基于云平臺的汽車零配件擠壓鑄造CAPP研究

李正網(wǎng)

(重慶人文科技學(xué)院機電與信息工程學(xué)院， 重慶 401524)

0 引言

在科技日益發(fā)展的今天，隨著有色金屬材料學(xué)和機械制造技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，有色金屬合金的加工和應(yīng)用技術(shù)也日益成熟。其中,鋁合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛[1]。然而，由于傳統(tǒng)的汽車零配件種類繁多，不同零件工藝流程差異很大，各個計算機輔助工藝規(guī)劃(computer aided process planning，CAPP)系統(tǒng)相互獨立，沒有統(tǒng)一的接口標準[2]，使不同單元之間難以相互借鑒，工藝知識庫也難以被有效利用。軟件即服務(wù)(software as a service， SaaS)是一種完全創(chuàng)新的軟件應(yīng)用模式[3]。它是隨著現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展。通過Internet提供服務(wù)的模式，廠商將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在服務(wù)器上，客戶根據(jù)自己實際需求，通過互聯(lián)網(wǎng)向廠商定制或者部署自己所需的應(yīng)用軟件服務(wù)?；赟aaS云平臺構(gòu)建的汽車零配件CAPP系統(tǒng)正成為新的應(yīng)用趨勢。

1 擠壓鑄造和云平臺

擠壓鑄造適用于力學(xué)性能和氣密性要求高的厚壁鑄件，如汽車、摩托車鋁輪轂；發(fā)動機的鋁活塞、缸體、缸頭、傳動箱體；減振器、制動器鋁鑄件；汽車各種泵體中的壓縮機、壓氣機等鋁鑄件；汽車方向軸、曲柄、車架接頭；鋁鎂或鋅合金光學(xué)鏡架和銅合金軸套以及各種儀表及電子儀器殼體件等[4]。其特點如下。

①工藝流程復(fù)雜，不僅包含擠壓工序，還包含鑄造工藝的工序。

②計算量大，需要通過分析零件的幾何特征計算出擠壓鑄造的工藝參數(shù)，如溫度、壓力、澆鑄速度、加壓/保壓時間等。

③零件種類多，涉及到的汽車零件種類繁多，功能復(fù)雜，所以涉及到的知識庫容量大。

云平臺針對汽車零配件CAPP系統(tǒng)研制的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面。

①云平臺已經(jīng)為用戶建立好了應(yīng)用的基礎(chǔ)，如遠程存儲、操作系統(tǒng)、安全管理、自學(xué)習(xí)機制等。

②云平臺有超強的計算能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的計算機輔助工藝過程規(guī)劃工藝計算。

③云平臺提供輔助的計算機技術(shù)服務(wù)，而用戶只需專注于工藝知識的輸入和更新。

④云平臺更適合于遠程協(xié)作、數(shù)據(jù)共享、團隊共同開發(fā)的工藝設(shè)計和校驗的過程，支持企事業(yè)研發(fā)單位CAPP的多地域、全方位、立體式、智能化的運作。

2 基于SaaS的系統(tǒng)構(gòu)建

本文基于SaaS的云平臺，研究了汽車零配件CAPP擠壓鑄造系統(tǒng)的構(gòu)架與實施。針對云平臺的特點，依托于傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)知識庫，建立了基于云平臺的CAPP系統(tǒng)新架構(gòu)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于云平臺的汽車零配件擠壓鑄造CAPP(extrusion casting CAPP system for automobile parts based on cloud platform，ECCSbCP)系統(tǒng)分為云平臺客戶端、信息交互接口、核心功能以及CAPP知識庫等幾個部分。ECCSbCP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ECCSbCP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

首先，EECSbCP和其他云平臺服務(wù)應(yīng)用一樣，通過PC端的瀏覽器或者應(yīng)用程序接口和云平臺數(shù)據(jù)交互，也可以通過手機App移動終端實現(xiàn)一些簡單的數(shù)據(jù)傳輸、查詢、打印等功能。由于CAPP系統(tǒng)功能復(fù)雜，在線CAPP的設(shè)計、調(diào)試和驗證等復(fù)雜工作仍需要在PC客戶端結(jié)合必要的設(shè)計軟件完成。其次，EECSbCP給協(xié)作開發(fā)者的信息交互平臺，如Jira，Conference。其用戶管理功能和安全管理于認證功能為云平臺固有功能。EECSbCP學(xué)習(xí)和計算服務(wù)中心如圖2所示。

