曹小平，陳 磊，郝貴欣

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西 西安710100）

0 引言

在對液體火箭發(fā)動機(jī)推力室噴管擴(kuò)張段旋壓成形過程中使用的模具進(jìn)行設(shè)計時，通常要根據(jù)產(chǎn)品圖紙要求并結(jié)合以前設(shè)計的模具實例，還要查閱大量的手冊和公式進(jìn)行相關(guān)計算，工作量較大。根據(jù)推力室噴管結(jié)構(gòu)分析，噴管型面是由數(shù)據(jù)點擬合的樣條曲線構(gòu)成的型面，不同的噴管其型面擬合數(shù)據(jù)點不同，但零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似度非常高，從而導(dǎo)致旋壓模具在設(shè)計過程中的重復(fù)性和反復(fù)性較多。

本文針對噴管擴(kuò)張段的特點，研究了噴管擴(kuò)張段的旋壓模具智能設(shè)計技術(shù)，建立了旋壓模具智能設(shè)計系統(tǒng)，減少旋壓模具的重復(fù)設(shè)計，提高設(shè)計效率，從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1 智能設(shè)計系統(tǒng)需求分析

為減少旋壓模具的重復(fù)設(shè)計，提高旋壓工藝的設(shè)計效率，通過對噴管的結(jié)構(gòu)分析、旋壓工藝參數(shù)分析以及旋壓模具的分析，噴管擴(kuò)張段旋壓成形模具智能設(shè)計系統(tǒng)需具備以下主要功能：

1）智能設(shè)計功能。在設(shè)計時，能夠根據(jù)輸入的產(chǎn)品參數(shù)，尤其是曲母線參數(shù)以及其他的相關(guān)控制參數(shù)，自動完成旋壓模具的設(shè)計過程，輸出可直接用于加工的二維和三維模型。

2）旋壓關(guān)鍵工藝參數(shù)的輔助設(shè)計功能。能夠根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)輔助設(shè)計人員確定旋壓毛坯的參數(shù)、旋壓道次的劃分、旋壓力的大小和旋壓關(guān)鍵工藝參數(shù)。

3）知識查詢功能。在設(shè)計過程中可以查詢系統(tǒng)的專家知識，包括旋壓成形專家知識和旋壓模具設(shè)計專家知識，從而使用戶明白系統(tǒng)設(shè)計旋壓模具的流程和理論依據(jù)。

針對系統(tǒng)的功能需求，通過MFC和UG二次開發(fā)技術(shù)將旋壓關(guān)鍵工藝參數(shù)和旋壓設(shè)計知識集成在系統(tǒng)中，再結(jié)合參數(shù)化技術(shù)將旋壓模具模型全部參數(shù)化。旋壓模具錐形件模型參數(shù)化可以通過文獻(xiàn) [1]的方法實現(xiàn)，但對于異形件旋壓模具其旋壓胎體由樣條曲線生成的情況，只能通過MFC和UG二次開發(fā)技術(shù)以數(shù)據(jù)庫的形式實現(xiàn)模型的參數(shù)化，其樣條曲線參數(shù)化流程如圖1所示。

圖1 樣條曲線參數(shù)化流程Fig.1 Flow chart to parameterize the spline curve

2 旋壓模具智能設(shè)計分析

2.1 噴管結(jié)構(gòu)分析

液體火箭發(fā)動機(jī)噴管擴(kuò)張段是通過旋壓形成噴管毛坯件，再通過一系列的機(jī)械加工而成型。所以噴管旋壓工藝過程中形成的僅僅是毛坯件，旋壓過程中涉及噴管的形狀一般為錐形件和異形件，如圖2所示。錐形件為三角錐形，根據(jù)該類噴管的特點，其設(shè)計變量包含零件小端直徑D、零件半角α、零件長度L、零件端面孔d和零件的厚度t，故錐形產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)為：

