趙昌葆，鄭 暉

（沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽 110136)

0 引言

沖壓零件具有結(jié)構(gòu)效率高、制造成本低和容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等顯著特點，大量存在于航空、航天、船舶、兵器、交通及輕工等領(lǐng)域的裝備及產(chǎn)品中。由于沖壓零件制造涉及材料性能、成形條件、模具構(gòu)型和設(shè)備狀況等多方面的因素，板料變形規(guī)律復(fù)雜，目前沖壓工藝制訂及沖壓模具設(shè)計對經(jīng)驗的依賴比較嚴(yán)重，大部分沖壓零件須通過試制過程確定制造方法：試制過程中如果無法獲得合格的制件，則分析原因并進行調(diào)整，包括工藝方法、模具構(gòu)型、坯料狀態(tài)和設(shè)備參數(shù)等，直到獲得符合要求的制件[1]?？梢姡瑳_壓零件試制是確定沖壓零件制造方法的關(guān)鍵，試制過程是沖壓零件制造知識最直接的來源。

制造行業(yè)已經(jīng)普遍認識到制造知識重用的重要性，國內(nèi)外在沖壓零件制造知識方面進行了大量的研究，并開發(fā)了各種基于知識的設(shè)計系統(tǒng)[2～4]。沖壓零件制造知識主要包括工藝規(guī)劃知識和模具設(shè)計知識，用于工藝方案規(guī)劃、工序內(nèi)容設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)確定及零件構(gòu)型設(shè)計等[5，6]。同時，對沖壓零件制造和檢驗方面的知識也進行了研究[7]。

沖壓零件是由沖壓設(shè)備通過沖壓模具直接在坯料上加載實現(xiàn)材料流動和制件成形的，坯料狀態(tài)、工藝方法、模具構(gòu)型和設(shè)備運行是制件成形的四個核心要素，它們通過“成形過程”緊密耦合在一起。例如，筒形件拉深中為了改變材料進入凹模的阻力，可以改變坯料和模具之間的潤滑方式，調(diào)整模具的壓邊裝置，改變坯料的形狀和尺寸，上述措施要求設(shè)備運行參數(shù)（例如拉深力和拉深速度）作相應(yīng)調(diào)整。因此，要完整地表達沖壓零件制造知識，必須全面反映與“成形過程”相關(guān)的坯料狀態(tài)、工藝方法、模具構(gòu)型和設(shè)備運行等因素。此外，沖壓零件制造知識，不僅應(yīng)包括最終的制造方案，還應(yīng)包括試制過程中歷經(jīng)的中間方案，中間方案主要反映制件缺陷、產(chǎn)生原因和調(diào)整方法，通常需要零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、模具設(shè)計制造和車間操作等方面的技術(shù)人員進行溝通協(xié)調(diào)和反復(fù)試錯，試制過程體現(xiàn)了制造方案的不斷改進和優(yōu)化，是技術(shù)人員的集體經(jīng)驗和智慧結(jié)晶。中間方案所反映的成形規(guī)律，一方面可以作為同類沖壓零件制造方案的借鑒，以避免同類缺陷的產(chǎn)生；另一方面，可以為制造方案的調(diào)整提供依據(jù)，縮短試制過程。

1 試制過程知識庫的內(nèi)容

試制過程知識不僅包括試制成功的最終模具結(jié)果，而且包含了試制成功之前的失敗經(jīng)歷，不僅反映了制件特征、缺陷形式、缺陷原因和調(diào)整方法等方面的信息，而且蘊含了各種因素之間內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1.1 制件的描述及編碼

不同的沖壓零件，其成形工藝不同，沖裁、彎曲、拉深和脹形工藝中材料流動情況不同，模具與材料的作用方式不同，制件各部位的受力和變形也不同，因而凸模、凹模形式及模具結(jié)構(gòu)差異極大[8]。根據(jù)沖壓零件特征進行分類，有利于揭示不同類型制件的成形過程規(guī)律，歸納工藝方法及模具設(shè)計制造的關(guān)鍵，便于快速檢索和準(zhǔn)確重用。按照直接影響成形過程的特征對制件進行分類編碼，每一個編碼對應(yīng)成形該類制件的一類制造方案，建立試制過程知識庫，意義直觀、分類明確，便于為工藝人員和模具設(shè)計制造人員的判斷和決策提供支持。以拉深件為例，其分類方法如圖1所示。