圖2 EECSbCP學(xué)習(xí)和計算服務(wù)中心

系統(tǒng)通過Web服務(wù)調(diào)用接口，可以執(zhí)行標準工藝查詢服務(wù)、非標工藝設(shè)計咨詢、復(fù)雜工藝在線計算、工藝集成在線管理、工藝驗證于審核以及工藝設(shè)計外包的服務(wù)[5]。所有功能基于云平臺的EECSbCP學(xué)習(xí)和計算服務(wù)中心搭建。學(xué)習(xí)和服務(wù)中心其實是一個基于云平臺的、包含推理機和學(xué)習(xí)機的CAPP系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于與EECSbCP有關(guān)的知識庫(如汽車零配件知識庫、擠壓鑄造設(shè)備知識庫、模具設(shè)計知識庫、擠壓鑄造工藝知識庫和基礎(chǔ)知識庫)建立。

EECSbCP學(xué)習(xí)和計算服務(wù)中心負責核心的工藝計算和生成工作，其核心是一個帶推理機和學(xué)習(xí)機的CAPP系統(tǒng)。其特點是通過數(shù)據(jù)分析推理并和知識庫中的知識(如產(chǎn)品分類知識、特征工藝知識、模具分類知識、擠壓執(zhí)行知識和工業(yè)標準知識等)進行匹配，生成標準零件的工藝設(shè)計方案，或者通過自學(xué)的功能生成非標準件的工藝設(shè)計方案。EECSbCP學(xué)習(xí)和計算服務(wù)中心的知識庫可以在工作的過程中不斷學(xué)習(xí)和積累，不斷豐富自己的知識庫，所以它兼具有學(xué)習(xí)機的功能。同時，系統(tǒng)該學(xué)習(xí)和計算服務(wù)中心也被用來執(zhí)行一些CAM和CAE的功能，如仿真建模、仿真解釋、仿真執(zhí)行和評估等，可以對下一步CAM工作作出參考[6]。

2.2 EECSbCP知識庫

任何一個CAPP系統(tǒng)都離不開知識庫的建立。EECSbCP著眼于汽車零配件擠壓鑄造CAPP的云平臺解決方案，所以其涵蓋了各類汽車零配件知識。如：汽車制造知識，汽車零配件工作原理知識，零配件設(shè)計知識、裝配知識、汽車動力學(xué)/運動學(xué)知識等[7]。知識庫同時也包含了擠壓鑄造設(shè)備知識，如擠壓鑄造設(shè)備原理知識、工作流程知識、控制參數(shù)編程知識以及工藝參數(shù)監(jiān)測、操作規(guī)范、液壓控制技術(shù)和操作經(jīng)驗知識等。模具設(shè)計知識方面包括鑄件模具理論、機械零件標準、設(shè)計人員經(jīng)驗、計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)知識、加工工藝要求、模具材料知識以及模具案例庫等等。模具設(shè)計知識的核心是擠壓鑄造工藝知識。其包含工藝參數(shù)、工藝參數(shù)計算、試驗方法學(xué)、回歸分析建模理論、優(yōu)化理論、性能測試知識、數(shù)值模擬知識、試驗數(shù)據(jù)分析知識、工藝參數(shù)設(shè)計經(jīng)驗、試驗知識積累、材料庫、零件幾何特征庫、實驗案例、性能數(shù)據(jù)以及工藝參數(shù)庫。系統(tǒng)也包含了基礎(chǔ)知識庫的建立，如擠壓鑄造理論、金屬成型理論、生產(chǎn)質(zhì)量標準、熱傳導(dǎo)理論、擠壓鑄造標準、工業(yè)能耗標準等[8]。

2.3 核心功能設(shè)計

EECSbCP的核心功能涵蓋了標準工藝查詢服務(wù)功能、非標工藝設(shè)計及咨詢、復(fù)雜工藝在線計算、工藝集成在線管理、工藝驗證與審核以及工藝設(shè)計外包的服務(wù)[9]。

