基于SOA的輕合金擠壓鑄造CAPP系統研究

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

面向服務的架構(service-oriented architecture，SOA)是一個組件模型。它將應用程序的不同功能單元/服務進行拆分和組合，然后通過重新定義不同單元/服務之間的接口和協議，使其重新聯系起來。而把SOA應用到計算機輔助工藝設計(computer-aided process planning,CAPP)系統中，就是把原來基于應用程序的CAPP系統拆分為不同功能單元的組件模型，通過中立的接口和協議連接起來，通過Web服務使處于異地的不同用戶可以跨語言、跨平臺、跨地域使用CAPP功能[1]?；赟OA的輕合金擠壓鑄造CAPP系統是研究在不對現有系統作任何改變的前提下，封裝當前的CAPP系統和應用成服務，并在應用層生成對應的接口，用于與其他系統交互，從而實現系統的快速集成。該研究通過使用標準化的架構提升開發效率，并降低整個CAPP系統的開發、維護成本。

1 輕合金擠壓鑄造及其工藝流程

擠壓鑄造是適用于力學性能和氣密性要求高的厚壁鑄件擠壓成型的一種加工方法。該方法的主要加工對象包括:汽車、摩托車鋁輪轂；發動機活塞、缸蓋、缸體、傳動箱體等；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；各種儀表及電子儀器殼體件等[2]。這些部件為了輕量化的目的，大多數由鋁鎂、鋅合金、銅合金等輕合金制成。輕合金是由兩種或兩種以上密度小于或等于4.5g/cm3的金屬元素(如鋁、鎂、鈦等)熔合而成的合金。

本文研究的輕合金擠壓鑄造是汽車零配件擠壓鑄造CAPP系統的一個分支。輕合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優點，是理想的航天工程結構材料[3]。輕合金材料的應用研究也在近年得到了迅猛發展，比如說在冶煉、加工、應用以及裝備制造多方面都有了重大進展，并轉化得到大量的產業化成果[4]。所以，本文針對輕合金的擠壓鑄造工藝流程及其特點進行分析。

傳統輕合金擠壓鑄造工藝過程可以分為4個階段，即準備階段，充型階段、凝固階段和開模階段。在充型階段和凝固階段，其整個流程需要不停地調整工藝參數，通過反復驗證和試驗，才能最終確定最佳參數[5]。通常，為了更快地得到最佳工藝參數，還需要進行數值模擬分析，如模擬擠壓鑄造過程中的流場、溫度場推算出凝固過程中液相的分布區域和缺陷分布，以判斷工藝參數是否合理。這樣可以更快地調試出最佳的工藝參數，并得到優化的模具設計。這個過程涉及較多工藝參數，如鑄造方式選擇、腔內件數計算、壓室容量選擇、內澆口選擇、分型面選擇，以及充型凝固密切相關的有模具預熱溫度、合金澆鑄溫度、壓力、加壓時間、合金充型速度、保壓時間等值的設定。另外，為便于開模，還需考慮鑄型涂料選擇。當前條件下，傳統的工藝設計過程和數值模擬分析過程通常由不同的專業人員操作，需要安裝不同的應用軟件，如MATLAB、Fluent等；而輔助工藝軟件多由廠商自主開發或定制，接口也是多種多樣的。所以整個流程實現起來非常不便利，需要多次的需求驗證和反復調試。

傳統輕合金擠壓鑄造工藝過程如圖1所示。

圖1 傳統輕合金擠壓鑄造工藝過程

2 基于Web服務的擠壓鑄造CAPP系統

SOA的核心是通過Web服務建立功能模塊的松耦合，使用戶不再需要依賴專用的平臺和接口，通過網絡即可在任何地方調用有關的服務[6]。

傳統的CAPP系統并沒有具體的標準，是在產品增長和工藝發展的過程中不斷建立和完善的。所以在開發過程中，各功能模塊之間通常使用點對點的數據接口實現信息傳遞和共享。該方法耦合性很強，難以跨系統使用，無法適應當前汽車產品零配件的快速更新的市場變化。因此，本文提出了基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統?；赟OA的擠壓鑄造CAPP系統由數據層、服務層、應用層組成。

基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統如圖2所示。

圖2 基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統

2.1 數據層

數據層主要包括設計工藝知識庫、推理分析知識庫和仿真執行知識庫。由于不同應用系統知識庫和數據源結構不同，數據訪問形式也多種多樣，因此數據的互操作性很難在數據層面上實現[7]。