圖1 拉深件分類

該分類方法中，拉深件的形狀、厚度、材料及精度四個方面的特征決定了成形工藝和模具構(gòu)型，特征之間是“與”關(guān)系（即對于一個制件的描述，必須包含這四個方面的特征），作為拉深件分類的第一層次特征，采用鏈?zhǔn)骄幋a。根據(jù)第一層次特征可以區(qū)分不同的制件，其中“形狀”是確定拉深工藝和凸、凹模最重要的特征，分類最為復(fù)雜，首先可以分為回轉(zhuǎn)體制件、盒形制件和帶有復(fù)雜曲面的制件三個大類，該層次各類之間是“或”關(guān)系（即制件的形狀只能屬于其中一類），采用樹式編碼。拉深件中數(shù)量最多的回轉(zhuǎn)體制件，又可以根據(jù)壁部形狀、凸緣類型、底部形狀和開孔情況四個方面進一步細分，盒形件和復(fù)雜拉深件也可以進一步細分，該層次是“與”關(guān)系，采用鏈?zhǔn)骄幋a?！昂穸取笔侵该鞑牧系暮穸确秶譃槠胀ò辶虾洼^厚板料兩種情況，該層次是“或”關(guān)系，采用樹式編碼?！熬取笔侵钢萍罱K的精度等級，通常由主要尺寸的公差來體現(xiàn)，分為普通和較高兩種情況，該層次是“或”關(guān)系，采用樹式編碼?！安牧稀笔侵赋尚沃萍玫牟牧项愋?，通常用牌號來表征，可分為鋼、鋁和銅等金屬，各種金屬材料又可以細分，例如銅可以分為黃銅、紫銅和康銅等，各自又包含不同的型號。材料分類在各個層次上均為“或”關(guān)系，不同材料及其類屬關(guān)系形成了一個多層次樹狀結(jié)構(gòu)，因此采用樹式編碼。

一類制件的編碼必須包含“形狀”、“厚度”、“材料”和“精度”四個方面的特征信息，其編碼為由鏈?zhǔn)酱a和樹式碼結(jié)合而成的混合碼，一個編碼由多個碼段組成，各個碼段根據(jù)信息容量分別用數(shù)字（1位或幾位）或字母來表示。例如，一個帶底孔無凸緣的筒形件，材料為H62黃銅，厚度為1mm，直徑和高度為9級精度，該制件的編碼為“A2010C011”，特征與碼段對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。該編碼共9段，前4段表示形狀信息，第5段表示厚度信息，第6至8段表示材料信息（銅-C，黃銅-0，H62黃銅-1），第9段表示精度信息。編碼相同的沖壓零件作為一類，其試制過程知識作為一類知識，便于管理和使用。

圖2 筒形件編碼

1.2 制件的制造缺陷

制件的制造缺陷是制件在成形過程中產(chǎn)生的不符合質(zhì)量要求的問題，例如，拉深成形中經(jīng)常發(fā)生的凸緣起皺、壁部破裂等，制件產(chǎn)生制造缺陷的原因主要是材料流動過程不合理，可以通過調(diào)整工藝方法、模具構(gòu)型、坯料狀態(tài)和設(shè)備參數(shù)來改善成形過程。制造缺陷是分析成形失效原因和確定調(diào)整方法的直接依據(jù)，因此需要準(zhǔn)確描述，包括缺陷類型、缺陷部位和嚴(yán)重程度三個方面。

缺陷類型是指導(dǎo)致制件形態(tài)或性能不符合要求的缺陷形式，例如拉深件中的起皺、破裂、變薄、毛刺、凸耳、橘皮、劃傷和超差等，是拉深成形必須避免的現(xiàn)象。制件類型不同，成形工藝和模具構(gòu)型也不同，因此產(chǎn)生的缺陷類型和部位不相同，對于同一類制件的同一種缺陷也可能出現(xiàn)在不同的部位，例如凸緣筒形件的壁部、凸緣及圓角部位。即使是同一部位產(chǎn)生的同類缺陷，嚴(yán)重程度也有差別，例如起皺的皺紋高度、破裂的裂口大小以及變薄的量值范圍等。同一類制件的缺陷類型、部位和程度不同，成形失效的產(chǎn)生原因可能相同，也可能不同，需要結(jié)合生產(chǎn)實踐和試制情況具體分析，以便找出成形失效的原因，保證制件的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