①標準工藝查詢。

在用戶需要對一個零件進行工藝查詢時，可以輸入零件的名稱、尺寸等特征，查詢到云平臺數(shù)據(jù)庫內(nèi)的參考工藝。假如云平臺未曾錄入過，會根據(jù)用戶的需求給出互聯(lián)網(wǎng)的搜索結(jié)果。

借助于平臺強大的數(shù)據(jù)信息處理內(nèi)容儲存能力，EECSbCP通過學(xué)習(xí)和計算中心進行綜合式零件特征提取和計算。通過推理機進行知識匹配，計算出標準的制造工藝，為汽車零配件工藝需求的客戶提供一個公開的海量工藝知識庫，并在貫徹國家和行業(yè)標準的基礎(chǔ)上，使汽車零配件制造企業(yè)能夠快速查詢和提取到有關(guān)的CAPP工藝和標準。

②非標工藝設(shè)計及咨詢。

這也是EECSbCP的核心功能之一。在客戶需要設(shè)計一些非標準尺寸或者特殊材料的非標準零配件的工藝，或者對標準件需要做特別修改時，可以采用這項服務(wù)。

該部分功能采用用戶和系統(tǒng)相互交互的形式可以輸入相關(guān)的工藝約束和要求、不同材料、模具或者一些特殊需求等，根據(jù)輸入在云端系統(tǒng)生成非標產(chǎn)品的工藝。同時也可以給出類似標準件的工藝對照，便于執(zhí)行人員校驗和考核，獲得最準確和可用的生產(chǎn)工藝。

③復(fù)雜工藝在線計算。

本功能針對復(fù)雜的計算量大的工藝設(shè)計，如成型過程數(shù)值模擬，擠壓比壓力學(xué)分析等等高精度設(shè)計時。系統(tǒng)基于簡單對象訪問協(xié)議(simple object access protocol，SOAP)和超文本傳輸協(xié)議(hypertext transfer protocol,HTTP)協(xié)議定義了標準的工藝計算 Web服務(wù)接口，使平臺可以為用戶提供工藝計算方面的服務(wù)。這個接口具有可直接對用戶輸出計算工藝的能力，針對于不同級別的用戶開放的部分應(yīng)用 API，使其二次開發(fā)，定制自己的計算應(yīng)用實例，定制的應(yīng)用可被集成到自己企業(yè)發(fā)布的應(yīng)用程序中。

④工藝集成在線管理。

在線實現(xiàn)EECSbCP系統(tǒng)的工藝信息管理和控制以及知識庫的共享。通過合理設(shè)計權(quán)限等級，既分享CAPP知識，又實現(xiàn)了工藝信息的管理和控制。權(quán)限系統(tǒng)設(shè)計包含三個層次。第一層是系統(tǒng)的應(yīng)用權(quán)限，定義每個用戶能夠訪問的功能模塊。第二層是工藝基礎(chǔ)知識的查看維護權(quán)限，從工藝知識庫的底層控制工藝文件。第三層是工藝文件的編制、審核、發(fā)布、下載的權(quán)限，用于管控工藝信息的復(fù)制、傳遞和拓展。現(xiàn)代管理理論強調(diào)通信設(shè)備和控制系統(tǒng)并行，其表現(xiàn)為系統(tǒng)對信息的采集、分析、反饋等的時間要求越來越快，準確度要求越來越高。工藝集成的在線管理使得工藝的集成更加快速、準確，信息和知識傳遞更加方便和高效，促進了企業(yè)管理的現(xiàn)代化。

⑤工藝驗證與審核。

在用戶提交了最終的工藝設(shè)計后，可以采用EECSbCP系統(tǒng)進行驗證和審核。審核包括云平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)庫審核和外部專家審核。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫審核即把每個工步、工序和系統(tǒng)已知工藝設(shè)計知識作匹配和校驗，驗證其是否符合國家或行業(yè)標準，是否符合汽車工藝標準化體系規(guī)程。對于不符合的情況，給出修改意見。外部專家審核是通過把既定工藝發(fā)給同行業(yè)專家，包含電子版和打印版，有相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医o出可行性分析和提交改進意見[10-11]。

