成同慶 呂彥明 袁 飛 方文湛 張星星

（1.江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室 無錫 214122）

（2.無錫透平葉片有限公司 無錫 214023）

1 引言

汽輪機(jī)是將高溫蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要裝備，葉片是其核心零部件。鍛造模具是制造業(yè)中的基礎(chǔ)工藝裝備，也是大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)，常常被稱為工業(yè)之母。雖然我國已成為模鍛生產(chǎn)大國，但高技術(shù)含量鍛模仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)市場需要，模鍛行業(yè)普遍存在設(shè)計手段落后、設(shè)計制造周期長、成本高等問題［1～4］。

常用的產(chǎn)品設(shè)計方法一般可分為自底向上（Bottom-Up）和自頂向下（Top-Down）兩種［5］。與傳統(tǒng)自底向上設(shè)計方法不同的是，自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計方法強(qiáng)調(diào)在整個設(shè)計過程中從全局入手，是針對產(chǎn)品整體而言的設(shè)計理念，可分為功能設(shè)計、概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計等三個主要階段，它們兩兩之間并不是機(jī)械式的線性排列，往往相互迭代地、遞歸地交織在一起，相互之間并沒有確定的分界線存在［6］。知識工程（KBE）在1977 年第五屆國際人工智能會議上由美國斯坦福大學(xué)費(fèi)根鮑姆教授首次提出［7］，知識工程技術(shù)的核心是利用現(xiàn)有的設(shè)計知識實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的自動化過程，因此，本文提出一種基于知識的汽輪機(jī)葉片自頂向下設(shè)計方法，通過對設(shè)計過程知識的重復(fù)應(yīng)用，實現(xiàn)以知識驅(qū)動產(chǎn)品的自動化設(shè)計，提高產(chǎn)品設(shè)計效率的同時也減輕了工程設(shè)計人員的工作量。

2 鍛模設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 實現(xiàn)框架

通過對基于知識的汽輪機(jī)葉片鍛模自頂向下設(shè)計方法的研究，給出如圖1 所示的鍛模設(shè)計詳細(xì)設(shè)計步驟，實現(xiàn)從葉片鍛件出發(fā)，依據(jù)鍛模功能要求建立總體結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合設(shè)計過程知識自頂向下實現(xiàn)鍛模各部分的詳細(xì)設(shè)計。

結(jié)合知識工程內(nèi)涵，將企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計經(jīng)驗、理論和規(guī)則等知識進(jìn)行總結(jié)并歸納，依據(jù)Top-Down 設(shè)計思想，提出基于知識的汽輪機(jī)葉片鍛模自頂向下設(shè)計方法，實現(xiàn)框架如圖2 所示。該方法的應(yīng)用將大幅提高了汽輪機(jī)葉片鍛模的設(shè)計效率，也有效地避免了工程設(shè)計人員的主觀錯誤，使得鍛模設(shè)計的結(jié)果更加標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一。

圖2 實現(xiàn)框架

2.2 知識獲取

汽輪機(jī)葉片鍛模設(shè)計知識的獲取就是為了得到設(shè)計鍛模所必要的信息。知識的獲取是進(jìn)行知識工程的前提，也是進(jìn)行鍛模自頂向下設(shè)計的必要準(zhǔn)備［8］。由圖2 所示的實現(xiàn)流程可知，其知識主要來源于用戶需求、專家經(jīng)驗、設(shè)計理論、設(shè)計方法以及工程數(shù)據(jù)等，這些知識是工程設(shè)計人員的工程實踐積累，更是企業(yè)寶貴的財富。

鍛模設(shè)計的知識表示是解決如何把設(shè)計經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能夠執(zhí)行的語言，以及如何將鍛模設(shè)計所需的知識存儲在計算機(jī)中，以便重用的技術(shù)［9］。知識表示的好壞將直接決定汽輪機(jī)葉片鍛模的設(shè)計效率與質(zhì)量，通過對鍛模自頂向下設(shè)計過程模型的進(jìn)一步闡述，在從葉片鍛件產(chǎn)品出發(fā)到完成鍛模詳細(xì)設(shè)計的整個過程中，涉及到眾多知識，根據(jù)鍛模設(shè)計過程知識的用途差異，將其劃分為如圖3 所示的數(shù)學(xué)公式類、規(guī)則類、過程類以及結(jié)構(gòu)類等四個方面，方便實現(xiàn)知識的重用。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 模塊設(shè)計

汽輪機(jī)葉片鍛模模塊尺寸由具體葉片產(chǎn)品確定，由葉片鍛件產(chǎn)品計算鍛造變形力，進(jìn)一步確定鍛壓機(jī)種類和噸位，結(jié)合模座安裝形式，由程序自動確定模塊結(jié)構(gòu)與尺寸，實現(xiàn)從葉片鍛件產(chǎn)品出發(fā)，結(jié)合知識驅(qū)動模塊的設(shè)計自動化［10］。

