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 / S& `, H$ f) R/ V5 s03 ( Q0 p. z; b- J. i/ H! O$ Q" d9 E04 5 f; g8 e% h8 c- X+ R; x05 ' H* L8 _  p% S8 t- f. i" V$ ?/ {. i$ @06 ; }5 ]* W5 K! W  K$ F7 Z  R; Z07 / e; q+ s$ y5 ^/ r/ \% P5 l08 2 G" [+ m4 {& ]! K/ o1 x09 10 11 12 4 i9 s. D. S( v3 G8 r13	冲孔 单面冲孔 冲孔—冲头扩孔 4 y, ]( R! ~( s* m8 W冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻 冲孔—芯棒扩孔 ! m) n5 ?" Q& u/ R3 }冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔 冲孔—冲头扩孔—冲头拔长—芯棒扩孔 ( F! X, \! q6 W: G/ {( p1 M- ]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 " E3 V' Y0 o2 d  G; o& l- w8 A4 I' N冲孔—芯棒拔长 冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔 0 v& F$ y' `5 ^3 \5 q% E冲孔—芯棒拔长—缩孔 不锻出孔的区域

4 p' W; E  a6 i5 R. {7 a　　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   l0 W( M+ R* a　　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 　　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。 3 C0 [) ?; p; i( O! v/ 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 7 X* V1 h9 [, Y% a2 b. n8 L线型	拟合 : U: E+ e& `+ V1 E9 T; |0 Y线型	定义域	拟合方程
a b * q0 @$ U) V5 [* x# |c ! W6 [* n7 t  `* M1 pd 8 F3 S4 I5 s# |- }6 f$ ce % T! U+ x1 T, v+ @f g h ' O6 i7 D4 L" b9 U6 L7 bi 0 d$ t& f) @1 S! h4 R. uj k 8 o& g( y$ ]6 c4 h, n& p4 j& Tl m ' g: D( A4 q0 y  j# R6 C! N7 _n o 2 F( x- b! F9 `8 \) e7 C4 F# a! E" `p q r $ h  Z6 ]7 W, R0 ^$ M6 U$ xs t u v w	直线 & X7 E; \5 z2 d! N7 L" v* I曲线 , o) f* S/ X! a' x& L1 S/ _曲线 " @( I+ W" n: V9 X# M1 v) w3 o直线 直线 直线 直线 直线 直线 直线 7 z; x7 A3 z- G- [) y4 k* ?5 y直线 曲线 直线 9 v' v; C; E- h& T1 \( t! c+ F+ J" `* Z8 g曲线 9 z. L7 ^6 X* L' e. ~9 L, G* B曲线 % \8 ]# y3 x0 Q( q) E1 {曲线 曲线 & D5 e* r. z* h! X& H曲线 曲线 ) h& e2 b- q6 W" D曲线 5 y, n$ D" n0 {* X$ |9 z曲线 ) S7 P5 H( `) V8 r. a! O3 D曲线 曲线	直线 直线 3 L! b! R) `7 S直线 直线 : M9 b* L# f" B) j直线 直线 直线 直线 直线 直线 直线 , R% z8 }0 w) X. v0 ]( f7 q直线 ; D) j0 Y3 R$ a+ z, v4 A直线 直线 4 H( P8 Q% ~: H+ g1 u直线 - E7 m/ \+ H% R; S直线 # H/ ?% H( Z3 E" Y0 A直线 直线 5 ]7 l- p% T1 b  ^' y+ T/ G( a' ?直线 直线 + R; |* v) R/ q( T8 A7 N) t直线 ; W" o3 g9 _% U- B; |9 L, E直线 + u3 e, X1 Y& V直线	x∈［1，8］ y∈［0,0.3125］ 4 b/ H$ U" F' i) \x∈［1，1.7］ x∈［1，1.7］ 6 b: X+ S) A$ h0 I7 d: @( Rx∈［1，1.7］ y∈［0.2125,1.7］ 4 D/ U6 A8 ^' A6 |, f0 [" {x∈［2.5，3］ # R# R& x# s( D* ]x∈［4，8］ x∈［3.2，4］ x∈［1，8］ x∈［1，5.333］ , ?2 _/ N6 p7 o2 O) Kx∈［1.54，1.7］ x∈［1，2.75］ 4 q$ B. m* U3 t: t& lx∈［2.5，2.84］ x∈［2.84，3.15］ x∈［3.15，3.34］ x∈［3.34，3.6］ x∈［3.6，3.8］ 4 y3 ?/ N2 E! ~0 k9 Px∈［3.8，4］ y∈［7，8］ x∈［2，2.14］ # a' D7 {, C  V2 zx∈［2.14，2.32］ - r3 F4 Y7 n8 W. s4 u  c2 E) Rx∈［2.32，2.59］	y=0.125x x=2.5 + ]5 \4 b  @( {+ G# l: My=0.3036x－0.3036 # |! F8 U1 M! Y8 \y=0.743x－0.643 y=1.4571x－1.0571 x=1.7 ( t+ f6 W) @2 c  ny=5.375x－13.125 y=－0.35x＋4.6 y=3.2 , d# H/ x- J0 c7 {y=x y=1.5x # ?9 E# @) l- }9 i3 D5 n3 _y=－3.8125x＋8.18125 y=6.5 y=－5.882x+22.705 ( ]8 g. l+ t% L' w6 gy=－4.113x+17.681 y=－2.763x+13.429 y=－2.3077x+11.9077 y=－1.25x+8.1 y=－0.75x+6.2   d; T6 D% N, l" h1 Sx=2 8 x$ v" e6 K( U. yy=－8.333x+23.667 y=－5.556x+17.689 7 D5 ^: n  K; B5 e0 Z4 |y=－3.407x+12.705

+ X2 u6 G) ]# o9 P: C% R2 ^3.2　曲线的拟合方程 & B* J. B9 f. f　　先讨论五条曲线中的两条长曲线。 5 B4 H6 q. G# z/ p: l4 g　　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： ( y. W0 K5 S. m8 T　　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：

# q- ?% B5 k7 O: X
; F  N  H  x9 S, ?0 K. U6 ^　　曲线经拟合后，上式就是二次函数抛物线的一般方程：
6 D" a* d. ^9 d. G* ^5 P

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；
/ d$ ^3 h& t& w　　曲线(1)：y=2.167x2-18.102x+39.818
　　曲线(2)：y=5.017x2-29.925x+46.804
8 Q" @7 P  K( R+ ^　　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，
1 ~9 S/ g: Z& B( m7 |. E* {  X　　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;
8 r& r8 Y# `7 C4 T　　当x=2.84～4时，y的误差为-0.1～-1.1。
, i9 \2 T* M, |1 T( i, @$ O7 q8 K　　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。
7 l4 I: F5 `* ^7 R1 Q　　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。
2 A4 I8 t; ?! s( ^' o7 c" Z　　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。
. R, n+ C# G7 K! d* n# c9 @4　锻造工序的计算判别方法及流程图设计
; p# o" F1 v6 T% q$ M" S' @　　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)。
: v/ e6 `  q& v

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。
- Q. L/ J8 x* x  `, s% h. P　　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……