基于云平臺的汽車零配件擠壓鑄造CAPP研究

李正網

(重慶人文科技學院機電與信息工程學院， 重慶 401524)

0 引言

在科技日益發展的今天，隨著有色金屬材料學和機械制造技術的不斷發展和進步，有色金屬合金的加工和應用技術也日益成熟。其中,鋁合金在汽車領域的應用尤為廣泛[1]。然而，由于傳統的汽車零配件種類繁多，不同零件工藝流程差異很大，各個計算機輔助工藝規劃(computer aided process planning，CAPP)系統相互獨立，沒有統一的接口標準[2]，使不同單元之間難以相互借鑒，工藝知識庫也難以被有效利用。軟件即服務(software as a service， SaaS)是一種完全創新的軟件應用模式[3]。它是隨著現在互聯網應用技術和軟件技術的發展。通過Internet提供服務的模式，廠商將網絡應用軟件統一部署在服務器上，客戶根據自己實際需求，通過互聯網向廠商定制或者部署自己所需的應用軟件服務。基于SaaS云平臺構建的汽車零配件CAPP系統正成為新的應用趨勢。

1 擠壓鑄造和云平臺

擠壓鑄造適用于力學性能和氣密性要求高的厚壁鑄件，如汽車、摩托車鋁輪轂；發動機的鋁活塞、缸體、缸頭、傳動箱體；減振器、制動器鋁鑄件；汽車各種泵體中的壓縮機、壓氣機等鋁鑄件；汽車方向軸、曲柄、車架接頭；鋁鎂或鋅合金光學鏡架和銅合金軸套以及各種儀表及電子儀器殼體件等[4]。其特點如下。

①工藝流程復雜，不僅包含擠壓工序，還包含鑄造工藝的工序。

②計算量大，需要通過分析零件的幾何特征計算出擠壓鑄造的工藝參數，如溫度、壓力、澆鑄速度、加壓/保壓時間等。

③零件種類多，涉及到的汽車零件種類繁多，功能復雜，所以涉及到的知識庫容量大。

云平臺針對汽車零配件CAPP系統研制的優勢體現在以下幾方面。

①云平臺已經為用戶建立好了應用的基礎，如遠程存儲、操作系統、安全管理、自學習機制等。

②云平臺有超強的計算能力，可以適應復雜的計算機輔助工藝過程規劃工藝計算。

③云平臺提供輔助的計算機技術服務，而用戶只需專注于工藝知識的輸入和更新。

④云平臺更適合于遠程協作、數據共享、團隊共同開發的工藝設計和校驗的過程，支持企事業研發單位CAPP的多地域、全方位、立體式、智能化的運作。

2 基于SaaS的系統構建

本文基于SaaS的云平臺，研究了汽車零配件CAPP擠壓鑄造系統的構架與實施。針對云平臺的特點，依托于傳統CAPP系統知識庫，建立了基于云平臺的CAPP系統新架構。

2.1 系統架構

基于云平臺的汽車零配件擠壓鑄造CAPP(extrusion casting CAPP system for automobile parts based on cloud platform，ECCSbCP)系統分為云平臺客戶端、信息交互接口、核心功能以及CAPP知識庫等幾個部分。ECCSbCP系統結構如圖1所示。

圖1 ECCSbCP系統結構圖

首先，EECSbCP和其他云平臺服務應用一樣，通過PC端的瀏覽器或者應用程序接口和云平臺數據交互，也可以通過手機App移動終端實現一些簡單的數據傳輸、查詢、打印等功能。由于CAPP系統功能復雜，在線CAPP的設計、調試和驗證等復雜工作仍需要在PC客戶端結合必要的設計軟件完成。其次，EECSbCP給協作開發者的信息交互平臺，如Jira，Conference。其用戶管理功能和安全管理于認證功能為云平臺固有功能。EECSbCP學習和計算服務中心如圖2所示。

圖2 EECSbCP學習和計算服務中心

系統通過Web服務調用接口，可以執行標準工藝查詢服務、非標工藝設計咨詢、復雜工藝在線計算、工藝集成在線管理、工藝驗證于審核以及工藝設計外包的服務[5]。所有功能基于云平臺的EECSbCP學習和計算服務中心搭建。學習和服務中心其實是一個基于云平臺的、包含推理機和學習機的CAPP系統，該系統基于與EECSbCP有關的知識庫(如汽車零配件知識庫、擠壓鑄造設備知識庫、模具設計知識庫、擠壓鑄造工藝知識庫和基礎知識庫)建立。

