李正網(wǎng)

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

0 引言

面向服務(wù)的架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)是一個(gè)組件模型。它將應(yīng)用程序的不同功能單元/服務(wù)進(jìn)行拆分和組合，然后通過重新定義不同單元/服務(wù)之間的接口和協(xié)議，使其重新聯(lián)系起來。而把SOA應(yīng)用到計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(computer-aided process planning,CAPP)系統(tǒng)中，就是把原來基于應(yīng)用程序的CAPP系統(tǒng)拆分為不同功能單元的組件模型，通過中立的接口和協(xié)議連接起來，通過Web服務(wù)使處于異地的不同用戶可以跨語言、跨平臺、跨地域使用CAPP功能[1]?；赟OA的輕合金擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)是研究在不對現(xiàn)有系統(tǒng)作任何改變的前提下，封裝當(dāng)前的CAPP系統(tǒng)和應(yīng)用成服務(wù)，并在應(yīng)用層生成對應(yīng)的接口，用于與其他系統(tǒng)交互，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速集成。該研究通過使用標(biāo)準(zhǔn)化的架構(gòu)提升開發(fā)效率，并降低整個(gè)CAPP系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)成本。

1 輕合金擠壓鑄造及其工藝流程

擠壓鑄造是適用于力學(xué)性能和氣密性要求高的厚壁鑄件擠壓成型的一種加工方法。該方法的主要加工對象包括:汽車、摩托車鋁輪轂；發(fā)動機(jī)活塞、缸蓋、缸體、傳動箱體等；汽車各種泵體中的壓縮機(jī)、壓氣機(jī)等鋁鑄件；汽車方向軸、曲柄、車架接頭；各種儀表及電子儀器殼體件等[2]。這些部件為了輕量化的目的，大多數(shù)由鋁鎂、鋅合金、銅合金等輕合金制成。輕合金是由兩種或兩種以上密度小于或等于4.5g/cm3的金屬元素(如鋁、鎂、鈦等)熔合而成的合金。

本文研究的輕合金擠壓鑄造是汽車零配件擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)的一個(gè)分支。輕合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)，是理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料[3]。輕合金材料的應(yīng)用研究也在近年得到了迅猛發(fā)展，比如說在冶煉、加工、應(yīng)用以及裝備制造多方面都有了重大進(jìn)展，并轉(zhuǎn)化得到大量的產(chǎn)業(yè)化成果[4]。所以，本文針對輕合金的擠壓鑄造工藝流程及其特點(diǎn)進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)輕合金擠壓鑄造工藝過程可以分為4個(gè)階段，即準(zhǔn)備階段，充型階段、凝固階段和開模階段。在充型階段和凝固階段，其整個(gè)流程需要不停地調(diào)整工藝參數(shù)，通過反復(fù)驗(yàn)證和試驗(yàn)，才能最終確定最佳參數(shù)[5]。通常，為了更快地得到最佳工藝參數(shù)，還需要進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如模擬擠壓鑄造過程中的流場、溫度場推算出凝固過程中液相的分布區(qū)域和缺陷分布，以判斷工藝參數(shù)是否合理。這樣可以更快地調(diào)試出最佳的工藝參數(shù)，并得到優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)。這個(gè)過程涉及較多工藝參數(shù)，如鑄造方式選擇、腔內(nèi)件數(shù)計(jì)算、壓室容量選擇、內(nèi)澆口選擇、分型面選擇，以及充型凝固密切相關(guān)的有模具預(yù)熱溫度、合金澆鑄溫度、壓力、加壓時(shí)間、合金充型速度、保壓時(shí)間等值的設(shè)定。另外，為便于開模，還需考慮鑄型涂料選擇。當(dāng)前條件下，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)過程和數(shù)值模擬分析過程通常由不同的專業(yè)人員操作，需要安裝不同的應(yīng)用軟件，如MATLAB、Fluent等；而輔助工藝軟件多由廠商自主開發(fā)或定制，接口也是多種多樣的。所以整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)起來非常不便利，需要多次的需求驗(yàn)證和反復(fù)調(diào)試。

傳統(tǒng)輕合金擠壓鑄造工藝過程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)輕合金擠壓鑄造工藝過程

2 基于Web服務(wù)的擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)

SOA的核心是通過Web服務(wù)建立功能模塊的松耦合，使用戶不再需要依賴專用的平臺和接口，通過網(wǎng)絡(luò)即可在任何地方調(diào)用有關(guān)的服務(wù)[6]。

傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)并沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，是在產(chǎn)品增長和工藝發(fā)展的過程中不斷建立和完善的。所以在開發(fā)過程中，各功能模塊之間通常使用點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)信息傳遞和共享。該方法耦合性很強(qiáng)，難以跨系統(tǒng)使用，無法適應(yīng)當(dāng)前汽車產(chǎn)品零配件的快速更新的市場變化。因此，本文提出了基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)?；赟OA的擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層組成。

基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要包括設(shè)計(jì)工藝知識庫、推理分析知識庫和仿真執(zhí)行知識庫。由于不同應(yīng)用系統(tǒng)知識庫和數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)不同，數(shù)據(jù)訪問形式也多種多樣，因此數(shù)據(jù)的互操作性很難在數(shù)據(jù)層面上實(shí)現(xiàn)[7]。

2.2 服務(wù)層

服務(wù)層主要為企業(yè)級的上層管理系統(tǒng)提供服務(wù)。SOA平臺開發(fā)基于成熟的商業(yè)軟件Cordys。Cordys的業(yè)務(wù)流程管理套件(business process management suite,BPMS)是其運(yùn)營平臺的主要組件之一。BPMS可以讓企業(yè)對象直接控制它們的流程，從而只需在行政決策與應(yīng)用實(shí)施之間花費(fèi)極短的延遲時(shí)間。這樣可以獲得響應(yīng)更快的業(yè)務(wù)環(huán)境，并可通過持續(xù)改進(jìn)流程獲取更高的效率和效益。業(yè)務(wù)流程管理(business process management，BPM)流程引擎是BPM流程的轉(zhuǎn)化和實(shí)現(xiàn)。簡而言之，BPM流程引擎就是把外部應(yīng)用層用戶提出的需求轉(zhuǎn)化為內(nèi)部系統(tǒng)實(shí)施的業(yè)務(wù)流程的模塊。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是對外接口部門處理具體業(yè)務(wù)的平臺，由圖2可知，主要包含數(shù)據(jù)控制、資源控制和工藝控制三大類業(yè)務(wù)。具體對象指服務(wù)資源和數(shù)據(jù)內(nèi)容的導(dǎo)入和控制、工藝知識規(guī)范數(shù)據(jù)的導(dǎo)入控制以及具體工藝流程信息，工藝卡片的生成調(diào)度和控制等，分別實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的子模塊調(diào)度，以及主數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的服務(wù)創(chuàng)建和更新。主數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和更新包含服務(wù)資源、工藝數(shù)據(jù)等主要數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、修改和更新。

3 基于SOA的CAPP應(yīng)用實(shí)施

3.1 基于SOA的智能協(xié)作

基于SOA的CAPP系統(tǒng)在整合現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上，整合了傳統(tǒng)工藝流程中的不同步驟，通過重新建立工作流程，構(gòu)建了集成化、一體化的綜合服務(wù)平臺。

基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)應(yīng)用如圖3所示。

圖3 基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)應(yīng)用

整個(gè)CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用和實(shí)施分為系統(tǒng)設(shè)施層、數(shù)據(jù)集成層和服務(wù)集成層。

①系統(tǒng)設(shè)施層。該層是基礎(chǔ)的軟硬件平臺，是基于SOA的CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐。

②數(shù)據(jù)集成層。該層主要整合現(xiàn)有的汽車零件知識庫、擠壓鑄造知識庫、模具設(shè)計(jì)知識庫、工藝知識庫、前處理數(shù)據(jù)庫、工藝過程數(shù)據(jù)庫、后處理數(shù)據(jù)庫等相關(guān)數(shù)據(jù)庫，并按照指定數(shù)據(jù)格式將其統(tǒng)一規(guī)范化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，從而構(gòu)建數(shù)據(jù)共享中心。系統(tǒng)采用企業(yè)服務(wù)總線(enterprise service bus，ESB)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和集成。

③服務(wù)集成層。該層用于集成各子功能模塊，通過portal技術(shù)統(tǒng)一訪問入口，向用戶提供統(tǒng)一認(rèn)證的交互界面，對信息實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的注冊、管理和發(fā)布。該層利用Web技術(shù)調(diào)用接口，采用ESB技術(shù)集成服務(wù)、通過內(nèi)外部服務(wù)與集成平臺之間的服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各子系統(tǒng)間互聯(lián)和協(xié)同管理。