圖2 旋壓產(chǎn)品形狀Fig.2 Shapes of spinning products

異形噴管型面是由曲母線數(shù)據(jù)點擬合而成的不等壁厚零件，其變量包括了有限的數(shù)據(jù)點Y1={y1,y2,y3,…，yn}（n為常數(shù)），零件端面孔直徑d和壁厚t（yn），故異形產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)示為：

2.2 噴管旋壓工藝參數(shù)分析

旋壓過程中形成的僅是毛坯件，包含有較多的旋壓工藝參數(shù)，這些參數(shù)直接影響噴管旋壓的質(zhì)量，具體的輔助工藝參數(shù)有旋壓毛坯參數(shù)、旋壓道次、旋壓力和關(guān)鍵工藝參數(shù)。

2.2.1 旋壓毛坯參數(shù)

用板坯強(qiáng)力旋壓成一般錐形件時，外形常采用便于旋壓的圓形板，并且在旋壓過程中產(chǎn)品的壁厚tf與毛坯的厚度t及半錐角α之間存在正旋律關(guān)系：

根據(jù)旋壓過程中體積不變原理和正旋律可以知道，圓板坯的直徑D0可按下式計算：

式中：D0為旋壓件直徑理論計算值，mm；Δ為工藝余量，mm。

2.2.2 旋壓道次

強(qiáng)力旋壓的主要工藝性能指標(biāo)之一是以產(chǎn)品壁厚減薄率ψt來表征，即

式中：t0為毛坯壁厚，mm；tf為產(chǎn)品壁厚，mm。對于金屬材料的可旋性定義可表征為材料在破裂前所能承受的極限壁厚減薄率ψtmax，即

式中：t0為毛坯壁厚，mm；tfmin為產(chǎn)品破裂前極限壁厚，mm。

當(dāng)零件性能指標(biāo)所要求的壁厚減薄率超過工藝上的合理數(shù)值時，就要采用多道次旋壓。旋壓次數(shù)以盡可能少為原則。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和要求的不同，一般由經(jīng)驗數(shù)值確定。如總減薄率在極限減薄率50%以下的旋壓1次；總減薄率在極限減薄率50%～70%的旋壓2次；總減薄率在極限減薄率70%以上的旋壓3次或者4次。

2.2.3 旋壓力

根據(jù)資料表明，旋壓變形力F是如下一些主要影響因素的函數(shù)：

式中：t0為毛坯的厚度；σs為材料的屈服極限；ψt為毛坯的壁厚減薄率； f為旋輪每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（進(jìn)給率）；rp為旋輪的工作圓角半徑；ap為旋輪的接觸角；D為被加工零件的直徑；a為芯模的半錐角（對錐形件而言）；Δt為對正旋律的偏離程度（對錐形件而言）。

2.2.4 關(guān)鍵工藝參數(shù)

影響旋壓件制件質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有進(jìn)給率、減薄率、芯模與旋輪的間隙、主軸轉(zhuǎn)速、旋輪轉(zhuǎn)角半徑和旋輪安裝角等，見表1。

表1 主要工藝參數(shù)Tab.1 Main technological parameters

2.3 常用旋壓模具設(shè)計分析

為了完成旋壓過程，所有發(fā)動機(jī)的噴管擴(kuò)張段都需要旋壓模具輔助完成噴管旋壓。根據(jù)旋壓過程需要以及加工工藝參數(shù)，一般設(shè)計的旋壓模具主要包括尾頂、定位柱、旋壓胎（胎體）、起吊裝置、轉(zhuǎn)接盤等，如圖3所示。

圖3 噴管旋壓模具Fig.3 Spinning die for nozzle

由于噴管擴(kuò)張段具有相似性的特點，而對于旋壓模具的設(shè)計，除了工藝參數(shù)外，在結(jié)構(gòu)方面其區(qū)別在于模具的型面不同，針對錐形件其設(shè)計參數(shù)X不同，對于異形件其設(shè)計參數(shù)Y不同。故根據(jù)設(shè)計參數(shù)的不同，采用參數(shù)化的方法將旋壓模具進(jìn)行模型參數(shù)化。