EECSbCP學習和計算服務中心負責核心的工藝計算和生成工作，其核心是一個帶推理機和學習機的CAPP系統。其特點是通過數據分析推理并和知識庫中的知識(如產品分類知識、特征工藝知識、模具分類知識、擠壓執行知識和工業標準知識等)進行匹配，生成標準零件的工藝設計方案，或者通過自學的功能生成非標準件的工藝設計方案。EECSbCP學習和計算服務中心的知識庫可以在工作的過程中不斷學習和積累，不斷豐富自己的知識庫，所以它兼具有學習機的功能。同時，系統該學習和計算服務中心也被用來執行一些CAM和CAE的功能，如仿真建模、仿真解釋、仿真執行和評估等，可以對下一步CAM工作作出參考[6]。

2.2 EECSbCP知識庫

任何一個CAPP系統都離不開知識庫的建立。EECSbCP著眼于汽車零配件擠壓鑄造CAPP的云平臺解決方案，所以其涵蓋了各類汽車零配件知識。如：汽車制造知識，汽車零配件工作原理知識，零配件設計知識、裝配知識、汽車動力學/運動學知識等[7]。知識庫同時也包含了擠壓鑄造設備知識，如擠壓鑄造設備原理知識、工作流程知識、控制參數編程知識以及工藝參數監測、操作規范、液壓控制技術和操作經驗知識等。模具設計知識方面包括鑄件模具理論、機械零件標準、設計人員經驗、計算機輔助設計(computer aided design,CAD)知識、加工工藝要求、模具材料知識以及模具案例庫等等。模具設計知識的核心是擠壓鑄造工藝知識。其包含工藝參數、工藝參數計算、試驗方法學、回歸分析建模理論、優化理論、性能測試知識、數值模擬知識、試驗數據分析知識、工藝參數設計經驗、試驗知識積累、材料庫、零件幾何特征庫、實驗案例、性能數據以及工藝參數庫。系統也包含了基礎知識庫的建立，如擠壓鑄造理論、金屬成型理論、生產質量標準、熱傳導理論、擠壓鑄造標準、工業能耗標準等[8]。

2.3 核心功能設計

EECSbCP的核心功能涵蓋了標準工藝查詢服務功能、非標工藝設計及咨詢、復雜工藝在線計算、工藝集成在線管理、工藝驗證與審核以及工藝設計外包的服務[9]。

①標準工藝查詢。

在用戶需要對一個零件進行工藝查詢時，可以輸入零件的名稱、尺寸等特征，查詢到云平臺數據庫內的參考工藝。假如云平臺未曾錄入過，會根據用戶的需求給出互聯網的搜索結果。

借助于平臺強大的數據信息處理內容儲存能力，EECSbCP通過學習和計算中心進行綜合式零件特征提取和計算。通過推理機進行知識匹配，計算出標準的制造工藝，為汽車零配件工藝需求的客戶提供一個公開的海量工藝知識庫，并在貫徹國家和行業標準的基礎上，使汽車零配件制造企業能夠快速查詢和提取到有關的CAPP工藝和標準。

②非標工藝設計及咨詢。

這也是EECSbCP的核心功能之一。在客戶需要設計一些非標準尺寸或者特殊材料的非標準零配件的工藝，或者對標準件需要做特別修改時，可以采用這項服務。

該部分功能采用用戶和系統相互交互的形式可以輸入相關的工藝約束和要求、不同材料、模具或者一些特殊需求等，根據輸入在云端系統生成非標產品的工藝。同時也可以給出類似標準件的工藝對照，便于執行人員校驗和考核，獲得最準確和可用的生產工藝。

③復雜工藝在線計算。

本功能針對復雜的計算量大的工藝設計，如成型過程數值模擬，擠壓比壓力學分析等等高精度設計時。系統基于簡單對象訪問協議(simple object access protocol，SOAP)和超文本傳輸協議(hypertext transfer protocol,HTTP)協議定義了標準的工藝計算 Web服務接口，使平臺可以為用戶提供工藝計算方面的服務。這個接口具有可直接對用戶輸出計算工藝的能力，針對于不同級別的用戶開放的部分應用 API，使其二次開發，定制自己的計算應用實例，定制的應用可被集成到自己企業發布的應用程序中。

