基于SOA的轻合金挤压铸造CAPP系统研究

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

面向服务的架构(service-oriented architecture，SOA)是一个组件模型。它将应用程序的不同功能单元/服务进行拆分和组合，然后通过重新定义不同单元/服务之间的接口和协议，使其重新联系起来。而把SOA应用到计算机辅助工艺设计(computer-aided process planning,CAPP)系统中，就是把原来基于应用程序的CAPP系统拆分为不同功能单元的组件模型，通过中立的接口和协议连接起来，通过Web服务使处于异地的不同用户可以跨语言、跨平台、跨地域使用CAPP功能[1]。基于SOA的轻合金挤压铸造CAPP系统是研究在不对现有系统作任何改变的前提下，封装当前的CAPP系统和应用成服务，并在应用层生成对应的接口，用于与其他系统交互，从而实现系统的快速集成。该研究通过使用标准化的架构提升开发效率，并降低整个CAPP系统的开发、维护成本。

1 轻合金挤压铸造及其工艺流程

挤压铸造是适用于力学性能和气密性要求高的厚壁铸件挤压成型的一种加工方法。该方法的主要加工对象包括:汽车、摩托车铝轮毂；发动机活塞、缸盖、缸体、传动箱体等；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；各种仪表及电子仪器壳体件等[2]。这些部件为了轻量化的目的，大多数由铝镁、锌合金、铜合金等轻合金制成。轻合金是由两种或两种以上密度小于或等于4.5g/cm3的金属元素(如铝、镁、钛等)熔合而成的合金。

本文研究的轻合金挤压铸造是汽车零配件挤压铸造CAPP系统的一个分支。轻合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点，是理想的航天工程结构材料[3]。轻合金材料的应用研究也在近年得到了迅猛发展，比如说在冶炼、加工、应用以及装备制造多方面都有了重大进展，并转化得到大量的产业化成果[4]。所以，本文针对轻合金的挤压铸造工艺流程及其特点进行分析。

传统轻合金挤压铸造工艺过程可以分为4个阶段，即准备阶段，充型阶段、凝固阶段和开模阶段。在充型阶段和凝固阶段，其整个流程需要不停地调整工艺参数，通过反复验证和试验，才能最终确定最佳参数[5]。通常，为了更快地得到最佳工艺参数，还需要进行数值模拟分析，如模拟挤压铸造过程中的流场、温度场推算出凝固过程中液相的分布区域和缺陷分布，以判断工艺参数是否合理。这样可以更快地调试出最佳的工艺参数，并得到优化的模具设计。这个过程涉及较多工艺参数，如铸造方式选择、腔内件数计算、压室容量选择、内浇口选择、分型面选择，以及充型凝固密切相关的有模具预热温度、合金浇铸温度、压力、加压时间、合金充型速度、保压时间等值的设定。另外，为便于开模，还需考虑铸型涂料选择。当前条件下，传统的工艺设计过程和数值模拟分析过程通常由不同的专业人员操作，需要安装不同的应用软件，如MATLAB、Fluent等；而辅助工艺软件多由厂商自主开发或定制，接口也是多种多样的。所以整个流程实现起来非常不便利，需要多次的需求验证和反复调试。

传统轻合金挤压铸造工艺过程如图1所示。

图1 传统轻合金挤压铸造工艺过程

2 基于Web服务的挤压铸造CAPP系统

SOA的核心是通过Web服务建立功能模块的松耦合，使用户不再需要依赖专用的平台和接口，通过网络即可在任何地方调用有关的服务[6]。

传统的CAPP系统并没有具体的标准，是在产品增长和工艺发展的过程中不断建立和完善的。所以在开发过程中，各功能模块之间通常使用点对点的数据接口实现信息传递和共享。该方法耦合性很强，难以跨系统使用，无法适应当前汽车产品零配件的快速更新的市场变化。因此，本文提出了基于SOA的挤压铸造CAPP系统。基于SOA的挤压铸造CAPP系统由数据层、服务层、应用层组成。

