大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统设计

大型锻件传统生产流程中普遍存在的问题是工程数据缺乏有效的归纳和整理，数据得不到有效的反馈，数据和经验的流传和共享性差。大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统能把更多与产品研发相关的数据集中到一起统一管理，最大限度地提高工艺设计效率和质量，保证工艺数据能得到准确反馈和及时修订。

当前制造业竞争压力越来越大，企业要想保持竞争优势，需要在较短的时间内推出高质量、低成本的产品。目前制造业普遍存在的问题是工程数据缺乏有效的归纳和整理，数据和经验流转和共享性差。

大型锻件生产的主要流程有产品研发、工艺审查、工艺规划、工艺仿真、工艺发布、生产制造、结果反馈和工艺优化。在工艺规划阶段，锻造工艺设计主要通过工艺人员查询相关规范进行参数计算，并结合CAD 软件辅助来完成工艺文件的输出。从形式来看，早已实现了工艺数字化，锻造工艺设计的过程得到了一定程度的简化。但从内容上来看，工艺知识的积累，工艺流程的固化，工艺数据的共享都存在较大的问题。同一类型的大型锻件尤其是形状简单的锻件如筒节，锻造工艺经过实际生产的多次检验，工艺已经相对成熟，锻造工艺流程也大体相同，区别主要体现在尺寸方面。设计锻造工艺时，工艺人员首先根据零件形状及零件尺寸添加锻造余量从而得到锻件图，然后根据锻件尺寸逆向推导各火次的工艺参数，初选得到所需的钢锭重量；最后以初选得到的钢锭为坯料，逐步计算各火次的工艺参数，进而完成工艺设计。假如有100 个尺寸不同的筒节锻件，这就需要按照上述流程进行100 次计算。在这些计算中，大多数的运算都是机械式的重复运算，锻造工艺人员需要花费大量的时间来处理锻件各个火次的工艺参数。

锻件制造过程结束后，相关的检测、分析和统计将陆续展开。当前，由于缺乏统一的数据管理系统，各类信息还散落在各个子业务系统中，以电子或纸质文档方式存在，相关的统计和分析业务缺乏有效的信息化支撑。以某锻件为例，受锻件结构及变形方式的限制，按照锻造规范添加锻造余量，容易出现局部加工余量小的问题。如锻件尺寸检测数据得不到有效的反馈，锻造规范得不到及时的修订，下次年轻的工程技术人员在处理同类产品时，仍将重蹈覆辙，犯前人犯过的错误。在此背景下，企业开始了大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统项目。

系统的总体结构

大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统主要由四个模块组成，其流程图如图1 所示。

⑴锻造工艺编制计算机辅助系统模块。此模块中集成有材料库、锻造规范、辅具库、钢锭规格等数据库。目前，锻造工艺的辅助设计模块主要针对形状简单，工艺流程相对固化的几种锻件，如筒节、饼类件、锥形筒体和台阶轴。

⑵锻件尺寸统计系统模块。此模块主要负责收集测控设备反馈的数据，并将数据反馈给锻件尺寸数据处理系统。

⑶锻件尺寸数据处理反馈系统模块。此模块主要负责锻件毛坯尺寸与粗加工尺寸的对比，结合企业自定义判据，分析锻件添加的余量是否合适。对于余量过大或过小的产品，系统将自动发送预警信息，建议用户修改规范。

⑷锻造工艺规范人工智能系统模块。此模块主要负责锻造工艺规范的修订和优化。

图1 大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统流程图

功能介绍

从大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统流程图（图1）可知，“锻造工艺编制计算机辅助系统”模块是整个系统的“起始点”。只有“锻造工艺编制计算机辅助系统”模块设计出锻造工艺，才能有锻件毛坯为“锻件尺寸数据处理系统”模块提供相应的尺寸数据，并开展后续锻造工艺规范的修订。因此，本系统开发设计工作从“锻造工艺编制计算机辅助系统”模块开始。

目前，大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统已经完成了“锻造工艺编制计算机辅助系统”模块的相关设计。此模块基于VC++ 平台开发，新建有一个MFC（即Microsoft Foundation Class Library，能帮助程序员建立Windows 下的应用程序）的工程；所有的程序都采用C++ 语言编写，并设计有人机互换式的程序界面。系统主界面是Windows 风格的视窗界面，各项命令分类放在菜单栏中，通过下拉式菜单给出，由弹出式对话框提示操作，全中文提示，人机交互界面良好，操作方便，能实现以下主要功能。