④工藝集成在線管理。

在線實現EECSbCP系統的工藝信息管理和控制以及知識庫的共享。通過合理設計權限等級，既分享CAPP知識，又實現了工藝信息的管理和控制。權限系統設計包含三個層次。第一層是系統的應用權限，定義每個用戶能夠訪問的功能模塊。第二層是工藝基礎知識的查看維護權限，從工藝知識庫的底層控制工藝文件。第三層是工藝文件的編制、審核、發布、下載的權限，用于管控工藝信息的復制、傳遞和拓展。現代管理理論強調通信設備和控制系統并行，其表現為系統對信息的采集、分析、反饋等的時間要求越來越快，準確度要求越來越高。工藝集成的在線管理使得工藝的集成更加快速、準確，信息和知識傳遞更加方便和高效，促進了企業管理的現代化。

⑤工藝驗證與審核。

在用戶提交了最終的工藝設計后，可以采用EECSbCP系統進行驗證和審核。審核包括云平臺內部數據庫審核和外部專家審核。內部數據庫審核即把每個工步、工序和系統已知工藝設計知識作匹配和校驗，驗證其是否符合國家或行業標準，是否符合汽車工藝標準化體系規程。對于不符合的情況，給出修改意見。外部專家審核是通過把既定工藝發給同行業專家，包含電子版和打印版，有相關領域專家給出可行性分析和提交改進意見[10-11]。

⑥工藝設計外包。

工藝設計外包服務是在有些用戶在缺乏資源或能力不足的情況下，不能獨立完成工藝設計，而全盤或部分把工藝設計委托給平臺完成的一種服務。它是以上各類服務基于SaaS云平臺的一項有效補充，可以滿足更多用戶多樣性的需求。

3 實例研究(以轉向節為例)

以轉向節產品的工藝開發為例，解釋基于EECSbCP的產品工藝開發的實施過程。

3.1 需求分析

某型號汽車轉向節鑄件外型尺寸360 mm×210 mm×190 mm，整體壁厚18～37 mm，整體質量為5.5 kg。其外形結構復雜，呈彎曲羊角狀，零件特征上存在較多凸臺圓孔，用于與其他部件連接。從該零件的形狀特點上看，其外型尺寸較大，并存在較長彎曲羊角結構。這會給鑄件的成型以及擠壓鑄造過程中擠壓力的傳遞造成一定的困難。

產品要求采用鋁合金A356通過擠壓鑄造工藝生成，要求轉向節鑄件符合ASTME446一級標準，經T6熱處理后屈服強度和抗拉強度分別可達240 MPa和320 MPa，延伸率≥10%，硬度大于80 HB；成品探傷指標要求發動機殼體鑄件最后成品探傷測試不得有裂紋、欠鑄、冷隔、縮松等工藝缺陷。

3.2 系統流程

首先通過應用程序端的CAD軟件載入零件設計圖，然后加載CAPP控件，通過CAPP空間輸入工藝參數。系統會把所輸入的參數和云端數據庫進行知識匹配，生成可選工藝方案，同時進行自動篩選，最后生成初步工藝反饋給用戶。用戶可以對生成的工藝進行修改和編輯，然后生成最終工藝。在修改后和工藝輸出前的工藝步驟，需要通過系統認證，方可生成正式工藝并發布[11]。EECSbCP系統實施流程如圖3所示。

由圖3可以看出，原來由單機執行的工藝規程編制工作，如特征對象類的相關屬性和方法事件的提取、推理機對實例庫和知識庫的操作、后臺數據庫運算和解釋模塊的解釋、擠壓鑄造所需的工藝參數設定(如溫度、壓力)等，都轉移到云端執行。最終反饋到客戶端相關擠壓鑄造工藝規劃和設計，包括鑄造方式選擇、腔內件數計算、壓室容量選擇、內交口選擇、分型面選擇，并可以智能生成鑄件模型圖供參考。