基于SOA的挤压铸造CAPP系统如图2所示。

图2 基于SOA的挤压铸造CAPP系统

2.1 数据层

数据层主要包括设计工艺知识库、推理分析知识库和仿真执行知识库。由于不同应用系统知识库和数据源结构不同，数据访问形式也多种多样，因此数据的互操作性很难在数据层面上实现[7]。

2.2 服务层

服务层主要为企业级的上层管理系统提供服务。SOA平台开发基于成熟的商业软件Cordys。Cordys的业务流程管理套件(business process management suite,BPMS)是其运营平台的主要组件之一。BPMS可以让企业对象直接控制它们的流程，从而只需在行政决策与应用实施之间花费极短的延迟时间。这样可以获得响应更快的业务环境，并可通过持续改进流程获取更高的效率和效益。业务流程管理(business process management，BPM)流程引擎是BPM流程的转化和实现。简而言之，BPM流程引擎就是把外部应用层用户提出的需求转化为内部系统实施的业务流程的模块。

2.3 应用层

应用层是对外接口部门处理具体业务的平台，由图2可知，主要包含数据控制、资源控制和工艺控制三大类业务。具体对象指服务资源和数据内容的导入和控制、工艺知识规范数据的导入控制以及具体工艺流程信息，工艺卡片的生成调度和控制等，分别实现业务数据在系统中的子模块调度，以及主数据在系统中的服务创建和更新。主数据的创建和更新包含服务资源、工艺数据等主要数据的创建、修改和更新。

3 基于SOA的CAPP应用实施

3.1 基于SOA的智能协作

基于SOA的CAPP系统在整合现有应用系统数据资源的基础上，整合了传统工艺流程中的不同步骤，通过重新建立工作流程，构建了集成化、一体化的综合服务平台。

基于SOA的挤压铸造CAPP系统应用如图3所示。

图3 基于SOA的挤压铸造CAPP系统应用

整个CAPP系统的应用和实施分为系统设施层、数据集成层和服务集成层。

①系统设施层。该层是基础的软硬件平台，是基于SOA的CAPP系统的基础支撑。

②数据集成层。该层主要整合现有的汽车零件知识库、挤压铸造知识库、模具设计知识库、工艺知识库、前处理数据库、工艺过程数据库、后处理数据库等相关数据库，并按照指定数据格式将其统一规范化为标准数据库，从而构建数据共享中心。系统采用企业服务总线(enterprise service bus，ESB)技术进行数据交换和集成。

③服务集成层。该层用于集成各子功能模块，通过portal技术统一访问入口，向用户提供统一认证的交互界面，对信息实现统一的注册、管理和发布。该层利用Web技术调用接口，采用ESB技术集成服务、通过内外部服务与集成平台之间的服务接口实现内部各子系统间互联和协同管理。

基于SOA的CAPP系统主要是把原来松耦合的一些CAPP工艺所需的模块有机合成到一个系统中，根据匹配历史知识库和不断学习增加新的知识库，使系统的工艺知识越来越丰富，并把新的知识反向应用到人机交互的工艺建立过程中。在实际的工艺建立过程中，不同的工艺阶段对应不同的角色和负责人员。整个工艺系统会整合不同阶段的输入和输出，实现了制造过程中不同阶段的智能协作，从而推进整个工艺流程越来越便捷和高效，使生成的工艺也更加合理和科学。

3.2 基于SOA的CAPP服务集成

整个流程以业务数据导入为入口，基于在线提交的客户意向，根据难度和所需资源的复杂度提供报价，经过和客户协商，最终同意生成订单。系统根据订单中的模块调用所需资源并动态生成用户的Web入口[8]。用户通过页面进入设计阶段。设计阶段需要用户输入有关的工艺参数。缺乏经验的用户系统会根据工艺库中推荐的工艺辅助客户生成工艺。工艺设计阶段需要填写很多CAPP相关的工艺参数，如预热温度、浇铸温度、加压时间等。在工艺验证阶段，系统会根据客户订单提交的仿真模块需求，动态调入仿真页面辅助，从而辅助用户分析所生成的工艺，如速度场模拟、温度场模拟、凝固分析等[9]。采用仿真分析，由机器和人工评估工艺是否通过。通过后生成工艺报告。工艺设计过程中所提交的工艺等信息经过系统处理，生成工艺过程卡或工艺附图等用于现场指导生产。其输出包括电子版本的工艺过程卡片及有关的附图资料。在工艺报告归档前，系统会再进行一次内部的专家评级(分别从时效、可加工性、安全性、先进性等方面打分评估)。假如评级≥B级标准，则归入标准库，用于机器学习，后续会作为推荐库推荐给用户使用；否则，归入备选库，后续仅用于检索和用户参考。