為了全面描述成形失效情況，避免文字描述的含糊性，除了文字和編碼外，還應(yīng)該將帶有缺陷的制件實物，以圖片的形式保存數(shù)字化文件，作為試制過程知識的數(shù)據(jù)內(nèi)容。制件缺陷圖反映了缺陷的形態(tài)、尺寸、位置、顏色等多方面信息，對于技術(shù)人員判斷缺陷類型和分析成形失效原因有很大的價值。另外，缺陷出現(xiàn)的頻率也是制件成形的重要信息，需要記錄下來。

1.3 缺陷原因及調(diào)整方法

同類制件由于具體的形狀尺寸、材料性能、坯料厚度等存在差異，成形加工須采用專門設(shè)計制造的模具，雖然模具類型和成形過程相似，但也可能出現(xiàn)不同的缺陷形式。此時，應(yīng)結(jié)合成形理論和生產(chǎn)經(jīng)驗，排查制造缺陷產(chǎn)生的原因。例如拉深件筒壁下端出現(xiàn)嚴(yán)重拉裂，凸模、凹模和壓邊力比較合理，潤滑良好，可能與材料性能有關(guān)，則首先考慮材料塑性不足的原因，并作相應(yīng)的工藝和模具調(diào)整。例如通過調(diào)整拉深次數(shù)及拉深系數(shù)改變各拉深工序的變形量，或增加熱處理工藝恢復(fù)材料塑性等。

沖壓零件試制中，模具調(diào)整在制造方案調(diào)整中占有重要地位，調(diào)整工作量最大。模具調(diào)整包括成形零件和其它功能零件的調(diào)整，成形零件即凸模、凹模等與坯料發(fā)生直接作用的零件；功能零件即模具結(jié)構(gòu)中除了支撐和導(dǎo)向零件外的其他輔助零件，如拉深模中的壓邊圈、定位板和卸料釘?shù)取Ｄ＞吡慵恼{(diào)整包括修模和換件，前者是指通過對原有零件的磨削、焊接、噴涂、粘接等加工或處理，改變零件尺寸或形狀，后者是指將模具結(jié)構(gòu)中的一個或幾個零件用新零件替換掉，兩種方法分別適用于不同的情況。一副模具可能需要不止一次的試模和調(diào)整，整個試模和調(diào)整過程一方面再現(xiàn)了成形失效原因分析的思路，另一方面反映了模具初始制造與預(yù)期調(diào)整的策略，對后續(xù)的設(shè)計、制造和試模過程具有重要的參考價值。

零件制造缺陷的產(chǎn)生原因及調(diào)整方法是制造企業(yè)的重要生產(chǎn)經(jīng)驗，需要作詳細的記錄和存檔，包括存在制造缺陷的成形工藝、模具結(jié)構(gòu)和模具零件，調(diào)整后的成形工藝、模具結(jié)構(gòu)和模具零件，以及相關(guān)零件的調(diào)整方法和參數(shù)等，它們是試制過程知識庫的關(guān)鍵內(nèi)容。

試制過程知識庫各種信息之間的語義關(guān)系，如圖3所示。

圖3 試制過程知識庫的數(shù)據(jù)語義關(guān)系

2 試制過程知識挖掘

試制過程知識庫通過歸納各類制件的調(diào)整過程形成了經(jīng)驗型知識，可用于支持不同類型制件的工藝規(guī)劃和模具開發(fā)的過程決策。利用試制過程知識庫挖掘制件特征、制造缺陷與缺陷原因之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以獲得關(guān)于制造缺陷的更深層次知識，用于指導(dǎo)成形工藝及模具設(shè)計。

為了便于知識挖掘，采用與制件分類編碼相似的方法，對制件缺陷進行分類編碼。以拉深件為例，缺陷類型用大寫字母描述，缺陷部位采用兩位數(shù)字描述，嚴(yán)重程度采用一位數(shù)字描述。例如，筒形件壁部下端（缺陷部位碼為05）普通（缺陷程度碼為1）拉裂（缺陷類型碼為A）的編碼為“A051”?；谠囍七^程知識庫，通過數(shù)據(jù)挖掘可以得到制件特征與制造缺陷之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，例如拉深件中的“深筒”特征與壁部下端“拉裂”缺陷的關(guān)聯(lián)，“寬凸緣”特征與邊緣“皺折”缺陷的關(guān)聯(lián)。制件特征和制造缺陷之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為成形失效原因分析提供了線索，便于歸納得到經(jīng)驗性的成形準(zhǔn)則。