⑥工藝設(shè)計外包。

工藝設(shè)計外包服務(wù)是在有些用戶在缺乏資源或能力不足的情況下，不能獨立完成工藝設(shè)計，而全盤或部分把工藝設(shè)計委托給平臺完成的一種服務(wù)。它是以上各類服務(wù)基于SaaS云平臺的一項有效補充，可以滿足更多用戶多樣性的需求。

3 實例研究(以轉(zhuǎn)向節(jié)為例)

以轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品的工藝開發(fā)為例，解釋基于EECSbCP的產(chǎn)品工藝開發(fā)的實施過程。

3.1 需求分析

某型號汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件外型尺寸360 mm×210 mm×190 mm，整體壁厚18～37 mm，整體質(zhì)量為5.5 kg。其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈彎曲羊角狀，零件特征上存在較多凸臺圓孔，用于與其他部件連接。從該零件的形狀特點上看，其外型尺寸較大，并存在較長彎曲羊角結(jié)構(gòu)。這會給鑄件的成型以及擠壓鑄造過程中擠壓力的傳遞造成一定的困難。

產(chǎn)品要求采用鋁合金A356通過擠壓鑄造工藝生成，要求轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件符合ASTME446一級標準，經(jīng)T6熱處理后屈服強度和抗拉強度分別可達240 MPa和320 MPa，延伸率≥10%，硬度大于80 HB；成品探傷指標要求發(fā)動機殼體鑄件最后成品探傷測試不得有裂紋、欠鑄、冷隔、縮松等工藝缺陷。

3.2 系統(tǒng)流程

首先通過應(yīng)用程序端的CAD軟件載入零件設(shè)計圖，然后加載CAPP控件，通過CAPP空間輸入工藝參數(shù)。系統(tǒng)會把所輸入的參數(shù)和云端數(shù)據(jù)庫進行知識匹配，生成可選工藝方案，同時進行自動篩選，最后生成初步工藝反饋給用戶。用戶可以對生成的工藝進行修改和編輯，然后生成最終工藝。在修改后和工藝輸出前的工藝步驟，需要通過系統(tǒng)認證，方可生成正式工藝并發(fā)布[11]。EECSbCP系統(tǒng)實施流程如圖3所示。

由圖3可以看出，原來由單機執(zhí)行的工藝規(guī)程編制工作，如特征對象類的相關(guān)屬性和方法事件的提取、推理機對實例庫和知識庫的操作、后臺數(shù)據(jù)庫運算和解釋模塊的解釋、擠壓鑄造所需的工藝參數(shù)設(shè)定(如溫度、壓力)等，都轉(zhuǎn)移到云端執(zhí)行。最終反饋到客戶端相關(guān)擠壓鑄造工藝規(guī)劃和設(shè)計，包括鑄造方式選擇、腔內(nèi)件數(shù)計算、壓室容量選擇、內(nèi)交口選擇、分型面選擇，并可以智能生成鑄件模型圖供參考。

圖3 系統(tǒng)實施流程圖

3.3 系統(tǒng)分析與工藝生成

擠壓鑄造工藝主要包含直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造兩種工藝模式。直接擠壓鑄造工藝的特點是沖頭直接擠壓鑄件，主要應(yīng)用于外形結(jié)構(gòu)較為簡單的鑄件，如圓環(huán)狀鑄件、桶狀鑄件等。由于需求的轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件外型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如果采用直接擠壓模式無法保證外形尺寸的精度。間接擠壓鑄造是近年來發(fā)展的一種擠壓鑄造工藝形式。沖頭通過內(nèi)澆道將壓力傳遞給鑄件，可以滿足復(fù)雜鑄件的成型要求。轉(zhuǎn)向節(jié)外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，具有軸、套、盤環(huán)、叉架類不同零件的結(jié)構(gòu)特點，由支承軸頸、法蘭盤、叉架三大部分組成。系統(tǒng)把其歸類于復(fù)雜類零件，通過推理選擇了間接擠壓鑄造工藝成型轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件。

擠壓鑄造最大的優(yōu)點在于流動的金屬液可以鑄造壁厚不均的零件。選擇合適的材料，高溫熔化成金屬液，通過擠壓作用使金屬液產(chǎn)生塑性變形最終凝固成型，可以保加工對象的致密性、氣密性和嚴密性。根據(jù)系統(tǒng)知識庫推理機推理，依據(jù)材料的特性和力學(xué)性能指標，材料選擇鋁合金，型號為A356。