基于SOA的CAPP服务集成如图4所示。

图4 基于SOA的CAPP服务集成

由图4可知，基于SOA的CAPP服务是工艺检索服务、辅助分析服务、工艺仿真服务、工艺生成服务、工艺评估服务等不同应用层服务的有机集成。用户无需分别调用不同服务，而是由系统根据用户平时操作习惯，依据客户意向单中填写需要获取的工艺模式和辅助分析类型自动生成Web接口。系统向导式地自动向提供用户想要的工艺参数输入和调整接口、挤压过程模拟结果和分析、工艺生成和评估结果等界面。

4 实例研究

铝合金轮毂模型如图5所示。以该汽车轮毂铸件为样件，分析基于SOA的轻合金挤压铸造的CAPP系统的实施。其中：轮辋直径为432 mm；轮辋高度为178 mm；所采用的材料为A356铝合金。

图5 铝合金轮毂模型

轮毂的挤压铸造工艺的铸造模具通常选用H13模具钢。挤压铸造过程中，在炉内气体压力的作用下，金属液由升液管经内浇口低速平稳地充填型腔；随后增压保压，使铸件在压力下凝固；接着卸压;最后开模，取出工件。以下使用基于SOA的CAPP系统进行工艺设计和验证分析[10]。

4.1 系统开发

整个系统采用Cordys BOP 4平台，基于WS-AppServer开发。WS-AppServer是Web Service Application Server的简称，是Cordys平台中基于数据库的Java业务逻辑开发层。

WS-AppServer可以方便地通过连接池访问数据库，实现海量挤压工艺数据库的访问和维护。它能够基于BPM流程生成对应的表单，并产生Java基础代码。用户可以基于代码增删独立的逻辑作为新的Java方法，并发布成Web服务。此外，WS-AppServer可以与XForm紧密集成，生成图形用户界面(graphical user interface,GUI)接口，使后端逻辑控制方便地在前端展现。

4.2 工艺设计

工艺设计的内容主要是设定以下参数和方法。

①模具预热温度。模具预热温度的高低和铸件质量以及铸型寿命密切。预热温度过低时，合金液在注入型腔后凝固的速度会过快，在加压保压前就固化成较厚的结晶硬壳，影响最终的成型效果; 预热温度过高，则会增加铸型的热应力，易造成金属液与型腔表面粘结，导致铸型寿命降低[11]。系统根据材料参数推荐预热温度为240～250 ℃。因此，本设计的设定值为245 ℃。

②合金浇铸温度。合金浇铸温度一般选择比合金液相线温度高50～100 ℃。所以根据系统推荐设定为680 ℃。

③压力。在保证铸件成型质量的前提下，压力应尽量取较低值。对于A356材料，系统建议压力范围应在 60～150 Mpa。实际设定值选取压力低值的三分之一区域，为90 MPa。

④加压时间。加压时间不能过长，否则会导致铸件的强度和伸长率都降低。通常应在尽量短的时间内加压至目标值。系统推荐该时间为 50～100 ms。实际设定选择中值为75 ms。

⑤合金充型速度。充型速度过快会导致液态金属产生涡流卷入气体。该气体假如滞留在铸件中，会导致铸件在后续热处理工艺过程中产生气泡。充型速度过慢则会导致合金熔液会因短时间凝固量过大而不能充满型腔。根据系统推荐值0.1～0.3 m/s，选择中值为0.2 m/s。