為了便于闡述制件特征和制造缺陷之間關(guān)聯(lián)的挖掘過程，假設(shè)制件（Part）編碼為P1-P2-P3-…-Pm（其中P1、P2、P3…分別表示制件編碼的不同碼位），缺陷（Defect）編碼為D1-D2-D3（其D1、D2、D3分別表示缺陷編碼的三個碼位），某一類制件編碼簡記為PC（Part Code），某一類缺陷編碼簡記為DC（Defect Code），一組制件類型的集合簡記為PG（Part Group），某一碼位的一個碼值簡記為V（Value）。則挖掘過程可以描述為：

STEP1：檢索“D1-D2-D3”三個碼位上碼值都相同的數(shù)據(jù)項，即找出缺陷類型、缺陷部位及嚴(yán)重程度完全相同的各個制件類型。例如三個碼位上碼值相同，缺陷編碼分別為X1-Y1-Z1、X1-Y2-Z3、X3-Y1-Z2等（其中以X、Y和Z開頭的符號，分別表示三個不同碼位的碼值），各個缺陷編碼都對應(yīng)了多個制件類型，說明不同的制件類型可能出現(xiàn)相同的缺陷形式。

STEP2：檢索得到的“D1-D2-D3”三個碼位上碼值都相同的數(shù)據(jù)項組成不同的集合，按集合中元素數(shù)量降序排列，分別記為PG1、PG2、PG3、…，將PG1、PG2、PG3、…對應(yīng)的缺陷碼值分別記為DC1、DC2、DC3、…。例如缺陷碼值為X1-Y1-Z1的數(shù)據(jù)項數(shù)量為30，缺陷碼值為X3-Y1-Z2的數(shù)據(jù)項數(shù)量為18，缺陷碼值為X1-Y2-Z3的數(shù)據(jù)項數(shù)量為24，則X1-Y1-Z1排在X1-Y2-Z3之前，X1-Y2-Z3排在X3-Y1-Z2之前，因此與X1-Y1-Z1對應(yīng)的制件類型集合及缺陷碼值分別記為PG1和DC1，與X1-Y2-Z3對應(yīng)的制件類型集合及缺陷碼值分別記為PG2和DC2，與X3-Y1-Z2對應(yīng)的制件類型集合及缺陷碼值分別記為PG3和DC3。表示出現(xiàn)DC1碼值對應(yīng)的缺陷的制件類型最多，出現(xiàn)DC2碼值對應(yīng)的缺陷的制件類型次之，即DC1碼值對應(yīng)的缺陷產(chǎn)生的頻率更高。

STEP3：取出制件類型集合PG1中的所有制件編碼PC1、PC2、PC3、…，按照碼位順序P1、P2、P3、…逐位檢索制件碼值相同的數(shù)據(jù)項，數(shù)量超過某個閾值α，則標(biāo)記該數(shù)據(jù)項。例如，取出缺陷碼值為DC1的30個制件編碼，檢索P1碼位上碼值為A1的制件編碼，假設(shè)閾值α為70%，則P1碼位上碼值為A1的數(shù)據(jù)項數(shù)量達到21個及以上，就記錄下來，少于21個則不作記錄。對于P2、P3、…、Pm等碼位做相同的處理，得到某種缺陷與制件的某類特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

STEP4：將所記錄的各碼位上達到或超過閾值的數(shù)據(jù)項，按照數(shù)量降序排列對應(yīng)的碼值。例如缺陷碼值為DC1的30個制件類型，P1碼位上碼值為A1的制件類型為22個，P2碼位上碼值為B3的制件類型為25個，則B3排在A1之前，表示具有碼值B3對應(yīng)特征的制件類型，比具有碼值A(chǔ)1對應(yīng)特征的制件類型，出現(xiàn)DC1碼值對應(yīng)缺陷的幾率更大，因此將B3記為V1，將A1記為V2。對于P3、P4、…、Pm等碼位做相同的處理，可以得出與某種缺陷關(guān)聯(lián)的各種特征及其關(guān)聯(lián)強度。