基于SOA的CAPP系統(tǒng)主要是把原來松耦合的一些CAPP工藝所需的模塊有機(jī)合成到一個(gè)系統(tǒng)中，根據(jù)匹配歷史知識庫和不斷學(xué)習(xí)增加新的知識庫，使系統(tǒng)的工藝知識越來越豐富，并把新的知識反向應(yīng)用到人機(jī)交互的工藝建立過程中。在實(shí)際的工藝建立過程中，不同的工藝階段對應(yīng)不同的角色和負(fù)責(zé)人員。整個(gè)工藝系統(tǒng)會整合不同階段的輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)了制造過程中不同階段的智能協(xié)作，從而推進(jìn)整個(gè)工藝流程越來越便捷和高效，使生成的工藝也更加合理和科學(xué)。

3.2 基于SOA的CAPP服務(wù)集成

整個(gè)流程以業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入為入口，基于在線提交的客戶意向，根據(jù)難度和所需資源的復(fù)雜度提供報(bào)價(jià)，經(jīng)過和客戶協(xié)商，最終同意生成訂單。系統(tǒng)根據(jù)訂單中的模塊調(diào)用所需資源并動態(tài)生成用戶的Web入口[8]。用戶通過頁面進(jìn)入設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)階段需要用戶輸入有關(guān)的工藝參數(shù)。缺乏經(jīng)驗(yàn)的用戶系統(tǒng)會根據(jù)工藝庫中推薦的工藝輔助客戶生成工藝。工藝設(shè)計(jì)階段需要填寫很多CAPP相關(guān)的工藝參數(shù)，如預(yù)熱溫度、澆鑄溫度、加壓時(shí)間等。在工藝驗(yàn)證階段，系統(tǒng)會根據(jù)客戶訂單提交的仿真模塊需求，動態(tài)調(diào)入仿真頁面輔助，從而輔助用戶分析所生成的工藝，如速度場模擬、溫度場模擬、凝固分析等[9]。采用仿真分析，由機(jī)器和人工評估工藝是否通過。通過后生成工藝報(bào)告。工藝設(shè)計(jì)過程中所提交的工藝等信息經(jīng)過系統(tǒng)處理，生成工藝過程卡或工藝附圖等用于現(xiàn)場指導(dǎo)生產(chǎn)。其輸出包括電子版本的工藝過程卡片及有關(guān)的附圖資料。在工藝報(bào)告歸檔前，系統(tǒng)會再進(jìn)行一次內(nèi)部的專家評級(分別從時(shí)效、可加工性、安全性、先進(jìn)性等方面打分評估)。假如評級≥B級標(biāo)準(zhǔn)，則歸入標(biāo)準(zhǔn)庫，用于機(jī)器學(xué)習(xí)，后續(xù)會作為推薦庫推薦給用戶使用；否則，歸入備選庫，后續(xù)僅用于檢索和用戶參考。

基于SOA的CAPP服務(wù)集成如圖4所示。

圖4 基于SOA的CAPP服務(wù)集成

由圖4可知，基于SOA的CAPP服務(wù)是工藝檢索服務(wù)、輔助分析服務(wù)、工藝仿真服務(wù)、工藝生成服務(wù)、工藝評估服務(wù)等不同應(yīng)用層服務(wù)的有機(jī)集成。用戶無需分別調(diào)用不同服務(wù)，而是由系統(tǒng)根據(jù)用戶平時(shí)操作習(xí)慣，依據(jù)客戶意向單中填寫需要獲取的工藝模式和輔助分析類型自動生成Web接口。系統(tǒng)向?qū)降刈詣酉蛱峁┯脩粝胍墓に噮?shù)輸入和調(diào)整接口、擠壓過程模擬結(jié)果和分析、工藝生成和評估結(jié)果等界面。

4 實(shí)例研究

鋁合金輪轂?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。以該汽車輪轂鑄件為樣件，分析基于SOA的輕合金擠壓鑄造的CAPP系統(tǒng)的實(shí)施。其中：輪輞直徑為432 mm；輪輞高度為178 mm；所采用的材料為A356鋁合金。

圖5 鋁合金輪轂?zāi)Ｐ?/p>

輪轂的擠壓鑄造工藝的鑄造模具通常選用H13模具鋼。擠壓鑄造過程中，在爐內(nèi)氣體壓力的作用下，金屬液由升液管經(jīng)內(nèi)澆口低速平穩(wěn)地充填型腔；隨后增壓保壓，使鑄件在壓力下凝固；接著卸壓;最后開模，取出工件。以下使用基于SOA的CAPP系統(tǒng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證分析[10]。