锻件图自动绘制

以饼类件为例，程序主界面的主菜单栏中设计有两个下拉式子菜单，分别是“新建”和“打印锻造工艺”。当用户点击下拉式子菜单“新建”后，程序将自动弹出对话框“输入粗加工尺寸”，如图2 所示；工艺人员输入尺寸参数并点击按钮“确定”，程序将自动获取编辑框中的数值，并传递给程序的相关函数进行计算。当运算结束后，系统将自动绘制锻件的锻件图，并在主界面中显示，如图3 所示。

图2 对话框“输入粗加工尺寸”

图3 锻件图自动绘制

同时，为了灵活应对不同材质、不同规格尺寸锻件，便于工艺设计人员调整余量及锻件尺寸公差，本程序也设计有“修改”功能，如图4 所示。锻件图自动绘制后，程序提示用户确认锻件图，如需修改调整锻件尺寸，可选择对话框中的“修改”按钮并点击确定，程序将自动弹出对话框“自行输入锻件尺寸”，如图5 所示。当然，对于用户手动输入的数值，系统也会进行简单的“有效性检查”，如输入的饼类锻件直径小于粗加工直径尺寸，系统将自动提示用户“输入的尺寸有误”。用户手动修改锻件尺寸后，编辑框中的数值将自动传递给相关的程序语句，锻件图也将自动重新绘制。

图4 对话框“修改”

图5 对话框“自行输入锻件尺寸”

锻件重量的自动计算及锻造设备的自动选取

在工艺设计人员确认锻件尺寸之后，程序将根据产品的形状、材质等信息自动计算锻件重量，并且根据坯料尺寸、锻件重量、预估成形力等因素自动匹配锻件的成形设备。

钢锭自动筛选并推荐最佳的钢锭规格

锻件重量计算结束后，程序将结合企业多年来生产同类产品的钢锭利用率统计数据，从锭型库中自动筛选出较为合理的钢锭规格；如筛选得到较为合理的钢锭规格为多个，系统还将自动推荐最合理的钢锭规格。在没有特殊要求的情况下，钢锭重量小、材料利用率高的钢锭规格为最佳钢锭规格。

各火次的锻造工艺参数自动计算及修改

以筒节锻件为例，企业目前生产筒节锻件的工艺流程相对固定（除特殊材质外），主要有下料、镦粗、冲孔、芯棒拔长和马杠扩孔等工序。在下料火次，系统可实现钢锭水口端切除量、下料尺寸等参数的自动确定；在镦粗冲孔火次，程序能实现镦粗后坯料高度、坯料直径、冲子形式及冲子规格等工艺参数的确定或自动选择；在芯棒拔长和马杠扩孔火次，系统可计算中间坯料的尺寸、实现马杠等辅具的自动选择，并合理分配每一火次的锻比。同时，系统在此阶段也设计有工艺参数修改的功能，用户可参考系统自动计算的结果进行修改，如图6 和图7 所示。所有的工艺参数计算结果也将和锻件图一起在程序的主界面进行显示。

图6 对话框“修改工艺参数”

图7 对话框“自行确定工艺参数”

锻造工艺卡片自动绘制

当用户完成子菜单“新建”中所有的操作时，系统后台存储了锻件所有的工艺参数结果。用户只需点击下拉式菜单中“打印锻造工艺”，系统将自动输出完整的结果，生成锻造工艺卡片，如图8 所示。对于钢锭多余的料，用户还可选择保留余料或者舍弃余料，系统将根据用户的选择进行相应的输出，保证自动设计的锻造工艺更接近实际生产的需要。

图8 自动生成锻造工艺卡片

通过大量实例的测验，程序设计的锻造工艺符合企业实际设计规范，基本满足实际生产的需要。相对于工艺人员设计锻造工艺，可提高效率几十倍甚至百倍以上，大大简化了锻造工艺设计。但就目前而言，大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统输出的计算结果与通用的CAD 软件还存在一定的接口问题。

而“系统将锻件尺寸统计系统”模块、“锻件尺寸数据处理反馈系统”模块、“锻造工艺规范人工智能系统”模块初步计划采用目前流行的“大数据”进行开发。大数据拥有大量、高速、多样、低密度价值和真实性五大特点。系统将收集各类锻件毛坯尺寸（锻造规范添加锻造余量）、锻造辅具参数、锻件成形方式、加工方式等数据，利用“大数据”对上述数据进行整理、分析、提取，实现大型锻件工艺数据的流转和共享。

结束语

大型锻件工艺数据智能化处理与优化系统把更多与产品研发相关的数据集中到一起统一管理，最大限度地提高工艺设计效率和质量，保证工艺数据能得到准确的反馈和及时的修订，有利于工艺人员有更多的时间去从事工艺改进和其他科研工作。

——本文选自《锻造与冲压》2018年第7期