STEP5：按照STEP4建立的V1、V2、V3、…的碼位值順序，求出V1（即P2碼位上碼值為B3）、V2（即P1碼位上碼值為A1）這兩組制件類型的交集，數(shù)量超過某個閾值β則標(biāo)記之。例如，對于缺陷碼值為DC1的30個制件類型，P2碼位上碼值為B3的制件類型（25個）最多，P1碼位上碼值為A1的制件類型（22個）次之，這些制件類型都是缺陷碼值為DC1的制件類型（30個）的子集，其交集就是其中相同的制件類型（數(shù)量范圍為17-22）。假設(shè)閾值β為60%，如果交集中的元素達到18個及以上，就記錄下來，少于18個則不作記錄。對于碼位值V2、V3、…等做相同的處理，可以得出與某種缺陷關(guān)聯(lián)的特征組合及其關(guān)聯(lián)強度。

對于DC2和DC3碼值對應(yīng)的缺陷形式，處理過程相同。因此，采用上述方法可以得到任一種缺陷形式與一組特征之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。例如，通過知識挖掘可以得到凸緣筒形件的起皺和“寬凸緣”特征之間具有強關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及無凸緣筒形件的拉裂與“深筒形+小圓角”這一組特征之間具有較強的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過知識挖掘可以發(fā)現(xiàn)“制件類型”與“制造缺陷”之間關(guān)聯(lián)，閾值大小表示關(guān)聯(lián)強度，結(jié)果說明某一類型制件出現(xiàn)某一類型缺陷的可能性。采用同樣的方法，可以挖掘得到“制造缺陷”與“缺陷原因”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其強度。

試制過程知識庫，通過知識積累和知識挖掘形成了兩類知識，即不同類型制件易出現(xiàn)的缺陷及其原因，以及針對不同缺陷可采用的調(diào)整方法。前一類型知識為沖壓零件設(shè)計、制造方案規(guī)劃以及模具設(shè)計制造提供經(jīng)驗借鑒，可以減小或避免制造缺陷出現(xiàn)的可能性；制件在試制中無法滿足設(shè)計要求時，借助于后一類型知識可以迅速獲得合理的調(diào)整方法，縮短試制過程。

3 知識庫實例

對某沖壓零件制造企業(yè)的拉深件進行了分類，整理了各類拉深零件的試制記錄，建立了零件編碼和制造缺陷編碼。開發(fā)了拉深零件試制過程知識庫及知識挖掘器，實現(xiàn)了知識庫系統(tǒng)與工藝設(shè)計系統(tǒng)、模具數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成，可與工藝數(shù)據(jù)、模具數(shù)據(jù)直接交換。對知識挖掘的結(jié)果進行專家會審，建立了沖壓零件試制企業(yè)規(guī)范文件。以不銹鋼薄壁凸緣筒形件（零件編碼為A0000A031）為例，其試制調(diào)整知識如表1所示。

表1 凸緣筒形件試制準(zhǔn)則

試制過程知識庫的使用實踐表明：1）改進了沖壓零件工藝及模具設(shè)計的質(zhì)量，提高了一次性試制成功率，工藝方案及模具設(shè)計的更改減少了約60%，一次性試制成功率提高了約50%；2）簡化了制造缺陷分析和排查過程，縮短了試制周期，試制周期平均縮短1周左右。

4 結(jié)語

沖壓零件試制是對制造方案的檢驗過程，是技術(shù)人員利用生產(chǎn)實踐中積累的各種知識和經(jīng)驗解決問題的集中反映，是制造企業(yè)最具有價值的活動。記錄、分析和歸納這一過程的知識和邏輯，建立試制過程知識庫及相應(yīng)的知識挖掘工具，可以形成企業(yè)的智力資源。本文以拉深零件為例，建立了包含制件特征、缺陷類型、缺陷原因及調(diào)整方法四個方面內(nèi)容的試制過程知識庫，并給出了制造缺陷挖掘方法。針對某沖壓零件制造企業(yè)開發(fā)了拉深成形試制過程知識系統(tǒng)，為制造方案的確定及制件的試制提供了高效的支持，證明了方法的有效性。