⑥保压时间。保压时间主要根据铸件的厚度而定，应控制在铸件能够完全凝固时为宜。保压时间根据系统推荐设定为30 s。

⑦模具材料。模具型芯和镶块的材料为H13模具钢。模架材料选择为普通的45钢。除以上部分，需要淬火的零部件材料为T10A。

⑧分型面的选择。根据轮毂的形状选择组合分型面类型。受铸件结构的制约，除了横向纵向上的分型，还包含侧抽芯上的一个成型型芯。开模时，要求先开模后抽芯。合模时，要求先侧型芯回位再合模。这种分型面选择设计不仅需要参考系统推荐，还需要人工优化。

基于Web的轮毂人机交互工艺设计接口可以方便地填写和设定关键的工艺参数，并自动生成相关的挤压工序。

根据系统的工艺设计结果，在浇注温度 680 ℃、模具预热温度 245 ℃、冲头速度 0.2 m/s、保压压力90 MPa 的条件下，以加压时间75 s、保压时间30 s作为主要的工艺参数，进入工艺仿真和验证阶段。

4.3 工艺验证

传统的CAPP设计软件并不具备仿真能力，所以编制出的工艺只能通过真实的挤压铸造加工过程来验证，费时费力。而CAPP工艺的数值模拟涉及多种专业软件，如UGNX用于逆向设计、NASTRAN软件用于有限元结构分析、ANSYS FLUENT用于流体分析等。一般的用户难以掌握这么多软件，并以其实现工艺的仿真和验证。

基于SOA的CAPP系统解决了这个难题。它使用户只需通过网页调用分析插件并输入简单的参数，即可获得分析结果。实际工艺制定中会进行更多、更详尽的分析和验证，包含充型过程和凝固过程中的温度场、速度场、热应力分析等。鉴于篇幅限制，本文仅对以上工艺作充型过程的温度场模拟和验证作为示例。

通过Web页面，系统可以调用温度场模拟接口。这是通过Web Service方式调用和实现的。其fluent模型显示可以通过在后台Java脚本中运行fluent内部命令，从而读取fluent的case和data文件的方法实现。通过软件，可以看到轮毂挤压铸造浇注充型过程的温度模拟。在工艺参数输入为浇注温度 680 ℃、模具预热温度 245 ℃、冲头速度0.2 m/s、保压压力90 MPa的条件下，型腔刚刚充满到100%时的温度场模拟。可在模拟中判断温度分布，不同的颜色对应不同的温度，颜色的变化对应温度的变化。金属液由底部中心的浇道注入型腔，沿着模具轮廓对型腔进行填充。填充过程中，金属液先在轮毂底边对接处汇合；前端温度较低的金属液因为含气较多、夹杂较多而质量欠佳，会被收集到此处的溢流槽中。金属液以层叠的方式进行充型，把型腔中的气体从上部逐层排放到轮圈边缘的溢流槽中。通过基于Web的温度场模拟可知，在充型到100%的时刻，金属液体温度跨度比较稳定，充型状态良好。整个充型过程中温度变化平稳，没有过高或者过低的温度点；型腔充满时，整个型腔温度分布均匀，没有形成过大的温差。

4.4 结果分析

通过充型温度场的验证分析可以看出，在工艺条件(浇注温度 680 ℃、模具预热温度 245 ℃、冲头速度0.2 m/s、保压压力90 MPa)下充型，轮毂底部温度为531 ℃、顶部温度680 ℃。整体上看：铸件温度平稳、分布均匀；充型液流温度场过度均匀，充型状态良好；完成充型后的铸件温度分布均匀。

5 结论

本文借鉴了SOA的松耦合架构。基于SOA的轻合金挤压铸造CAPP系统可以将各个原子化的业务、设计、仿真、归档等服务进行重新整合使用，能大大减少工艺反复验证和调试的时间，提高汽车零配件挤压铸造CAPP的效率；能够帮助相关企业快速实现CAPP业务流程的变更，迅速适应市场的变化。这种方法能将应用程序的不同功能单元或者服务进行拆分和重新组合，并通过标准统一的接口和协议将它们有机地联系起来。该方法使企业能够快速地对相关业务流程进行重组和调整，在很大程度减少了系统升级、维护的成本，也节约了系统二次开发的成本。企业因此能够更快地适应汽车相关产品瞬息万变的市场需求。