4.1 系統(tǒng)開發(fā)

整個(gè)系統(tǒng)采用Cordys BOP 4平臺，基于WS-AppServer開發(fā)。WS-AppServer是Web Service Application Server的簡稱，是Cordys平臺中基于數(shù)據(jù)庫的Java業(yè)務(wù)邏輯開發(fā)層。

WS-AppServer可以方便地通過連接池訪問數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)海量擠壓工藝數(shù)據(jù)庫的訪問和維護(hù)。它能夠基于BPM流程生成對應(yīng)的表單，并產(chǎn)生Java基礎(chǔ)代碼。用戶可以基于代碼增刪獨(dú)立的邏輯作為新的Java方法，并發(fā)布成Web服務(wù)。此外，WS-AppServer可以與XForm緊密集成，生成圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)接口，使后端邏輯控制方便地在前端展現(xiàn)。

4.2 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是設(shè)定以下參數(shù)和方法。

①模具預(yù)熱溫度。模具預(yù)熱溫度的高低和鑄件質(zhì)量以及鑄型壽命密切。預(yù)熱溫度過低時(shí)，合金液在注入型腔后凝固的速度會過快，在加壓保壓前就固化成較厚的結(jié)晶硬殼，影響最終的成型效果; 預(yù)熱溫度過高，則會增加鑄型的熱應(yīng)力，易造成金屬液與型腔表面粘結(jié)，導(dǎo)致鑄型壽命降低[11]。系統(tǒng)根據(jù)材料參數(shù)推薦預(yù)熱溫度為240～250 ℃。因此，本設(shè)計(jì)的設(shè)定值為245 ℃。

②合金澆鑄溫度。合金澆鑄溫度一般選擇比合金液相線溫度高50～100 ℃。所以根據(jù)系統(tǒng)推薦設(shè)定為680 ℃。

③壓力。在保證鑄件成型質(zhì)量的前提下，壓力應(yīng)盡量取較低值。對于A356材料，系統(tǒng)建議壓力范圍應(yīng)在 60～150 Mpa。實(shí)際設(shè)定值選取壓力低值的三分之一區(qū)域，為90 MPa。

④加壓時(shí)間。加壓時(shí)間不能過長，否則會導(dǎo)致鑄件的強(qiáng)度和伸長率都降低。通常應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)加壓至目標(biāo)值。系統(tǒng)推薦該時(shí)間為 50～100 ms。實(shí)際設(shè)定選擇中值為75 ms。

⑤合金充型速度。充型速度過快會導(dǎo)致液態(tài)金屬產(chǎn)生渦流卷入氣體。該氣體假如滯留在鑄件中，會導(dǎo)致鑄件在后續(xù)熱處理工藝過程中產(chǎn)生氣泡。充型速度過慢則會導(dǎo)致合金熔液會因短時(shí)間凝固量過大而不能充滿型腔。根據(jù)系統(tǒng)推薦值0.1～0.3 m/s，選擇中值為0.2 m/s。

⑥保壓時(shí)間。保壓時(shí)間主要根據(jù)鑄件的厚度而定，應(yīng)控制在鑄件能夠完全凝固時(shí)為宜。保壓時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)推薦設(shè)定為30 s。

⑦模具材料。模具型芯和鑲塊的材料為H13模具鋼。模架材料選擇為普通的45鋼。除以上部分，需要淬火的零部件材料為T10A。

⑧分型面的選擇。根據(jù)輪轂的形狀選擇組合分型面類型。受鑄件結(jié)構(gòu)的制約，除了橫向縱向上的分型，還包含側(cè)抽芯上的一個(gè)成型型芯。開模時(shí)，要求先開模后抽芯。合模時(shí)，要求先側(cè)型芯回位再合模。這種分型面選擇設(shè)計(jì)不僅需要參考系統(tǒng)推薦，還需要人工優(yōu)化。

基于Web的輪轂人機(jī)交互工藝設(shè)計(jì)接口可以方便地填寫和設(shè)定關(guān)鍵的工藝參數(shù)，并自動生成相關(guān)的擠壓工序。

根據(jù)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，在澆注溫度 680 ℃、模具預(yù)熱溫度 245 ℃、沖頭速度 0.2 m/s、保壓壓力90 MPa 的條件下，以加壓時(shí)間75 s、保壓時(shí)間30 s作為主要的工藝參數(shù)，進(jìn)入工藝仿真和驗(yàn)證階段。

