軸承套圈鍛輾成形工藝CAPP系統(tǒng)研發(fā)

姜雪，時大方，錢東升

（1.武漢理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.浙江天馬軸承股份有限公司，浙江 湖州 313000）

我國現(xiàn)行的軸承套圈鍛輾成形以先熱鍛制坯再輾擴(kuò)成形為主，普遍采用單鍛和套鍛工藝。套圈鍛輾成形是一種高精、高效、節(jié)能的生產(chǎn)工藝，但傳統(tǒng)的成形工藝尤其是套鍛工藝由于設(shè)計(jì)復(fù)雜、工藝流程長、計(jì)算量大、對技術(shù)設(shè)計(jì)員的依賴性大，存在效率低、難以保證設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量、延誤新產(chǎn)品的開發(fā)等問題。運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)CAPP技術(shù)可避免人工設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減輕對經(jīng)驗(yàn)的依賴，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，推進(jìn)軸承套圈鍛輾工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAPP技術(shù)在軸承領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。文獻(xiàn)［1］利用成組技術(shù)開發(fā)了軸承套圈CAPP系統(tǒng)；文獻(xiàn)［2-6］開發(fā)了針對滾動軸承磨加工工藝和熱處理工藝的軸承CAD/CAPP系統(tǒng)；文獻(xiàn)［7-9］開發(fā)了滾動軸承CAPP系統(tǒng)和精密微型軸承CAPP系統(tǒng)；文獻(xiàn)［10］開發(fā)了軋機(jī)用四列圓錐滾子軸承CAD/CAPP系統(tǒng)等等。已開發(fā)的CAPP系統(tǒng)大多局限于檢索式，停留在應(yīng)用層面，對軸承工藝具體設(shè)計(jì)方面的研究不夠，不利于新產(chǎn)品的開發(fā)；或針對單一產(chǎn)品類型的軸承，缺乏通用性和普適性。

鑒于此，針對軸承套圈鍛輾成形工藝，以Auto CAD為平臺，利用Visual Basic 6.0語言和Sql Server 2005數(shù)據(jù)庫軟件，開發(fā)出了集檢索、設(shè)計(jì)、文件生成和數(shù)據(jù)管理等功能于一體的軸承套圈鍛輾成形工藝CAPP系統(tǒng)。

1 軸承套圈鍛輾工藝CAPP系統(tǒng)

套圈鍛輾成形工藝CAPP系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行框架如圖1所示，主要包括3大模塊：工藝過程設(shè)計(jì)模塊，主要完成套圈鍛輾工藝的設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)庫管理模塊，主要完成不同類型軸承套圈的零件參數(shù)和工藝參數(shù)的存儲與編輯；工藝文件輸出模塊，主要完成CAD格式工藝卡片的生成。3個模塊之間功能相對獨(dú)立，在設(shè)計(jì)套圈鍛輾工藝時相互參照、相互協(xié)調(diào)，由數(shù)據(jù)文件在3個模塊中傳遞信息，實(shí)現(xiàn)各模塊的集成。

圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行框架圖Fig.1 Whole structure and operation framework of system

進(jìn)入系統(tǒng)首先進(jìn)行身份驗(yàn)證，管理員才有權(quán)限修改系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)的安全性和保密性。設(shè)計(jì)模式有檢索式和創(chuàng)成式2類，檢索式設(shè)計(jì)模式可檢索數(shù)據(jù)庫中存儲的已有類型軸承套圈鍛輾成形工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，直接輸出工藝卡文件；而創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模式是根據(jù)用戶輸入的零件信息，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相關(guān)參數(shù)，自動決策、計(jì)算出所需鍛輾成形工藝的過程數(shù)據(jù)，并將新零件信息、工藝數(shù)據(jù)和文件自動保存到數(shù)據(jù)庫中，便于以后的檢索使用。

1.1 工藝過程設(shè)計(jì)模塊

工藝過程設(shè)計(jì)模塊主要采用綜合式設(shè)計(jì)方法和正反向混合推理機(jī)制，既可根據(jù)輸入的信息進(jìn)行檢索，又可進(jìn)行邏輯判斷，根據(jù)輸入的信息和數(shù)據(jù)庫中的鍛件余量公差表自動計(jì)算出鍛件尺寸，再以鍛件為出發(fā)點(diǎn)，確定毛坯、擴(kuò)孔和下料等其他工序，完成該零件整個鍛輾工藝過程的設(shè)計(jì)。