3 旋壓模具智能設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用MFC和UG/Open API相結(jié)合的方式來進(jìn)行開發(fā)，利用MFC對系統(tǒng)的界面進(jìn)行設(shè)計，利用UG/Open API對旋壓模具模型進(jìn)行驅(qū)動。UG/Open API被設(shè)計成能實現(xiàn)UG與外部應(yīng)用程序之間交互的接口，使用UG/Open API編寫的應(yīng)用程序可以在兩種不同的環(huán)境下運行：內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境。這兩種環(huán)境又分別被稱為內(nèi)部模式和外部模式，內(nèi)部模式的應(yīng)用程序具有文件小、連接快的特點，通常用于對幾何模型進(jìn)行操作；外部模式更多的應(yīng)用于數(shù)據(jù)的管理而不是幾何操縱。因此，在旋壓模具設(shè)計過程中，利用外部模式對模型的數(shù)據(jù)庫和輸入?yún)?shù)進(jìn)行管理和運算，利用內(nèi)部模式對模型實現(xiàn)動態(tài)輸出。其中外部環(huán)境開發(fā)程序終止于UG軟件啟動完成時，內(nèi)部環(huán)境開發(fā)程序開始于UG軟件啟動之后。通過這樣的開發(fā)模式，使系統(tǒng)操作變得簡潔，并使模型生成過程可視化，而且降低了編程的難度，減少了工作量。

通過VC++和Access數(shù)據(jù)庫工具，采用MFC和UG/Open API相結(jié)合的方式開發(fā)了面向?qū)ο蟮暮啙嵔缑?。該界面由旋壓模具智能設(shè)計模塊、工藝參數(shù)輔助設(shè)計模塊、知識庫查詢模塊和實例查詢模塊4大部分組成，操作界面如圖4所示。

圖4 用戶界面Fig.4 Users'interface

系統(tǒng)集成了旋壓模具設(shè)計實例庫、參數(shù)庫和知識庫，將旋壓模具整個設(shè)計過程集成在一起。如圖4所示，“輸入”框是用來輸入數(shù)據(jù)的，其中“曲母線形狀”框是指待旋壓工件的形狀，曲母線為“樣條曲線”時是異形件工件，曲母線為“圓錐線”時是錐形件工件，當(dāng)選擇不同的工件時，圖形框“零件形狀”和“模具形狀”會分別顯示對應(yīng)的待旋壓工件示意圖和要生成的旋壓模具示意圖。按鈕“樣條曲線數(shù)據(jù)”只有在選取了“樣條曲線”選項時才能使用，它是用來讀取異形件工件曲母線控制點坐標(biāo)的，讀取完成之后，用戶可以單擊“檢查數(shù)據(jù)”按鈕，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修改。完成旋壓模具智能設(shè)計功能需要輸入的數(shù)據(jù)包括工件的參數(shù)和模具的參數(shù)，其中工件的參數(shù)直接在用戶界面輸入即可，而模具的參數(shù)需要進(jìn)入“高級設(shè)置”中進(jìn)行輸入?！按_定”按鈕的主要作用是對用戶輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷所需參數(shù)化模型的編號并將它存入到全局變量，并將參數(shù)化模型所需的控制參數(shù)存入數(shù)據(jù)文件中待用?！澳Ｐ洼敵觥卑粹o是用來控制UG軟件的啟動，從而運行內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)所需參數(shù)化模型的調(diào)用、修改、更新等功能。