以螺旋壓力機(jī)為例說明汽輪機(jī)葉片鍛造變形力計算以及鍛壓機(jī)噸位選擇，鍛造變形力常用公式為

式中，P1為所需的鍛造變形力（KN）；S為鍛件投影面積（cm2）；K為變形抗力系數(shù)（KN/cm2），與材料相關(guān)，其值可按表1選取。

表1 變形抗力系數(shù)K值

根據(jù)實踐經(jīng)驗，螺旋鍛壓機(jī)噸位P與鍛件所需的變形力P1存在密切聯(lián)系，同樣可由經(jīng)驗公式確定：

式中，q為變形系數(shù)，其值按鍛壓機(jī)工作情況由表2確定。

表2 變形系數(shù)q值

汽輪機(jī)葉片屬于典型的長軸類零件，曲面扭曲嚴(yán)重，鍛造過程變形量大，為保證模鍛工藝的順利進(jìn)行并提高葉片鍛件質(zhì)量，q一般取較小值，K通常取較大值。

汽輪機(jī)葉片常用的模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)和螺旋壓力機(jī)等鍛壓機(jī)的噸位選擇之間的關(guān)系可總結(jié)為

模鍛錘噸位計算：

熱模鍛壓力機(jī)噸位計算：

式中，G的單位為t；K1為模鍛錘和螺旋壓力機(jī)的噸位換算系數(shù)，K1=3500～4000；K2為熱模鍛壓力機(jī)與螺旋壓力機(jī)的噸位換算系數(shù)，對于大變形量場合取K2=1.5～2，中等變形量場合取K2=1～1.5，小變形量場合取K2=0.5～1。

3.2 飛邊槽設(shè)計

汽輪機(jī)葉片鍛件是確定飛邊槽尺寸的選擇依據(jù)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實際情況，從葉片鍛件產(chǎn)品出發(fā)計算鍛造變形力，采用噸位法確定飛邊槽尺寸，即以鍛壓機(jī)噸位選擇為依據(jù)，選擇合適的飛邊槽尺寸［11］。本文將企業(yè)中螺旋壓力機(jī)的噸位與飛邊槽尺寸對應(yīng)關(guān)系整理完畢，部分參數(shù)如表3所示。

表3 毛邊槽橋部倉部尺寸參數(shù)

3.3 鍛模壓力中心計算

由于葉片鍛件形狀的不規(guī)則性，本文根據(jù)各分力和的力矩與各分力矩和相等的力矩相等原理，計算葉片鍛造變形力中心，然后調(diào)整葉片鍛件在鍛模模塊中的位置，使鍛模壓力中心與模塊中心重合。在鍛模安裝應(yīng)用時，使鍛模模塊中心與鍛壓機(jī)滑塊打擊中心在鍛造方向上共線即可。

為計算葉片縱向鍛造變形力中心，首先在如圖4 所示的葉片鍛件圖上指定計算基準(zhǔn)線O-O，然后利用截面線a-a、b-b、c-c等為中心線劃分葉片成一個個小塊，如圖5 所示。各小塊在鍛造平面上的投影面積記為S1、S2、S3、……、Sn；各小塊的寬度為截面弦長加上橋部寬度b，記為M1、M2、M3、……、Mn；各截面的平均厚度記為N1、N2、N3、……、Nn。采用以下公式計算每小塊所需的變形力：

圖4 葉片鍛件

圖5 葉片縱向壓力中心位置確定

式中，為葉片材料在變形溫度下的流動極限，KN/cm2；可按表1 的K值選取，由于汽輪機(jī)葉片鍛造溫度較高，一般取較大值。

由式（5）可求得各小塊的變形抗力分別為P1、P2、P3、……、Pn，將它們帶入公式可求得葉片縱向變形抗力中心線與基準(zhǔn)線O-O的距離Z：

式中，Z1、Z2、Z3、……、Zn為各小塊截面線到計算基準(zhǔn)線O-O的距離。

同理，如圖6 所示，可計算橫向中心線與基準(zhǔn)線O'-O'之間的距離X。

圖6 葉片橫向壓力中心位置確定

綜上可得葉片鍛造變形力中心在葉片鍛件上的具體位置O（X，Z）。

4 自頂向下設(shè)計實現(xiàn)

二次開發(fā)程序集成到CAD 軟件上才能更加直觀地發(fā)揮價值，結(jié)合企業(yè)的實際需求，將汽輪機(jī)葉片工裝模具自頂向下設(shè)計自動化技術(shù)研究成果與UG軟件進(jìn)行集成，這也是UG二次開發(fā)的最終呈現(xiàn)形式［12～13］。

考慮到VS2010 在個性化、可視化以及穩(wěn)健性和可靠性等方面的優(yōu)勢，本文基于VS2010 開發(fā)平臺，利用MFC 制作用戶界面，借助C++語言完成與UG 軟件之間的各種交互操作，實現(xiàn)汽輪機(jī)葉片鍛模自頂向下設(shè)計的自動化過程。

