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& d/ w0 Z* _03 04 05 06 4 p/ |0 r3 t- v2 l" W: j07 08 09 ' K) w: k9 ~4 e* a# q' `% p10 % ]* ~2 Q! t# B% j; t11 12 13	冲孔 7 s# y7 e. r( f# B# x2 K4 U单面冲孔 ' R* l* c2 I2 y& l0 {冲孔—冲头扩孔 冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 - x; O  g4 ?8 |+ u4 S- W5 L/ \; |冲孔—芯棒扩孔 9 H, q, W. A% n. E. y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 % K( n& r( B6 u! K冲孔—芯棒拔长 冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 2 i$ g* x7 N6 l冲孔—芯棒拔长—缩孔 不锻出孔的区域

% z+ Z/ H/ q2 b  c8 w+ I3 c# E1 }　　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。 * P% ]& o( z, i2 A　　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 , e9 v6 l5 I+ j8 {3 k　　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。 ; l2 u2 f' J& e$ @3 ~3.1　直线的拟合方程 　　令D/d=x,H/d=y , J# L. N% L) X4 V2 u  P3 J　　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： 3 R9 m' P0 H1 @" f 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。 : l, h2 z, G4 d+ `7 w9 v$ @ 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 " d+ D7 G: l; M; v# V. X$ ^' e- `线型	定义域	拟合方程
a b . h+ l; }% s  cc d , N" ~1 W- H* S5 F+ r3 R3 Ce f g ' P# m/ `, O2 E( Ch + S6 `$ R0 f& _7 k+ T5 ei j 8 [. }; _( T6 a* X3 |$ g* C2 L1 g& Uk l 4 X) m  x$ y' C4 [7 ~+ V0 U9 wm $ a7 e: Z8 Z- c7 T( en   s3 l9 \5 I, B6 ko p q r s 9 M; U" N- \4 N' i! {t u ' K( F6 k: p. |/ k& ^v - b( M0 O8 [0 W4 \+ ]2 r# Q; bw	直线 曲线 曲线 1 B+ @* A& D4 W+ v, ~直线 直线 % `" E: a% ~' v+ ]8 C  M6 N直线 直线 直线 直线 / g' T9 c% Y2 {直线 直线 " @5 g) w! s% o" a9 w曲线 $ Q0 H; `7 M- Y& F直线 # k& [* ?' r& F( W4 c$ K+ J曲线   \5 Y3 ~$ `& u& V  d曲线 3 P+ r$ C- e1 H+ z5 h曲线 . h4 @' ?1 ^3 P, g9 o8 n. ]$ I曲线 曲线 曲线 曲线 $ e" E2 N9 T8 \4 G" @$ i" s曲线 , R2 ~* D& M$ I2 J$ Y曲线 曲线	直线 ' `- V& s# z0 u# m直线 直线 直线 / O4 }% V% m0 l6 r' y9 M直线 9 n$ i: h4 a3 J+ \0 K" M/ U/ X直线 ) }: E$ w; B* E3 n+ o  l/ u5 }' z' a直线 直线 ' b! A+ _: Y* u' v3 ^5 i# O直线 " N# D8 b4 {' T' D8 r! H直线 直线 ( }: K/ h8 s; ~$ x& f* q, Q- h直线 . Y9 w" k' ~) @- t/ Y* i3 m! G直线 直线 直线 ; T# l# {# |. v8 a+ r0 Y直线   K4 j& ?: {" W7 H! e+ B% p( D, B直线 ' d+ a7 [$ x' g. T" U1 S+ V直线 直线   E2 }2 k- G5 A9 ?$ T7 R直线 6 c6 y+ P6 [0 _直线 , v" Z  }8 g% H9 l. x; C4 ~直线 直线	x∈［1，8］ ) |. W6 \+ B7 P  p9 cy∈［0,0.3125］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ , M* F4 g, ~+ b9 Q$ [# W% C8 }, |$ cy∈［0.2125,1.7］ x∈［2.5，3］ ' t0 e. S( s& _3 J9 ax∈［4，8］ / Z9 r) A" ~7 i6 G1 B- w7 w1 w  px∈［3.2，4］ 5 q( \9 t/ o6 Bx∈［1，8］ ! [9 L8 X7 \5 `/ ], Vx∈［1，5.333］ 3 @1 T# e! ^( Y* P0 Bx∈［1.54，1.7］ 5 u* n% g& ?# V% K4 ]8 hx∈［1，2.75］ x∈［2.5，2.84］ : D" `$ r' c  F' ?" b6 Vx∈［2.84，3.15］ x∈［3.15，3.34］ , N+ u/ e' }6 g& f: U' Yx∈［3.34，3.6］   x2 R2 m( ~( `x∈［3.6，3.8］ x∈［3.8，4］ y∈［7，8］ x∈［2，2.14］ 1 v* x: H2 U# h6 ?; yx∈［2.14，2.32］ ! @9 K  t' S; ]1 e2 Jx∈［2.32，2.59］	y=0.125x 1 e5 w* f% O" P- Ex=2.5 y=0.3036x－0.3036 ; \6 R& v4 S3 f6 X+ Wy=0.743x－0.643 . d2 T/ b  j  Gy=1.4571x－1.0571 ) Q4 n4 _* A- @3 ?9 _+ nx=1.7 y=5.375x－13.125 ( o3 H! P* u+ D- L; h; E! |7 ~y=－0.35x＋4.6 y=3.2 2 _. [) M0 a8 J7 ey=x y=1.5x 6 \6 n! ?1 k. Q/ [) X; xy=－3.8125x＋8.18125 y=6.5 % }9 V% Y% r! X% G2 \6 ~y=－5.882x+22.705 3 o) P5 g1 k3 x; K% H' Fy=－4.113x+17.681 5 _! S8 A+ Z; q1 q) Y: cy=－2.763x+13.429 " u& R$ m" y0 d# @y=－2.3077x+11.9077 , p$ h5 k9 J6 d6 x3 e8 p  sy=－1.25x+8.1 y=－0.75x+6.2 x=2 * R2 K3 X$ Q  v2 Dy=－8.333x+23.667 3 u: i; }! _/ Q+ R: V2 E# Q% Vy=－5.556x+17.689 2 ~, J; F. {% g4 I# ]' Iy=－3.407x+12.705

* x2 C. v6 U1 j! G3.2　曲线的拟合方程 , K* ~- A, R  V: \: @, c- b; ~3 h　　先讨论五条曲线中的两条长曲线。 , j! Z/ i2 T2 P　　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： * H% ?' h) W$ c　　令D/d=x,H/d=y # `3 l  ?& }0 T: d3 Y" \: C　　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：
8 D. j/ ?& `# H! b% {

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。
+ Z8 T, y* c1 X　　在拟合结果中，两条曲线有如下的表达式；
" }: s. R# s1 H, L　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
' x. q  E; o$ }# s# r- P/ R0 _　　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，
& Y5 ~" D5 W2 J　　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。
　　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。
* P- {0 b5 J- L' E& T　　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。
: g! \8 [$ x; v( N　　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。
4　锻造工序的计算判别方法及流程图设计
, W+ Z) Q: u! }' p: Z9 E' ~　　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)。
$ G% q" K7 m2 o5 R! o2 }

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。
$ t5 K5 N( L8 ]7 ^6 y: S' c　　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……