基于云平台的汽车零配件挤压铸造CAPP研究

李正网

(重庆人文科技学院机电与信息工程学院， 重庆 401524)

0 引言

在科技日益发展的今天，随着有色金属材料学和机械制造技术的不断发展和进步，有色金属合金的加工和应用技术也日益成熟。其中,铝合金在汽车领域的应用尤为广泛[1]。然而，由于传统的汽车零配件种类繁多，不同零件工艺流程差异很大，各个计算机辅助工艺规划(computer aided process planning，CAPP)系统相互独立，没有统一的接口标准[2]，使不同单元之间难以相互借鉴，工艺知识库也难以被有效利用。软件即服务(software as a service， SaaS)是一种完全创新的软件应用模式[3]。它是随着现在互联网应用技术和软件技术的发展。通过Internet提供服务的模式，厂商将网络应用软件统一部署在服务器上，客户根据自己实际需求，通过互联网向厂商定制或者部署自己所需的应用软件服务。基于SaaS云平台构建的汽车零配件CAPP系统正成为新的应用趋势。

1 挤压铸造和云平台

挤压铸造适用于力学性能和气密性要求高的厚壁铸件，如汽车、摩托车铝轮毂；发动机的铝活塞、缸体、缸头、传动箱体；减振器、制动器铝铸件；汽车各种泵体中的压缩机、压气机等铝铸件；汽车方向轴、曲柄、车架接头；铝镁或锌合金光学镜架和铜合金轴套以及各种仪表及电子仪器壳体件等[4]。其特点如下。

①工艺流程复杂，不仅包含挤压工序，还包含铸造工艺的工序。

②计算量大，需要通过分析零件的几何特征计算出挤压铸造的工艺参数，如温度、压力、浇铸速度、加压/保压时间等。

③零件种类多，涉及到的汽车零件种类繁多，功能复杂，所以涉及到的知识库容量大。

云平台针对汽车零配件CAPP系统研制的优势体现在以下几方面。

①云平台已经为用户建立好了应用的基础，如远程存储、操作系统、安全管理、自学习机制等。

②云平台有超强的计算能力，可以适应复杂的计算机辅助工艺过程规划工艺计算。

③云平台提供辅助的计算机技术服务，而用户只需专注于工艺知识的输入和更新。

④云平台更适合于远程协作、数据共享、团队共同开发的工艺设计和校验的过程，支持企事业研发单位CAPP的多地域、全方位、立体式、智能化的运作。

2 基于SaaS的系统构建

本文基于SaaS的云平台，研究了汽车零配件CAPP挤压铸造系统的构架与实施。针对云平台的特点，依托于传统CAPP系统知识库，建立了基于云平台的CAPP系统新架构。

2.1 系统架构

基于云平台的汽车零配件挤压铸造CAPP(extrusion casting CAPP system for automobile parts based on cloud platform，ECCSbCP)系统分为云平台客户端、信息交互接口、核心功能以及CAPP知识库等几个部分。ECCSbCP系统结构如图1所示。

图1 ECCSbCP系统结构图

首先，EECSbCP和其他云平台服务应用一样，通过PC端的浏览器或者应用程序接口和云平台数据交互，也可以通过手机App移动终端实现一些简单的数据传输、查询、打印等功能。由于CAPP系统功能复杂，在线CAPP的设计、调试和验证等复杂工作仍需要在PC客户端结合必要的设计软件完成。其次，EECSbCP给协作开发者的信息交互平台，如Jira，Conference。其用户管理功能和安全管理于认证功能为云平台固有功能。EECSbCP学习和计算服务中心如图2所示。

图2 EECSbCP学习和计算服务中心

系统通过Web服务调用接口，可以执行标准工艺查询服务、非标工艺设计咨询、复杂工艺在线计算、工艺集成在线管理、工艺验证于审核以及工艺设计外包的服务[5]。所有功能基于云平台的EECSbCP学习和计算服务中心搭建。学习和服务中心其实是一个基于云平台的、包含推理机和学习机的CAPP系统，该系统基于与EECSbCP有关的知识库(如汽车零配件知识库、挤压铸造设备知识库、模具设计知识库、挤压铸造工艺知识库和基础知识库)建立。