4.1 鍛模模塊設(shè)計

在鍛造變形力計算和鍛壓機(jī)選取完成后，進(jìn)一步在如圖7 所示的用戶界面上選擇模塊安裝形式，得到鍛模的總體結(jié)構(gòu)模型。再根據(jù)確定的鍛壓機(jī)噸位訪問模塊尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)表，得到1100RL 葉片所需的模塊尺寸參數(shù)序列，此時選擇“模塊詳細(xì)參數(shù)”按鈕可查看模塊具體的尺寸參數(shù)，如圖8 所示。實現(xiàn)由葉片鍛件產(chǎn)品出發(fā)，根據(jù)鍛壓機(jī)和模座種類等設(shè)計知識驅(qū)動模塊的自動化設(shè)計。

圖7 選擇模座安裝類型

圖8 模塊詳細(xì)參數(shù)

4.2 截面線設(shè)定

鍛模壓力中心由葉片鍛造變形力中心確定，旨在降低鍛造偏心載荷，減輕鍛壓機(jī)和鍛模的非正常磨損［14］。截面線的設(shè)定是鍛模壓力中心計算的重要基礎(chǔ)，截面線越多則計算精度越高，但效率便相對較低。本文提供兩種葉片鍛件截面線的布置方式，即固定距離布置和固定數(shù)目布置，如圖9所示。

圖9 截面線布置方式

圖10 1100RL葉片模塊詳細(xì)設(shè)計

葉片總長可通過訪問葉片參數(shù)數(shù)據(jù)表得知，如采用固定數(shù)目的截面線布置方法，通過在對話框上指定截面線數(shù)量，由式（7）可計算截面線之間的距離d，程序從葉根底部到葉冠頂部等距布置N條截面線。同理，若采用固定距離的截面線布置方法，則指定兩截面線間距d，由式（8）計算分布的截面數(shù)，程序從葉根底部到葉冠頂部等距布置N條截面線。

5 二次開發(fā)應(yīng)用實例

汽輪機(jī)葉片模具自頂向下自動化設(shè)計系統(tǒng)，使設(shè)計過程更加快速便捷，設(shè)計結(jié)果更加標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，也大幅減輕了工程設(shè)計人員的工作量［15］。以圓弧榫齒葉片1100RL為例具體展示該技術(shù)的應(yīng)用。

根據(jù)鍛模設(shè)計菜單依次執(zhí)行，首先得到如圖1所示的模塊詳細(xì)設(shè)計。

點擊“壓力中心計算”，顯示選定葉片鍛件的鍛造變形力中心坐標(biāo)O（X，Z），點O在鍛模上的對應(yīng)點即為鍛模壓力中心點。1100RL 葉片鍛件的鍛造變形力中心計算結(jié)果如圖11 所示。最終生成如圖12所示的飛邊槽和葉片鍛件構(gòu)成的鍛模切割體。

圖11 鍛造變形力中心計算

圖12 完成飛邊槽設(shè)計

根據(jù)葉片鍛件變形抗力中心計算結(jié)果，調(diào)整葉片鍛件在模塊中的位置，使鍛模壓力中心與模塊中心重合，用葉片熱鍛件和飛邊槽組成的切割體切割鍛模，完成鍛模上、下模如圖13所示。

圖13 1100RL葉片鍛模

6 結(jié)語

針對傳統(tǒng)汽輪機(jī)葉片鍛模設(shè)計方法的不足，基于Top-Down思想，運(yùn)用知識工程內(nèi)涵，歸納企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計經(jīng)驗、理論以及規(guī)則等知識，提出基于知識的汽輪機(jī)葉片鍛模自頂向下設(shè)計方法。主要內(nèi)容有：

1）基于知識的汽輪機(jī)葉片鍛模自頂向下設(shè)計詳細(xì)步驟，分別對鍛造變形力計算、鍛壓機(jī)選擇、飛邊槽設(shè)計以及壓力中心計算等進(jìn)行細(xì)致的研究，總結(jié)歸納設(shè)計過程知識，并對設(shè)計過程進(jìn)行知識建模。

2）對基于知識的汽輪機(jī)葉片鍛模自頂向下設(shè)計過程進(jìn)行UG 二次開發(fā)，詳細(xì)說明開發(fā)過程。最終實現(xiàn)從葉片鍛件出發(fā)，依據(jù)鍛模功能要求，結(jié)合知識自頂向下完成鍛模各部分的詳細(xì)設(shè)計，得到鍛模上、下模。

3）基于知識的汽輪機(jī)葉片鍛模自頂向下設(shè)計系統(tǒng)已應(yīng)用于企業(yè)的實際設(shè)計生產(chǎn)過程中，提高了產(chǎn)品設(shè)計的效率，但在知識的通用方面有待進(jìn)一步完善。