基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設(shè)計*

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

汽輪機是將高溫蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的重要裝備，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)含量鍛模仍遠遠滿足不了國內(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)計和詳細設(shè)計等三個主要階段，它們兩兩之間并不是機械式的線性排列，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。知識的獲取是進行知識工程的前提，也是進行鍛模自頂向下設(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)計過程模型的進一步闡述，在從葉片鍛件產(chǎn)品出發(fā)到完成鍛模詳細設(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，進一步確定鍛壓機種類和噸位，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］。

以螺旋壓力機為例說明汽輪機葉片鍛造變形力計算以及鍛壓機噸位選擇，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)，其值按鍛壓機工作情況由表2確定。

表2 變形系數(shù)q值

汽輪機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。

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

模鍛錘噸位計算：

熱模鍛壓力機噸位計算：

式中，G的單位為t；K1為模鍛錘和螺旋壓力機的噸位換算系數(shù)，K1=3500～4000；K2為熱模鍛壓力機與螺旋壓力機的噸位換算系數(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選取完成后，進一步在如圖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)汽輪機葉片鍛模設(shè)計方法的不足，基于Top-Down思想，運用知識工程內(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）基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設(shè)計詳細步驟，分別對鍛造變形力計算、鍛壓機選擇、飛邊槽設(shè)計以及壓力中心計算等進行細致的研究，總結(jié)歸納設(shè)計過程知識，并對設(shè)計過程進行知識建模。

2）對基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設(shè)計過程進行UG 二次開發(fā)，詳細說明開發(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設(shè)計，得到鍛模上、下模。

3）基于知識的汽輪機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一步完善。