圖3 系統實施流程圖

3.3 系統分析與工藝生成

擠壓鑄造工藝主要包含直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造兩種工藝模式。直接擠壓鑄造工藝的特點是沖頭直接擠壓鑄件，主要應用于外形結構較為簡單的鑄件，如圓環狀鑄件、桶狀鑄件等。由于需求的轉向節鑄件外型結構較為復雜，如果采用直接擠壓模式無法保證外形尺寸的精度。間接擠壓鑄造是近年來發展的一種擠壓鑄造工藝形式。沖頭通過內澆道將壓力傳遞給鑄件，可以滿足復雜鑄件的成型要求。轉向節外形結構比較復雜，具有軸、套、盤環、叉架類不同零件的結構特點，由支承軸頸、法蘭盤、叉架三大部分組成。系統把其歸類于復雜類零件，通過推理選擇了間接擠壓鑄造工藝成型轉向節鑄件。

擠壓鑄造最大的優點在于流動的金屬液可以鑄造壁厚不均的零件。選擇合適的材料，高溫熔化成金屬液，通過擠壓作用使金屬液產生塑性變形最終凝固成型，可以保加工對象的致密性、氣密性和嚴密性。根據系統知識庫推理機推理，依據材料的特性和力學性能指標，材料選擇鋁合金，型號為A356。

EECSbCP系統CAPP人機接口部分基于ObjectARX開發。ObjectARX是針對AutoCAD平臺上的二次開發一個開發軟件包。它有一套基于C++的面向對象的應用程序接口，能快速訪問AutoCAD圖形數據庫。這樣可以對AutoCAD進行直接函數調用，從而獲取相關的幾何設計特征。基于ObjectARX建立CAPP系統可以省去AutoCAD數據的轉換和矢量處理工作，可以讓CAPP系統直接使用AutoCAD系統的設計數據。對象的零件的長、寬、高以及最厚、最薄處的壁厚數據都可以通過CAD系統的選取工具直接選取，并計算得出。

系統人機界面接口設計為：左側為CAD設計信息，包含零件和模具的裝配圖；右側為CAPP信息，包含CAPP的一些補充輸入信息。通過點擊中間的“工藝自動生成”按鈕，可自動生成右側的工藝規劃設計信息。如擠壓鑄造方式選擇間接擠壓鑄造，模腔內鑄件數選擇一模一件。計算澆注溫度對發動機殼體縮松縮孔的影響，比壓設定為 180 MPa、擠壓沖頭速度 設定為0.1 m/s，模具鑄型溫度設定為200 ℃。根據后臺知識庫中不同金屬液澆注溫度對發動機殼體縮松縮孔的影響模擬數據，計算出澆注溫度(選為 680 ℃和 720 ℃)。

經過認證后的工藝也可以上傳到云端充實知識庫。不同比壓下的抗拉強度比較如表1所示。

表1 不同比壓下的抗拉強度比較

EECSbCP系統比壓設定值計算參考圖如圖4所示。

圖4 EECSbCP系統比壓設定值計算參考圖

在設定系統參數時，云端執行復雜在線計算。如在系統選擇比壓設定值時，根據云端知識庫中不同比壓條件下擠壓鑄造Al-Si系合金的力學性能分析。當比壓值處在90～120 MPa區間，鑄件的抗拉強度和硬度值有明顯的提升，但伸長率變化不大。在120～160 MPa區間，鑄件的幾個性能指標增長趨勢減緩，當比壓從160 MPa增長到180 MPa時，鑄件的抗拉強度又一次有顯著的升高，且伸長率隨之出現明顯增加。當比壓處在200～220 MPa區間時，鑄件力學性能指標有一定的增長，但幅度較小。依據抗拉強度320 MPa，延伸率≥10%，硬度大于80 HB的需求，系統自動選取180 MPa作為推薦比壓設定值。這樣不再需要工藝編制者人為的查表，而且可以更精準地匹配，減少出錯的概率。

經驗證，本文中EECSbCP系統的鑄件經結構優化、工藝優化后，通過其生成的鋁合金轉向節符合預定的需求，并且可替代傳統鑄鐵轉向節。

4 結束語

基于SaaS云平臺的汽車零配件擠壓鑄造CAPP利用了云平臺超強的計算能力，方便的遠程協作，以及數據共享特性，把傳統的CAPP系統通過云平臺實現了多地域、分布式、智能化的拓展。本文以轉向節這個復雜類零件為例，通過云平臺的交互操作和推理和學習機制，自動匹配現存知識庫，得出最佳的工藝參數和工藝流程，大大減少了工藝人員的編制時間。這對于復雜多樣的汽車零配件工藝設計是一個全新的和快速的提升渠道。