2.2 服務層

服務層主要為企業級的上層管理系統提供服務。SOA平臺開發基于成熟的商業軟件Cordys。Cordys的業務流程管理套件(business process management suite,BPMS)是其運營平臺的主要組件之一。BPMS可以讓企業對象直接控制它們的流程，從而只需在行政決策與應用實施之間花費極短的延遲時間。這樣可以獲得響應更快的業務環境，并可通過持續改進流程獲取更高的效率和效益。業務流程管理(business process management，BPM)流程引擎是BPM流程的轉化和實現。簡而言之，BPM流程引擎就是把外部應用層用戶提出的需求轉化為內部系統實施的業務流程的模塊。

2.3 應用層

應用層是對外接口部門處理具體業務的平臺，由圖2可知，主要包含數據控制、資源控制和工藝控制三大類業務。具體對象指服務資源和數據內容的導入和控制、工藝知識規范數據的導入控制以及具體工藝流程信息，工藝卡片的生成調度和控制等，分別實現業務數據在系統中的子模塊調度，以及主數據在系統中的服務創建和更新。主數據的創建和更新包含服務資源、工藝數據等主要數據的創建、修改和更新。

3 基于SOA的CAPP應用實施

3.1 基于SOA的智能協作

基于SOA的CAPP系統在整合現有應用系統數據資源的基礎上，整合了傳統工藝流程中的不同步驟，通過重新建立工作流程，構建了集成化、一體化的綜合服務平臺。

基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統應用如圖3所示。

圖3 基于SOA的擠壓鑄造CAPP系統應用

整個CAPP系統的應用和實施分為系統設施層、數據集成層和服務集成層。

①系統設施層。該層是基礎的軟硬件平臺，是基于SOA的CAPP系統的基礎支撐。

②數據集成層。該層主要整合現有的汽車零件知識庫、擠壓鑄造知識庫、模具設計知識庫、工藝知識庫、前處理數據庫、工藝過程數據庫、后處理數據庫等相關數據庫，并按照指定數據格式將其統一規范化為標準數據庫，從而構建數據共享中心。系統采用企業服務總線(enterprise service bus，ESB)技術進行數據交換和集成。

③服務集成層。該層用于集成各子功能模塊，通過portal技術統一訪問入口，向用戶提供統一認證的交互界面，對信息實現統一的注冊、管理和發布。該層利用Web技術調用接口，采用ESB技術集成服務、通過內外部服務與集成平臺之間的服務接口實現內部各子系統間互聯和協同管理。

基于SOA的CAPP系統主要是把原來松耦合的一些CAPP工藝所需的模塊有機合成到一個系統中，根據匹配歷史知識庫和不斷學習增加新的知識庫，使系統的工藝知識越來越豐富，并把新的知識反向應用到人機交互的工藝建立過程中。在實際的工藝建立過程中，不同的工藝階段對應不同的角色和負責人員。整個工藝系統會整合不同階段的輸入和輸出，實現了制造過程中不同階段的智能協作，從而推進整個工藝流程越來越便捷和高效，使生成的工藝也更加合理和科學。

3.2 基于SOA的CAPP服務集成

整個流程以業務數據導入為入口，基于在線提交的客戶意向，根據難度和所需資源的復雜度提供報價，經過和客戶協商，最終同意生成訂單。系統根據訂單中的模塊調用所需資源并動態生成用戶的Web入口[8]。用戶通過頁面進入設計階段。設計階段需要用戶輸入有關的工藝參數。缺乏經驗的用戶系統會根據工藝庫中推薦的工藝輔助客戶生成工藝。工藝設計階段需要填寫很多CAPP相關的工藝參數，如預熱溫度、澆鑄溫度、加壓時間等。在工藝驗證階段，系統會根據客戶訂單提交的仿真模塊需求，動態調入仿真頁面輔助，從而輔助用戶分析所生成的工藝，如速度場模擬、溫度場模擬、凝固分析等[9]。采用仿真分析，由機器和人工評估工藝是否通過。通過后生成工藝報告。工藝設計過程中所提交的工藝等信息經過系統處理，生成工藝過程卡或工藝附圖等用于現場指導生產。其輸出包括電子版本的工藝過程卡片及有關的附圖資料。在工藝報告歸檔前，系統會再進行一次內部的專家評級(分別從時效、可加工性、安全性、先進性等方面打分評估)。假如評級≥B級標準，則歸入標準庫，用于機器學習，后續會作為推薦庫推薦給用戶使用；否則，歸入備選庫，后續僅用于檢索和用戶參考。

