渗碳钢选材和渗碳技术指标专家咨询系统研究

张戈

【摘要】研制了热处理CAD中渗碳钢选材和渗碳技术指标专家咨询系统,在用户输入一定的零件信息后,能够推理出渗碳材料和渗碳技术指标并生成、打印和保存说明书。探讨了几个模块,特别是用户自定义设计模块的设计方法及各模块存在的不足,为子系统本身和热处理CAD系统的完善提供了思路。
关键词 热处理CAD系统 专家咨询系统 渗碳材料 渗碳 技术指标

Reseach on Carburizing Material Choosing
and Carburization Technological Target Designing System

Zhang Ge
(The Public Laboratory of the Education Ministry of P.R. China
for High Temperature and High Temperature Tests,Shanghai Jiaotong University)

Abstract This paper studies carburizing material choosing and carburiztion technological target designing expert consulting subsystem in heat treatment CAD system.When certain material information is input,reasonable carburizing material and carburization technological target are inferred,and the corresponding files are made,printed and saved.Furthermore,the design method and disadvantages of each module,especially user selfdefine design module,are discussed,which supplies advisement for improving the system in the future.
Key words heat treatment CAD system,expert consulting system,carburizating material,carburization technological target

  热处理是整个机械工业的重要环节之一,它直接影响到产品的内在质量和使用性能。热处理零件的选材,工艺的制定和工艺控制是保证热处理质量的重要因素。以往这一部分的工作完全由人工操作,不仅效率极低,而且由于选材、热处理指标及工艺设计的盲目性和不合理将影响零件的使用性能乃至整机性能。
  国内热处理工艺设计(包括零件的选材)仍停留在手工作业阶段,设计水平的高低取决于设计人员的经验和水平。建立热处理CAD系统之后,不仅可以使设计人员从大量重复性劳动中解放出来,改变过去靠经验进行生产的状况,变事后检测分析为事前预测,定性处理为定量处理,大大提高了我国的热处理生产技术水平,同时提高了机械工业设计的整体水平。与国外发达国家相比,我国开发应用热处理CAD软件还有很大差距。为此我们进行了热处理CAD的开发。

渗碳钢选材和渗碳技术专家咨询系统

  热处理CAD系统由若干子系统组成,其中包括一个渗碳钢选材和渗碳技术指标专家咨询系统,其目的是利用计算机选择合理的渗碳材料和提出合理的渗碳技术指标(表面硬度、心部硬度、表面碳浓度、渗层深度)。合理的选择渗碳材料不仅可以充分地发挥材料潜力,还可以降低材料成本,提高经济效益。合理的渗碳技术指标不仅可以使材料达到最终的产品性能要求,保证零件的使用寿命,还能降低热处理生产成本。
  1. 系统总体设计
  系统由几个功能子模块组成,包括典型渗碳零件技术指标查询模块、渗碳零件技术指标模块、渗碳零件技术指标用户自定义模块、渗碳零件技术指标调用模块。系统的总体结构如图1所示。

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图1 系统的总体结构

  各功能子模块实现目标如下:
  1)典型渗碳零件技术指标查询模块
  将典型的渗碳零件详细分类,以树型结构表示出来,通过对零件的逐级查找,查找到某一具体零件后,根据零件的特点,让用户选择相应的参数,如常用渗碳零件齿轮,需选择齿轮模数大小,系统可得到此类齿轮的一般情况下所用材料和渗碳技术指标要求,并给出材料和渗碳技术指标说明书,说明书可保存、打印。此系统内容可以增加。
  2)渗碳零件技术指标设计模块
  将渗碳零件分为齿轮、滚动件、活塞销、凸轮副和其他零件。根据各类零件的渗碳部位厚度、性能要求、工作条件和失效方式的选择情况,调用相应的推理机,得出材料和渗碳技术指标,并且给出材料和渗碳技术指标的设计说明书,说明书可以修改、保存和打印。
  3)渗碳零件技术指标用户自定义模块
  有时用户使用的零件不在可查找的零件范围之内,同时性能要求、工作条件和失效方式可能也比较特殊,找不到相应的推理机,也就无法得到渗碳材料和渗碳技术指标。为此,给用户开发一个设计平台,这个平台能实现如下功能:
  a.用户可按自己的方式将自用零件任意分类。
  b.添入此零件自定义性能要求、工作条件和失效方式。
  c.确定本次设计时所选用的零件性能要求、工作条件和失效方式。完成后,会弹出一张空白的渗碳技术指标设计说明书,根据产品实际情况,输入渗碳零件的钢号和渗碳技术指标,并保存。
  d.用户下一次再设计此零件技术指标时,如果选择与上次相同的性能要求、工作条件和失效方式,确认后,就会得到一张填写好的渗碳技术指标设计说明书,同时用户可将渗碳技术指标设计说明书修改并打印出来。如果需要重新选择零件的性能要求、工作条件和失效方式,确认后,就会得到一张空白的渗碳技术指标设计说明书,根据产品实际情况,输入新的渗碳零件的钢号和渗碳技术指标,并可修改、保存、打印。
  4)渗碳技术指标调用模块
  已完成的渗碳材料和渗碳技术指标设计说明书可通过零件图号、设计人员名称、零件名称、零件设计日期进行单一或复合查询、调用,并可保存、打印。

