c. E: d/ |6 W4 B曲线 曲线 $ p: C% b7 V+ b  @/ L- R* a曲线 曲线	直线 / E7 I" N" C  T/ I: |& X& z直线 直线 / D. Y* G# q6 o' Z; s, \9 q直线 ; J. o/ d+ l$ z; n7 ~- W# w直线 直线 直线 直线 " ~: c/ d5 c; L, i! R2 m2 L直线 & w1 F& U7 F2 l# A0 t5 Q1 x5 D直线 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 直线 4 }8 _2 s# q1 x" s* t. P3 L直线 直线 直线 直线 7 X8 {# w" G9 s/ d直线 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］ x∈［1，1.7］ % H, @- |) l7 w4 p+ ]! ?% u  K( jx∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ 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］ x∈［1.54，1.7］ x∈［1，2.75］ x∈［2.5，2.84］ x∈［2.84，3.15］ 2 A. ~# @$ K- B* ?  Wx∈［3.15，3.34］ 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］ y∈［7，8］ x∈［2，2.14］ x∈［2.14，2.32］ . s0 I6 U* C8 s: M1 W$ Ux∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 # s8 w" K8 s8 ^( A& zy=0.3036x－0.3036 y=0.743x－0.643 / u! X0 h9 D" \7 P0 u6 ]y=1.4571x－1.0571 x=1.7 y=5.375x－13.125 y=－0.35x＋4.6 y=3.2 y=x   J* G* R+ {& ~- x" ^: Oy=1.5x y=－3.8125x＋8.18125 ; D, t8 S: ~5 U9 N/ p# gy=6.5 y=－5.882x+22.705 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 y=－0.75x+6.2 x=2 y=－8.333x+23.667 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 　　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： 　　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 x2 D4 K! f+ s! F+ `
　　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。
$ 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
　　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，
5 e2 Y7 p& N# P- o　　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;
　　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。
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)。

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……