EECSbCP学习和计算服务中心负责核心的工艺计算和生成工作，其核心是一个带推理机和学习机的CAPP系统。其特点是通过数据分析推理并和知识库中的知识(如产品分类知识、特征工艺知识、模具分类知识、挤压执行知识和工业标准知识等)进行匹配，生成标准零件的工艺设计方案，或者通过自学的功能生成非标准件的工艺设计方案。EECSbCP学习和计算服务中心的知识库可以在工作的过程中不断学习和积累，不断丰富自己的知识库，所以它兼具有学习机的功能。同时，系统该学习和计算服务中心也被用来执行一些CAM和CAE的功能，如仿真建模、仿真解释、仿真执行和评估等，可以对下一步CAM工作作出参考[6]。

2.2 EECSbCP知识库

任何一个CAPP系统都离不开知识库的建立。EECSbCP着眼于汽车零配件挤压铸造CAPP的云平台解决方案，所以其涵盖了各类汽车零配件知识。如：汽车制造知识，汽车零配件工作原理知识，零配件设计知识、装配知识、汽车动力学/运动学知识等[7]。知识库同时也包含了挤压铸造设备知识，如挤压铸造设备原理知识、工作流程知识、控制参数编程知识以及工艺参数监测、操作规范、液压控制技术和操作经验知识等。模具设计知识方面包括铸件模具理论、机械零件标准、设计人员经验、计算机辅助设计(computer aided design,CAD)知识、加工工艺要求、模具材料知识以及模具案例库等等。模具设计知识的核心是挤压铸造工艺知识。其包含工艺参数、工艺参数计算、试验方法学、回归分析建模理论、优化理论、性能测试知识、数值模拟知识、试验数据分析知识、工艺参数设计经验、试验知识积累、材料库、零件几何特征库、实验案例、性能数据以及工艺参数库。系统也包含了基础知识库的建立，如挤压铸造理论、金属成型理论、生产质量标准、热传导理论、挤压铸造标准、工业能耗标准等[8]。

2.3 核心功能设计

EECSbCP的核心功能涵盖了标准工艺查询服务功能、非标工艺设计及咨询、复杂工艺在线计算、工艺集成在线管理、工艺验证与审核以及工艺设计外包的服务[9]。

①标准工艺查询。

在用户需要对一个零件进行工艺查询时，可以输入零件的名称、尺寸等特征，查询到云平台数据库内的参考工艺。假如云平台未曾录入过，会根据用户的需求给出互联网的搜索结果。

借助于平台强大的数据信息处理内容储存能力，EECSbCP通过学习和计算中心进行综合式零件特征提取和计算。通过推理机进行知识匹配，计算出标准的制造工艺，为汽车零配件工艺需求的客户提供一个公开的海量工艺知识库，并在贯彻国家和行业标准的基础上，使汽车零配件制造企业能够快速查询和提取到有关的CAPP工艺和标准。

②非标工艺设计及咨询。

这也是EECSbCP的核心功能之一。在客户需要设计一些非标准尺寸或者特殊材料的非标准零配件的工艺，或者对标准件需要做特别修改时，可以采用这项服务。

该部分功能采用用户和系统相互交互的形式可以输入相关的工艺约束和要求、不同材料、模具或者一些特殊需求等，根据输入在云端系统生成非标产品的工艺。同时也可以给出类似标准件的工艺对照，便于执行人员校验和考核，获得最准确和可用的生产工艺。

③复杂工艺在线计算。

本功能针对复杂的计算量大的工艺设计，如成型过程数值模拟，挤压比压力学分析等等高精度设计时。系统基于简单对象访问协议(simple object access protocol，SOAP)和超文本传输协议(hypertext transfer protocol,HTTP)协议定义了标准的工艺计算 Web服务接口，使平台可以为用户提供工艺计算方面的服务。这个接口具有可直接对用户输出计算工艺的能力，针对于不同级别的用户开放的部分应用 API，使其二次开发，定制自己的计算应用实例，定制的应用可被集成到自己企业发布的应用程序中。