1.1.1 窗口界面層設(shè)計(jì)

由于CAPP系統(tǒng)中涉及的軸承類型較多，為了界面顯示簡潔清晰，在設(shè)計(jì)界面時除使用常用的標(biāo)準(zhǔn)控件外，還使用了treeview控件，將單鍛和套鍛工藝各工序都設(shè)置為treeview控件的節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的單擊操作都會響應(yīng)相應(yīng)工序設(shè)計(jì)界面的顯示，用戶在操作過程中能自由查看各工序設(shè)計(jì)具體內(nèi)容。并將ImageList控件、Image控件和OptionButton控件結(jié)合，先將畫好的各類型套圈示意圖添加到ImageList控件的屬性中，然后用數(shù)組的方式控制與OptionButton控件選擇的套圈類型相對應(yīng)的套圈示意圖和成品參數(shù)的顯示。其中套圈示意圖通過Image控件顯示。成品參數(shù)則根據(jù)套圈類型的不同改變標(biāo)簽控件和文本框控件的Visible和Caption屬性，以達(dá)到同步改變的顯示效果，節(jié)省界面空間，減少系統(tǒng)界面數(shù)量，盡可能占用最低限度的資源。

1.1.2 系統(tǒng)邏輯層構(gòu)建

系統(tǒng)邏輯層是CAPP系統(tǒng)功能的核心，主要分為2方面：一是建立可客觀描述和反映實(shí)際生產(chǎn)過程的基本對象模型；二是建立可提供生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方法的動態(tài)功能模型。在對套圈鍛輾生產(chǎn)過程的面向?qū)ο蠓治鲋螅_定套圈鍛輾過程的各個工序?qū)ο蠹凹庸?shù)。通過實(shí)際調(diào)研和大量分析，可將套圈鍛輾工藝每一工序主要參數(shù)記錄下來便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，例如單鍛工藝各工序主要參數(shù)記錄見表1。

表1 套圈單鍛工藝各工序參數(shù)Tab.1 Parameters for each process of single forging process for ring

動態(tài)功能模型是在基本對象模型上的工藝設(shè)計(jì)方法與原則，實(shí)質(zhì)是指按照一定的規(guī)則來給所需的各個工藝參數(shù)賦值。本系統(tǒng)將各類型套圈單鍛工藝和套鍛工藝的設(shè)計(jì)公式、參數(shù)選取和工藝決策等進(jìn)行了歸納總結(jié)并將其程序化、自動化，從而建立了動態(tài)功能模型，其中創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模式下單鍛和套鍛工藝設(shè)計(jì)原理分別如圖2、圖3所示。與大部分CAPP系統(tǒng)不同的是，其除了可根據(jù)內(nèi)置工藝決策規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，還允許用戶通過交互的方式根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和需求情況對知識庫中部分經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行修改，如擴(kuò)孔比、壓平量和長徑比等，極大地增加了系統(tǒng)的柔性。

圖2 單鍛工藝設(shè)計(jì)原理Fig.2 Design principle of single forging process

圖3 套鍛工藝設(shè)計(jì)原理Fig.3 Design principle ofmultiple forging process

1.2 數(shù)據(jù)庫管理模塊

系統(tǒng)采用Sql Server 2005數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，開發(fā)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲層，而不是把數(shù)據(jù)嵌入在程序中，有利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，方便數(shù)據(jù)的更新、共享和添加，達(dá)到了將邏輯決策與數(shù)據(jù)分開的目的，提高了系統(tǒng)的開放性，同時以CAPP系統(tǒng)程序作為客戶端，搭建了C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用3層C/S架構(gòu)，從上到下依次為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層，其兩兩間的詳細(xì)關(guān)系如圖4所示。采用3層C/S架構(gòu)除了方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、后續(xù)工藝數(shù)據(jù)的擴(kuò)充以外，還可以使系統(tǒng)的整體性能得到很大改善，將降低套圈鍛輾成形工藝CAPP系統(tǒng)對客戶端硬件配置的要求。