基于SOA的CAPP服務集成如圖4所示。

圖4 基于SOA的CAPP服務集成

由圖4可知，基于SOA的CAPP服務是工藝檢索服務、輔助分析服務、工藝仿真服務、工藝生成服務、工藝評估服務等不同應用層服務的有機集成。用戶無需分別調用不同服務，而是由系統根據用戶平時操作習慣，依據客戶意向單中填寫需要獲取的工藝模式和輔助分析類型自動生成Web接口。系統向導式地自動向提供用戶想要的工藝參數輸入和調整接口、擠壓過程模擬結果和分析、工藝生成和評估結果等界面。

4 實例研究

鋁合金輪轂模型如圖5所示。以該汽車輪轂鑄件為樣件，分析基于SOA的輕合金擠壓鑄造的CAPP系統的實施。其中：輪輞直徑為432 mm；輪輞高度為178 mm；所采用的材料為A356鋁合金。

圖5 鋁合金輪轂模型

輪轂的擠壓鑄造工藝的鑄造模具通常選用H13模具鋼。擠壓鑄造過程中，在爐內氣體壓力的作用下，金屬液由升液管經內澆口低速平穩地充填型腔；隨后增壓保壓，使鑄件在壓力下凝固；接著卸壓;最后開模，取出工件。以下使用基于SOA的CAPP系統進行工藝設計和驗證分析[10]。

4.1 系統開發

整個系統采用Cordys BOP 4平臺，基于WS-AppServer開發。WS-AppServer是Web Service Application Server的簡稱，是Cordys平臺中基于數據庫的Java業務邏輯開發層。

WS-AppServer可以方便地通過連接池訪問數據庫，實現海量擠壓工藝數據庫的訪問和維護。它能夠基于BPM流程生成對應的表單，并產生Java基礎代碼。用戶可以基于代碼增刪獨立的邏輯作為新的Java方法，并發布成Web服務。此外，WS-AppServer可以與XForm緊密集成，生成圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)接口，使后端邏輯控制方便地在前端展現。

4.2 工藝設計

工藝設計的內容主要是設定以下參數和方法。

①模具預熱溫度。模具預熱溫度的高低和鑄件質量以及鑄型壽命密切。預熱溫度過低時，合金液在注入型腔后凝固的速度會過快，在加壓保壓前就固化成較厚的結晶硬殼，影響最終的成型效果; 預熱溫度過高，則會增加鑄型的熱應力，易造成金屬液與型腔表面粘結，導致鑄型壽命降低[11]。系統根據材料參數推薦預熱溫度為240～250 ℃。因此，本設計的設定值為245 ℃。

②合金澆鑄溫度。合金澆鑄溫度一般選擇比合金液相線溫度高50～100 ℃。所以根據系統推薦設定為680 ℃。

③壓力。在保證鑄件成型質量的前提下，壓力應盡量取較低值。對于A356材料，系統建議壓力范圍應在 60～150 Mpa。實際設定值選取壓力低值的三分之一區域，為90 MPa。

④加壓時間。加壓時間不能過長，否則會導致鑄件的強度和伸長率都降低。通常應在盡量短的時間內加壓至目標值。系統推薦該時間為 50～100 ms。實際設定選擇中值為75 ms。

⑤合金充型速度。充型速度過快會導致液態金屬產生渦流卷入氣體。該氣體假如滯留在鑄件中，會導致鑄件在后續熱處理工藝過程中產生氣泡。充型速度過慢則會導致合金熔液會因短時間凝固量過大而不能充滿型腔。根據系統推薦值0.1～0.3 m/s，選擇中值為0.2 m/s。