④工艺集成在线管理。

在线实现EECSbCP系统的工艺信息管理和控制以及知识库的共享。通过合理设计权限等级，既分享CAPP知识，又实现了工艺信息的管理和控制。权限系统设计包含三个层次。第一层是系统的应用权限，定义每个用户能够访问的功能模块。第二层是工艺基础知识的查看维护权限，从工艺知识库的底层控制工艺文件。第三层是工艺文件的编制、审核、发布、下载的权限，用于管控工艺信息的复制、传递和拓展。现代管理理论强调通信设备和控制系统并行，其表现为系统对信息的采集、分析、反馈等的时间要求越来越快，准确度要求越来越高。工艺集成的在线管理使得工艺的集成更加快速、准确，信息和知识传递更加方便和高效，促进了企业管理的现代化。

⑤工艺验证与审核。

在用户提交了最终的工艺设计后，可以采用EECSbCP系统进行验证和审核。审核包括云平台内部数据库审核和外部专家审核。内部数据库审核即把每个工步、工序和系统已知工艺设计知识作匹配和校验，验证其是否符合国家或行业标准，是否符合汽车工艺标准化体系规程。对于不符合的情况，给出修改意见。外部专家审核是通过把既定工艺发给同行业专家，包含电子版和打印版，有相关领域专家给出可行性分析和提交改进意见[10-11]。

⑥工艺设计外包。

工艺设计外包服务是在有些用户在缺乏资源或能力不足的情况下，不能独立完成工艺设计，而全盘或部分把工艺设计委托给平台完成的一种服务。它是以上各类服务基于SaaS云平台的一项有效补充，可以满足更多用户多样性的需求。

3 实例研究(以转向节为例)

以转向节产品的工艺开发为例，解释基于EECSbCP的产品工艺开发的实施过程。

3.1 需求分析

某型号汽车转向节铸件外型尺寸360 mm×210 mm×190 mm，整体壁厚18～37 mm，整体质量为5.5 kg。其外形结构复杂，呈弯曲羊角状，零件特征上存在较多凸台圆孔，用于与其他部件连接。从该零件的形状特点上看，其外型尺寸较大，并存在较长弯曲羊角结构。这会给铸件的成型以及挤压铸造过程中挤压力的传递造成一定的困难。

产品要求采用铝合金A356通过挤压铸造工艺生成，要求转向节铸件符合ASTME446一级标准，经T6热处理后屈服强度和抗拉强度分别可达240 MPa和320 MPa，延伸率≥10%，硬度大于80 HB；成品探伤指标要求发动机壳体铸件最后成品探伤测试不得有裂纹、欠铸、冷隔、缩松等工艺缺陷。

3.2 系统流程

首先通过应用程序端的CAD软件载入零件设计图，然后加载CAPP控件，通过CAPP空间输入工艺参数。系统会把所输入的参数和云端数据库进行知识匹配，生成可选工艺方案，同时进行自动筛选，最后生成初步工艺反馈给用户。用户可以对生成的工艺进行修改和编辑，然后生成最终工艺。在修改后和工艺输出前的工艺步骤，需要通过系统认证，方可生成正式工艺并发布[11]。EECSbCP系统实施流程如图3所示。

由图3可以看出，原来由单机执行的工艺规程编制工作，如特征对象类的相关属性和方法事件的提取、推理机对实例库和知识库的操作、后台数据库运算和解释模块的解释、挤压铸造所需的工艺参数设定(如温度、压力)等，都转移到云端执行。最终反馈到客户端相关挤压铸造工艺规划和设计，包括铸造方式选择、腔内件数计算、压室容量选择、内交口选择、分型面选择，并可以智能生成铸件模型图供参考。