根據(jù)旋壓模具智能設(shè)計系統(tǒng)的需求及實現(xiàn)方法分析，其系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖如圖5所示。首先用戶選擇工件形狀，假設(shè)選擇的是異形件，即“樣條曲線”選項，就需要讀取工件曲母線的控制點坐標(biāo)，單擊用戶界面（如圖4所示）的“樣條曲線數(shù)據(jù)”按鈕，就可以讀取坐標(biāo)點文件了。由于工件是回轉(zhuǎn)體，所以曲母線控制點坐標(biāo)可以存儲為“L H”，其中L表示點到工件小端的距離，H表示該點工件內(nèi)壁的高度，存儲文件的格式為txt文件。讀取完成之后，用戶檢查讀取的數(shù)據(jù)，檢查完數(shù)據(jù)之后再輸入其他的數(shù)據(jù)。輸入完成之后單擊用戶界面的“確定”按鈕，應(yīng)用程序開始計算并確定符合要求的參數(shù)化模型編號，執(zhí)行完成會彈出提示窗口通知用戶操作完成。然后單擊用戶界面的“模型輸出”按鈕，就可以得到智能生成的旋壓模具模型了。最后用戶將生成的模型存儲到自己所需的目錄即可。

圖5 旋壓模具智能設(shè)計系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of intelligent design system for spinning mould

4 旋壓模具智能設(shè)計系統(tǒng)驗證

根據(jù)運載系列某型號產(chǎn)品的噴管擴(kuò)張段數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入到旋壓模具智能設(shè)計系統(tǒng)中，系統(tǒng)快速建立了噴管旋壓成形的首旋模具和二旋模具模型（如圖6所示），并輸出了用于生產(chǎn)加工的工程圖紙。加工出的產(chǎn)品如圖7所示。

圖6 旋壓模具三維模型Fig.6 3-D model of spinning die

圖7 產(chǎn)品圖Fig.7 Pictures of products

用仿形板分別對首旋產(chǎn)品和二旋產(chǎn)品的內(nèi)型面進(jìn)行型面檢查，發(fā)現(xiàn)仿形板與它們的內(nèi)型面十分吻合，說明了產(chǎn)品的內(nèi)型面符合要求，旋壓模具的表面設(shè)計合理。用超聲波測厚儀測量產(chǎn)品的厚度，測得實際加工出來的產(chǎn)品厚度誤差范圍控制在5%之內(nèi)（如表2所示），符合設(shè)計要求。這間接證明了系統(tǒng)輔助設(shè)計的工藝參數(shù)是合理的。

根據(jù)測量的結(jié)果顯示，加工出的產(chǎn)品符合技術(shù)要求，產(chǎn)品是合格產(chǎn)品。為了判斷旋壓模具的加工穩(wěn)定性，連續(xù)加工了14件產(chǎn)品，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)所有產(chǎn)品均合格，證明了系統(tǒng)設(shè)計的旋壓模具具有穩(wěn)定的加工能力，也證明了系統(tǒng)的可行性和可靠性。同時，該次設(shè)計過程所花費的時間不到1個小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于原來所需要的幾天時間。

表2 試驗參數(shù)Tab.2 Test parameters

5 結(jié)論

針對液體火箭發(fā)動機(jī)噴管擴(kuò)張段旋壓成形過程使用的旋壓模具進(jìn)行了智能設(shè)計技術(shù)研究。首先通過總結(jié)旋壓成形和旋壓模具設(shè)計過程中的專家知識，提煉出了旋壓模具的設(shè)計規(guī)律，建立了基于知識工程的專家知識庫；其次根據(jù)專家知識庫中的知識，利用參數(shù)化技術(shù)、二次開發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，攻克了樣條曲線參數(shù)化等關(guān)鍵性難題，完成了旋壓模具各組件的參數(shù)化，建立了系統(tǒng)的參數(shù)化模型庫；最后再利用基于規(guī)則和實例推理的智能設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)建立了旋壓模具智能設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了噴管擴(kuò)張段旋壓模具的智能設(shè)計。通過實際應(yīng)用表明：

1）該系統(tǒng)能夠有效地減少旋壓模具設(shè)計過程中的重復(fù)勞動，提高設(shè)計效率。

2）該系統(tǒng)將旋壓模具設(shè)計過程中的知識、參數(shù)和模型集成化，實現(xiàn)了旋壓模具的流程化和可視化的設(shè)計，操作簡單且智能化程度高。

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