系统设计实现方法

  1. 典型渗碳技术指标查询的实现方法
  在此模块中,知识库用来存放各种典型渗碳零件在一般情况下所选材料和渗碳技术指标。为了提高系统的处理速度并有利于知识的组织与管理。一般情况下采用将知识分为若干层的子知识库来组成的方法,但这种方法管理起来不很方便。为此,我们使用二维关系型数据库来描述这种层次关系的知识,使得知识的管理和填充很方便。
  图2表示以齿轮为例的知识层次关系。表1,2表示知识在二维数据库中的存放方式示意(篇幅有限,有些项未在表1,2中列出)。

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图2 齿轮知识层次关系

  知识库中存放的内容表现形式不尽相同,有些是具体的内容,有些是系数,需要与外面的输入参数进行运算。如渗层深度一项,存入的就是系数,它与输入的模数值相乘,得到最后的渗层深度值。须指出的是,上面的项只是示意,实际项数比上面要多,如选材包括8项,渗层深度等要包括上、下限。我们为每一个层次树节点在数据库中定义了唯一索引号,每当选择一个节点,就通过计算得到这个节点索引号,再从数据库中检索这个索引,就能显示此节点下面子节点内容。如表1所示,如此节点再无子节点,就根据索引号调用数据库(结构如表2所示),可方便地查询到所选渗碳零件的材料和渗碳技术指标。

表1 知识在二维数据库中的存放方式

父结点名称 子1结点名称 子2结点名称 子3结点名称
其他渗碳零件
其他渗碳零件
……
齿轮
……
汽车齿轮
……
其他渗碳零件
小五金

汽车齿轮

汽车变速箱齿轮
 
齿轮
液压零件



……
 
动力机械零件
石油化工

拖拉机齿轮

汽车差速箱齿轮
 

表2 知识在二维数据库中的存放方式

零件名称 选材1 渗层深 表面硬度 心部硬度
汽车差速箱齿轮 20CrMnTi   0.35 58   32

  2. 渗碳技术指标设计实现方法
  零件信息根据零件类型(现分为齿轮、滚动、活塞销、凸轮副和其他零件5类)的不同,各有不同,但基本包括:零件图号,零件名称,零件型号,零件规格,形状,尺寸,性能要求(如心部强度要求),服役条件(如动载、静载等),失效方式(如摩擦、断裂、疲劳等)。当零件信息输入以后,内置的规则推理机将知识的前提条件和输入的零件信息相匹配,得出一个比较合理的渗碳材料和渗碳技术指标推荐值,渗碳零件技术指标设计工作原理图如图3所示,推理方法如图4所示。

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图3 渗碳零件技术指标设计工作原理图

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图4 推理方法示意图

  3. 渗碳零件技术指标用户自定义设计方法
  上面提到,有时用户使用的零件不在可查找的零件范围之内,同时性能要求、工作条件和失效方式可能也比较特殊,找不到相应的推理机,也就无法得到渗碳材料和渗碳技术指标。为此,应为用户准备一个自行设计平台,我们采用数据库技术来实现这个平台。其方法如下:
  1)与典型渗碳零件技术指标查询的方法相类似,我们用二维关系型数据库来描述一个自定义零件树形层次关系,但与查询不同的是,这种关系开始是空白,完全交给用户填写,授权用户可以自行调整零件层次关系,可减少层次和增加层次。目前我们设定的最大层数为4层,非授权用户可浏览层次关系。为了实现这一目标,在程序中,我们设定用户授权标记布尔量,TRUE代表授权用户,FALSE代表非授权用户。我们在数据库字段中设置了一个布尔变量字段,层次关系标记字段,TRUE代表树形关系最后一层,FALSE代表非最后一层,只有树形关系最后一层才提供平台下一步的操作。
  2)当你是授权用户时,会弹出一个此零件自定义性能要求、工作条件和失效方式设定窗口,下面为空白框,暂定为16个,每个空白框都可用鼠标点击删除,也可按“恢复”键恢复。用户确认了需填写的空白框的数目以后,在框中添入性能要求、工作条件和失效方式等。
  3)选择目前此零件的性能要求、工作条件和失效方式,确认后可得到一个空白的渗碳技术指标设计说明书。说明书上有零件图号、零件名称、零件型号、零件规格、有效厚度、推荐钢号、表面硬度、心部硬度、渗层深度、表面碳量等内容,用户可自行填写。其他如性能要求、工作条件和失效方式由前面选择时得到。整个结果保存在库中,可供其他用户调用。
  实现这一目标的难点在于如何保存零件设计时所填入的各种信息以及结果,以便其他用户有相同的性能要求、工作条件和失效方式时,能够对其设计提供帮助。为此,我们在数据库设定了两张表,一张表上存入空白框状态(被删除还是保留)和填写的性能要求、工作条件等内容;另一张表上存入所选的性能要求、工作条件和渗碳技术指标设计说明书的内容,可方便地实现上述功能。用户自定义设计流程如图5所示。

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图5 用户自定义设计流程图

结 语

  此系统的研制对渗碳零件选材和渗碳技术指标的选择提供了帮助,有些模块已在企业使用,不完善之处,需要在实际使用一段时间后加以丰富和改进。

责任编辑 黄进平

张戈(上海交通大学教育部高温材料及高温测试开发试验室 200030)

伞齿轮(BEVEL GEARS)/斜齿轮(HELICAL GEARS)/圆柱齿轮(SPUR GEARS)/螺旋伞齿轮(SPIRAL BEVEL GEARS)/蜗轮蜗杠(WORM & WORM WHEELS)/减速机(SPEED REDUCERS)/齿轮箱(GEARBOXES)等