圖4 C/S結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of C/S

1.2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)表的建立

套圈鍛輾成形工藝CAPP系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表主要分為3大類：1）產(chǎn)品數(shù)據(jù)表，如深溝球軸承外圈參數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2；2）為創(chuàng)成式設(shè)計(jì)提供必要數(shù)據(jù)的技術(shù)條件數(shù)據(jù)表，包括鍛件余量公差、形位公差、傾斜度等技術(shù)條件數(shù)據(jù)表，如某型軸承內(nèi)圈鍛件余量公差部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3；3）工藝參數(shù)表，主要是存儲已有型號軸承套圈的鍛輾成形各加工工序的工藝數(shù)據(jù)。工藝數(shù)據(jù)的存儲是系統(tǒng)的一個重要組成部分，需要將鍛輾成形工藝過程中各工藝實(shí)體分別在不同關(guān)系表中進(jìn)行存儲，然后設(shè)置內(nèi)外鍵在各個關(guān)系表中建立聯(lián)系。

表2 深溝球軸承外圈零件參數(shù)表Tab.2 Parameters table for outer ring of deep groove ball bearing

表3 內(nèi)圈鍛件余量公差表Tab.3 Allowance and tolerance table for inner ring forgings mm

1.2.2 數(shù)據(jù)表的管理

為了便于用戶使用過程中更直觀地操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，利用Visual Basic建立數(shù)據(jù)庫操作界面，如圖5所示，該界面允許客戶端檢索和編輯數(shù)據(jù)庫，用戶可選擇數(shù)據(jù)庫中任一數(shù)據(jù)表，并對其進(jìn)行檢索、添加、修改、刪除等操作。用戶每進(jìn)行一次操作都會產(chǎn)生一個SQL語句送往數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫執(zhí)行SQL語句完成對應(yīng)數(shù)據(jù)的更改。

圖5 數(shù)據(jù)庫操作界面Fig.5 Operation interface of database

1.3 工藝文件輸出模塊

CAPP系統(tǒng)除了以界面的形式輸出工藝設(shè)計(jì)結(jié)果外，還集成了AutoCAD模塊，能自動生成規(guī)范的工藝文件，方便用戶查看重要設(shè)計(jì)參數(shù)。工藝卡文件的生成首先需要在AutoCAD平臺上建立采用單鍛工藝和套鍛工藝時不同類型軸承套圈零件的工藝卡模板，主要包括表頭、鍛件圖、部分工藝設(shè)計(jì)參數(shù)等，然后將這些工藝卡模板存放在DWG文件數(shù)據(jù)庫中，最后將程序計(jì)算得到的相應(yīng)參數(shù)值和查詢得到的各個技術(shù)條件插入到模板相應(yīng)位置，完成工藝卡的自動輸出。

2 軸承套圈單鍛工藝應(yīng)用實(shí)例

以圓柱滾子軸承NJ2220E內(nèi)圈為例，運(yùn)行CAPP系統(tǒng)以創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模式完成其單鍛工藝的設(shè)計(jì)。在樹狀瀏覽器（圖6）中選擇單鍛工藝，NJ2220E內(nèi)圈相應(yīng)參數(shù)顯示如圖7所示，其鍛件設(shè)計(jì)界面如圖8所示，系統(tǒng)自動完成其他工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)，并生成相應(yīng)工藝卡，如圖9所示。用戶可通過圖6中的樹狀瀏覽器選擇查看具體工序內(nèi)容，如輾擴(kuò)過程如圖10所示。實(shí)踐表明，運(yùn)用該套圈鍛輾成形工藝CAPP系統(tǒng)可以輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果合理，操作簡單，提高了設(shè)計(jì)效率。

圖6 樹狀瀏覽器Fig.6 Tree browser

圖7 單鍛零件參數(shù)輸入界面Fig.7 Parameter input interface for single forging parts

圖8 單鍛鍛件設(shè)計(jì)界面Fig.8 Forging design interface for single forging

圖9 CAD格式工藝卡Fig.9 Operation card in CAD format

圖10 輾擴(kuò)過程界面Fig.10 Interface for rolling process

3 結(jié)束語

依據(jù)軸承套圈鍛輾工藝設(shè)計(jì)理論，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，開發(fā)出的軸承套圈鍛輾成形工藝CAPP系統(tǒng)，達(dá)到了操作簡單直觀、實(shí)用經(jīng)濟(jì)有效的目的，同時保證了設(shè)計(jì)文件的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。但是該系統(tǒng)的通用性仍不夠，在實(shí)施階段應(yīng)根據(jù)各企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)工藝情況適當(dāng)改寫程序。從計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用層面來看，在未來可充分利用該CAPP系統(tǒng)開放性，使其多方向發(fā)展和完善，為ERP，CIMS等系統(tǒng)提供工藝數(shù)據(jù)。