EECSbCP系統(tǒng)CAPP人機接口部分基于ObjectARX開發(fā)。ObjectARX是針對AutoCAD平臺上的二次開發(fā)一個開發(fā)軟件包。它有一套基于C++的面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序接口，能快速訪問AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫。這樣可以對AutoCAD進行直接函數(shù)調(diào)用，從而獲取相關(guān)的幾何設(shè)計特征?；贠bjectARX建立CAPP系統(tǒng)可以省去AutoCAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和矢量處理工作，可以讓CAPP系統(tǒng)直接使用AutoCAD系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)據(jù)。對象的零件的長、寬、高以及最厚、最薄處的壁厚數(shù)據(jù)都可以通過CAD系統(tǒng)的選取工具直接選取，并計算得出。

系統(tǒng)人機界面接口設(shè)計為：左側(cè)為CAD設(shè)計信息，包含零件和模具的裝配圖；右側(cè)為CAPP信息，包含CAPP的一些補充輸入信息。通過點擊中間的“工藝自動生成”按鈕，可自動生成右側(cè)的工藝規(guī)劃設(shè)計信息。如擠壓鑄造方式選擇間接擠壓鑄造，模腔內(nèi)鑄件數(shù)選擇一模一件。計算澆注溫度對發(fā)動機殼體縮松縮孔的影響，比壓設(shè)定為 180 MPa、擠壓沖頭速度 設(shè)定為0.1 m/s，模具鑄型溫度設(shè)定為200 ℃。根據(jù)后臺知識庫中不同金屬液澆注溫度對發(fā)動機殼體縮松縮孔的影響模擬數(shù)據(jù)，計算出澆注溫度(選為 680 ℃和 720 ℃)。

經(jīng)過認證后的工藝也可以上傳到云端充實知識庫。不同比壓下的抗拉強度比較如表1所示。

表1 不同比壓下的抗拉強度比較

EECSbCP系統(tǒng)比壓設(shè)定值計算參考圖如圖4所示。

圖4 EECSbCP系統(tǒng)比壓設(shè)定值計算參考圖

在設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)時，云端執(zhí)行復(fù)雜在線計算。如在系統(tǒng)選擇比壓設(shè)定值時，根據(jù)云端知識庫中不同比壓條件下擠壓鑄造Al-Si系合金的力學(xué)性能分析。當比壓值處在90～120 MPa區(qū)間，鑄件的抗拉強度和硬度值有明顯的提升，但伸長率變化不大。在120～160 MPa區(qū)間，鑄件的幾個性能指標增長趨勢減緩，當比壓從160 MPa增長到180 MPa時，鑄件的抗拉強度又一次有顯著的升高，且伸長率隨之出現(xiàn)明顯增加。當比壓處在200～220 MPa區(qū)間時，鑄件力學(xué)性能指標有一定的增長，但幅度較小。依據(jù)抗拉強度320 MPa，延伸率≥10%，硬度大于80 HB的需求，系統(tǒng)自動選取180 MPa作為推薦比壓設(shè)定值。這樣不再需要工藝編制者人為的查表，而且可以更精準地匹配，減少出錯的概率。

經(jīng)驗證，本文中EECSbCP系統(tǒng)的鑄件經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝優(yōu)化后，通過其生成的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)符合預(yù)定的需求，并且可替代傳統(tǒng)鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)。

4 結(jié)束語

基于SaaS云平臺的汽車零配件擠壓鑄造CAPP利用了云平臺超強的計算能力，方便的遠程協(xié)作，以及數(shù)據(jù)共享特性，把傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)通過云平臺實現(xiàn)了多地域、分布式、智能化的拓展。本文以轉(zhuǎn)向節(jié)這個復(fù)雜類零件為例，通過云平臺的交互操作和推理和學(xué)習(xí)機制，自動匹配現(xiàn)存知識庫，得出最佳的工藝參數(shù)和工藝流程，大大減少了工藝人員的編制時間。這對于復(fù)雜多樣的汽車零配件工藝設(shè)計是一個全新的和快速的提升渠道。