图3 系统实施流程图

3.3 系统分析与工艺生成

挤压铸造工艺主要包含直接挤压铸造和间接挤压铸造两种工艺模式。直接挤压铸造工艺的特点是冲头直接挤压铸件，主要应用于外形结构较为简单的铸件，如圆环状铸件、桶状铸件等。由于需求的转向节铸件外型结构较为复杂，如果采用直接挤压模式无法保证外形尺寸的精度。间接挤压铸造是近年来发展的一种挤压铸造工艺形式。冲头通过内浇道将压力传递给铸件，可以满足复杂铸件的成型要求。转向节外形结构比较复杂，具有轴、套、盘环、叉架类不同零件的结构特点，由支承轴颈、法兰盘、叉架三大部分组成。系统把其归类于复杂类零件，通过推理选择了间接挤压铸造工艺成型转向节铸件。

挤压铸造最大的优点在于流动的金属液可以铸造壁厚不均的零件。选择合适的材料，高温熔化成金属液，通过挤压作用使金属液产生塑性变形最终凝固成型，可以保加工对象的致密性、气密性和严密性。根据系统知识库推理机推理，依据材料的特性和力学性能指标，材料选择铝合金，型号为A356。

EECSbCP系统CAPP人机接口部分基于ObjectARX开发。ObjectARX是针对AutoCAD平台上的二次开发一个开发软件包。它有一套基于C++的面向对象的应用程序接口，能快速访问AutoCAD图形数据库。这样可以对AutoCAD进行直接函数调用，从而获取相关的几何设计特征。基于ObjectARX建立CAPP系统可以省去AutoCAD数据的转换和矢量处理工作，可以让CAPP系统直接使用AutoCAD系统的设计数据。对象的零件的长、宽、高以及最厚、最薄处的壁厚数据都可以通过CAD系统的选取工具直接选取，并计算得出。

系统人机界面接口设计为：左侧为CAD设计信息，包含零件和模具的装配图；右侧为CAPP信息，包含CAPP的一些补充输入信息。通过点击中间的“工艺自动生成”按钮，可自动生成右侧的工艺规划设计信息。如挤压铸造方式选择间接挤压铸造，模腔内铸件数选择一模一件。计算浇注温度对发动机壳体缩松缩孔的影响，比压设定为 180 MPa、挤压冲头速度 设定为0.1 m/s，模具铸型温度设定为200 ℃。根据后台知识库中不同金属液浇注温度对发动机壳体缩松缩孔的影响模拟数据，计算出浇注温度(选为 680 ℃和 720 ℃)。

经过认证后的工艺也可以上传到云端充实知识库。不同比压下的抗拉强度比较如表1所示。

表1 不同比压下的抗拉强度比较

EECSbCP系统比压设定值计算参考图如图4所示。

图4 EECSbCP系统比压设定值计算参考图

在设定系统参数时，云端执行复杂在线计算。如在系统选择比压设定值时，根据云端知识库中不同比压条件下挤压铸造Al-Si系合金的力学性能分析。当比压值处在90～120 MPa区间，铸件的抗拉强度和硬度值有明显的提升，但伸长率变化不大。在120～160 MPa区间，铸件的几个性能指标增长趋势减缓，当比压从160 MPa增长到180 MPa时，铸件的抗拉强度又一次有显著的升高，且伸长率随之出现明显增加。当比压处在200～220 MPa区间时，铸件力学性能指标有一定的增长，但幅度较小。依据抗拉强度320 MPa，延伸率≥10%，硬度大于80 HB的需求，系统自动选取180 MPa作为推荐比压设定值。这样不再需要工艺编制者人为的查表，而且可以更精准地匹配，减少出错的概率。

经验证，本文中EECSbCP系统的铸件经结构优化、工艺优化后，通过其生成的铝合金转向节符合预定的需求，并且可替代传统铸铁转向节。

4 结束语

基于SaaS云平台的汽车零配件挤压铸造CAPP利用了云平台超强的计算能力，方便的远程协作，以及数据共享特性，把传统的CAPP系统通过云平台实现了多地域、分布式、智能化的拓展。本文以转向节这个复杂类零件为例，通过云平台的交互操作和推理和学习机制，自动匹配现存知识库，得出最佳的工艺参数和工艺流程，大大减少了工艺人员的编制时间。这对于复杂多样的汽车零配件工艺设计是一个全新的和快速的提升渠道。