⑥保壓時間。保壓時間主要根據鑄件的厚度而定，應控制在鑄件能夠完全凝固時為宜。保壓時間根據系統推薦設定為30 s。

⑦模具材料。模具型芯和鑲塊的材料為H13模具鋼。模架材料選擇為普通的45鋼。除以上部分，需要淬火的零部件材料為T10A。

⑧分型面的選擇。根據輪轂的形狀選擇組合分型面類型。受鑄件結構的制約，除了橫向縱向上的分型，還包含側抽芯上的一個成型型芯。開模時，要求先開模后抽芯。合模時，要求先側型芯回位再合模。這種分型面選擇設計不僅需要參考系統推薦，還需要人工優化。

基于Web的輪轂人機交互工藝設計接口可以方便地填寫和設定關鍵的工藝參數，并自動生成相關的擠壓工序。

根據系統的工藝設計結果，在澆注溫度 680 ℃、模具預熱溫度 245 ℃、沖頭速度 0.2 m/s、保壓壓力90 MPa 的條件下，以加壓時間75 s、保壓時間30 s作為主要的工藝參數，進入工藝仿真和驗證階段。

4.3 工藝驗證

傳統的CAPP設計軟件并不具備仿真能力，所以編制出的工藝只能通過真實的擠壓鑄造加工過程來驗證，費時費力。而CAPP工藝的數值模擬涉及多種專業軟件，如UGNX用于逆向設計、NASTRAN軟件用于有限元結構分析、ANSYS FLUENT用于流體分析等。一般的用戶難以掌握這么多軟件，并以其實現工藝的仿真和驗證。

基于SOA的CAPP系統解決了這個難題。它使用戶只需通過網頁調用分析插件并輸入簡單的參數，即可獲得分析結果。實際工藝制定中會進行更多、更詳盡的分析和驗證，包含充型過程和凝固過程中的溫度場、速度場、熱應力分析等。鑒于篇幅限制，本文僅對以上工藝作充型過程的溫度場模擬和驗證作為示例。

通過Web頁面，系統可以調用溫度場模擬接口。這是通過Web Service方式調用和實現的。其fluent模型顯示可以通過在后臺Java腳本中運行fluent內部命令，從而讀取fluent的case和data文件的方法實現。通過軟件，可以看到輪轂擠壓鑄造澆注充型過程的溫度模擬。在工藝參數輸入為澆注溫度 680 ℃、模具預熱溫度 245 ℃、沖頭速度0.2 m/s、保壓壓力90 MPa的條件下，型腔剛剛充滿到100%時的溫度場模擬?？稍谀M中判斷溫度分布，不同的顏色對應不同的溫度，顏色的變化對應溫度的變化。金屬液由底部中心的澆道注入型腔，沿著模具輪廓對型腔進行填充。填充過程中，金屬液先在輪轂底邊對接處匯合；前端溫度較低的金屬液因為含氣較多、夾雜較多而質量欠佳，會被收集到此處的溢流槽中。金屬液以層疊的方式進行充型，把型腔中的氣體從上部逐層排放到輪圈邊緣的溢流槽中。通過基于Web的溫度場模擬可知，在充型到100%的時刻，金屬液體溫度跨度比較穩定，充型狀態良好。整個充型過程中溫度變化平穩，沒有過高或者過低的溫度點；型腔充滿時，整個型腔溫度分布均勻，沒有形成過大的溫差。

4.4 結果分析

通過充型溫度場的驗證分析可以看出，在工藝條件(澆注溫度 680 ℃、模具預熱溫度 245 ℃、沖頭速度0.2 m/s、保壓壓力90 MPa)下充型，輪轂底部溫度為531 ℃、頂部溫度680 ℃。整體上看：鑄件溫度平穩、分布均勻；充型液流溫度場過度均勻，充型狀態良好；完成充型后的鑄件溫度分布均勻。

5 結論

本文借鑒了SOA的松耦合架構?；赟OA的輕合金擠壓鑄造CAPP系統可以將各個原子化的業務、設計、仿真、歸檔等服務進行重新整合使用，能大大減少工藝反復驗證和調試的時間，提高汽車零配件擠壓鑄造CAPP的效率；能夠幫助相關企業快速實現CAPP業務流程的變更，迅速適應市場的變化。這種方法能將應用程序的不同功能單元或者服務進行拆分和重新組合，并通過標準統一的接口和協議將它們有機地聯系起來。該方法使企業能夠快速地對相關業務流程進行重組和調整，在很大程度減少了系統升級、維護的成本，也節約了系統二次開發的成本。企業因此能夠更快地適應汽車相關產品瞬息萬變的市場需求。