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。
- J0 p) s) D4 y9 X: f9 q　　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& c9 r, d( Y6 y02 03 9 M2 {/ x) _2 x' b% n' s  }; w04 2 R* V) e' B2 d4 p$ _0 W05 , B" ]% F0 n! d4 F06 07 08 + c, V* @8 h! ^7 L( b2 ~09 10 7 {( k9 I# L7 `" @11 " o6 u  i7 L' C( }* Q6 e: o12 ) U& \/ }( q$ ~. p4 s. C  i0 |13	冲孔 - B, U  [/ P0 A1 |单面冲孔 & R9 l6 x5 o+ [& [, _, x8 J# P冲孔—冲头扩孔 . a/ e2 e9 n- S9 i; _& h  I冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 冲孔—芯棒扩孔 冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 ; E, }; e( J$ ~% y, n0 x冲孔—冲头扩孔—冲头拔长—芯棒扩孔 6 `* ~# p; T0 [, ^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 1 ]+ x2 M$ M8 C9 I2 b' f冲孔—芯棒拔长 - W1 w: I$ B7 D冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 ! ~$ K( \4 I$ c& f4 q0 W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 2 \" R/ D2 B. {  P　　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$ p. K" h, b9 \* ^3 |4 U- p" c! P　　令D/d=x,H/d=y $ i1 \! O& \. l/ g8 _. ^4 d: M　　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： 0 J" z3 s! R) i3 c" J: Q 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： ' N# b7 _7 A1 v* V: t* U 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

1 `" x8 U0 {  I1 G6 m4 A9 z

线名	实际 0 s+ S5 _3 n" `& Z: N# u' a+ ~线型	拟合 2 K3 l) I1 N6 T9 @线型	定义域	拟合方程
a b ' V1 o+ @0 {4 c  F6 B( s4 e7 Bc * i; U" S5 }0 Pd e f g h i j k l ) m% ]( F! _; h; Y7 gm n o % G% d' J; P9 a) r' k! qp q r s t u   n9 \% m' |- O7 |8 H# Nv w	直线 曲线 曲线 1 A9 b$ g" W9 e& ?$ _& \直线 直线 ) @/ a& L! P, o, V- n' t# ]直线 # Y0 c$ s1 j0 D5 ~0 G& H直线 直线 直线 直线 直线 曲线 直线 5 B1 d. D! Z  }3 u6 |8 `4 |+ M; Q曲线 8 y& W. [- p; W: s" U5 A8 D曲线 ! S% ^9 b6 ?) {  t曲线 曲线 # {. [' _9 U, e3 A9 T- l) G/ o9 Z曲线 ' Y2 S9 d5 K4 P! F曲线 曲线 曲线 曲线 曲线	直线 直线 直线 直线 8 [! ~+ z+ b* E: s& V0 ~直线 2 B7 r6 @5 V' c, O4 r. v直线 / v; q( v  s5 j# U直线 直线 & v9 s/ Q) p2 b; ^% ]直线 + h; ]8 m2 y8 Q8 C2 P% E直线 0 {: A# z% P% N直线 / H0 v% S. B% N, p直线 直线 ' o2 p! S( ?( m直线 / s, X! N/ P: C  U1 f/ a/ \5 g6 a直线 , n7 I' y: D/ e; S直线 ) w( C! t4 k! @. j直线 : Q! N3 G( q4 l. Y& w直线 直线 直线 9 e% |, s6 F4 Q9 @: n直线 直线 % l/ P8 l  D6 g) G" x( L直线	x∈［1，8］ ' ^- T: V) K8 z3 T+ |9 l$ vy∈［0,0.3125］ ; P. D4 h7 k# |; k9 p2 Z* O+ Hx∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ # I. d% ?/ W, J! qy∈［0.2125,1.7］ x∈［2.5，3］ x∈［4，8］ : V& I+ E* Q) A( `4 vx∈［3.2，4］ x∈［1，8］ * u6 v7 P7 A8 c# ~+ Zx∈［1，5.333］ : X3 H+ A. l7 a0 e# Px∈［1.54，1.7］ 6 \7 d0 z$ I! T+ B  rx∈［1，2.75］ x∈［2.5，2.84］ " d, R( ^- P3 d( X1 r4 C5 \* Ox∈［2.84，3.15］ x∈［3.15，3.34］ x∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ & a" `$ Q2 z( j1 ~  W: U5 D" rx∈［3.8，4］ y∈［7，8］ + h, r* D' T, k( r1 ~6 b' }x∈［2，2.14］ x∈［2.14，2.32］ x∈［2.32，2.59］	y=0.125x : l: C: r9 g1 p5 w& T& Z; A# Ux=2.5 ( X/ Z0 r; i* P8 f. _- Py=0.3036x－0.3036 % D; H/ n2 ^0 d  k; s0 ky=0.743x－0.643 y=1.4571x－1.0571 x=1.7 ( [) f+ U/ M; ?6 [( E6 Ey=5.375x－13.125 3 O5 b; }/ ^9 b, |, q7 c" Fy=－0.35x＋4.6 2 ?8 y5 L1 L9 Ny=3.2 y=x 2 Z( n, B6 N7 \( k& y+ h- \y=1.5x y=－3.8125x＋8.18125 ! v' p0 p, w" k7 ~- H& Vy=6.5 y=－5.882x+22.705 y=－4.113x+17.681 y=－2.763x+13.429 y=－2.3077x+11.9077 y=－1.25x+8.1 1 U2 S" [: P5 p3 Gy=－0.75x+6.2 x=2 y=－8.333x+23.667 ' S* V6 l2 \+ h' u- s, gy=－5.556x+17.689 $ s- N8 S3 N) j8 [7 n# E/ K! F0 @$ qy=－3.407x+12.705

3.2　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：

　　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；
　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
) Z; l. A+ E6 J# z- e, a　　曲线(2)：y=5.017x2-29.925x+46.804
+ @7 f* g" S% Y　　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;
　　当x=2.6～2.84时，y的误差为0～-0.1;
$ x5 J* M8 W+ H+ R2 C$ n  c0 V　　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。
　　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。
( [% s+ P5 T+ g0 S& x1 j　　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。
6 ^) S- I3 \! Z5 z# P5 M4　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)。
) B9 A. C% w. M( \2 y: O

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……