4.3 工藝驗(yàn)證

傳統(tǒng)的CAPP設(shè)計(jì)軟件并不具備仿真能力，所以編制出的工藝只能通過真實(shí)的擠壓鑄造加工過程來驗(yàn)證，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而CAPP工藝的數(shù)值模擬涉及多種專業(yè)軟件，如UGNX用于逆向設(shè)計(jì)、NASTRAN軟件用于有限元結(jié)構(gòu)分析、ANSYS FLUENT用于流體分析等。一般的用戶難以掌握這么多軟件，并以其實(shí)現(xiàn)工藝的仿真和驗(yàn)證。

基于SOA的CAPP系統(tǒng)解決了這個(gè)難題。它使用戶只需通過網(wǎng)頁調(diào)用分析插件并輸入簡單的參數(shù)，即可獲得分析結(jié)果。實(shí)際工藝制定中會進(jìn)行更多、更詳盡的分析和驗(yàn)證，包含充型過程和凝固過程中的溫度場、速度場、熱應(yīng)力分析等。鑒于篇幅限制，本文僅對以上工藝作充型過程的溫度場模擬和驗(yàn)證作為示例。

通過Web頁面，系統(tǒng)可以調(diào)用溫度場模擬接口。這是通過Web Service方式調(diào)用和實(shí)現(xiàn)的。其fluent模型顯示可以通過在后臺Java腳本中運(yùn)行fluent內(nèi)部命令，從而讀取fluent的case和data文件的方法實(shí)現(xiàn)。通過軟件，可以看到輪轂擠壓鑄造澆注充型過程的溫度模擬。在工藝參數(shù)輸入為澆注溫度 680 ℃、模具預(yù)熱溫度 245 ℃、沖頭速度0.2 m/s、保壓壓力90 MPa的條件下，型腔剛剛充滿到100%時(shí)的溫度場模擬?？稍谀M中判斷溫度分布，不同的顏色對應(yīng)不同的溫度，顏色的變化對應(yīng)溫度的變化。金屬液由底部中心的澆道注入型腔，沿著模具輪廓對型腔進(jìn)行填充。填充過程中，金屬液先在輪轂底邊對接處匯合；前端溫度較低的金屬液因?yàn)楹瑲廨^多、夾雜較多而質(zhì)量欠佳，會被收集到此處的溢流槽中。金屬液以層疊的方式進(jìn)行充型，把型腔中的氣體從上部逐層排放到輪圈邊緣的溢流槽中。通過基于Web的溫度場模擬可知，在充型到100%的時(shí)刻，金屬液體溫度跨度比較穩(wěn)定，充型狀態(tài)良好。整個(gè)充型過程中溫度變化平穩(wěn)，沒有過高或者過低的溫度點(diǎn)；型腔充滿時(shí)，整個(gè)型腔溫度分布均勻，沒有形成過大的溫差。

4.4 結(jié)果分析

通過充型溫度場的驗(yàn)證分析可以看出，在工藝條件(澆注溫度 680 ℃、模具預(yù)熱溫度 245 ℃、沖頭速度0.2 m/s、保壓壓力90 MPa)下充型，輪轂底部溫度為531 ℃、頂部溫度680 ℃。整體上看：鑄件溫度平穩(wěn)、分布均勻；充型液流溫度場過度均勻，充型狀態(tài)良好；完成充型后的鑄件溫度分布均勻。

5 結(jié)論

本文借鑒了SOA的松耦合架構(gòu)?；赟OA的輕合金擠壓鑄造CAPP系統(tǒng)可以將各個(gè)原子化的業(yè)務(wù)、設(shè)計(jì)、仿真、歸檔等服務(wù)進(jìn)行重新整合使用，能大大減少工藝反復(fù)驗(yàn)證和調(diào)試的時(shí)間，提高汽車零配件擠壓鑄造CAPP的效率；能夠幫助相關(guān)企業(yè)快速實(shí)現(xiàn)CAPP業(yè)務(wù)流程的變更，迅速適應(yīng)市場的變化。這種方法能將應(yīng)用程序的不同功能單元或者服務(wù)進(jìn)行拆分和重新組合，并通過標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的接口和協(xié)議將它們有機(jī)地聯(lián)系起來。該方法使企業(yè)能夠快速地對相關(guān)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行重組和調(diào)整，在很大程度減少了系統(tǒng)升級、維護(hù)的成本，也節(jié)約了系統(tǒng)二次開發(fā)的成本。企業(yè)因此能夠更快地適應(yīng)汽車相關(guān)產(chǎn)品瞬息萬變的市場需求。