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2、精密鍛造設(shè)備

為了滿足精密鍛造工藝的要求，精密鍛造設(shè)備需要具備如下特點。

1)具有較好的剛性，使變形過程中機器本身的變形較小，保證鍛造工件的尺寸精度。

2)具有精密的導(dǎo)向機構(gòu)，保證模具的合模精。

3)具有多缸的動作能力，實現(xiàn)精密鍛造多個模具運動的要求。

4)具有生產(chǎn)工序的自動監(jiān)控和檢測功能等。

對于熱精密鍛造常用的設(shè)備包括高能螺旋壓力機、電液錘、熱模鍛壓力機等，冷精密鍛造成形常用的設(shè)備包括冷鍛壓力機、冷擠壓機、冷鐓機、冷擺輾機等。由于進口設(shè)備價格昂貴，而改造設(shè)備其精度和可靠性較差，因此迫切需要研究和開發(fā)國產(chǎn)的精密鍛造設(shè)備，近年來國產(chǎn)精密鍛造設(shè)備獲得很大發(fā)展。

3.精密鍛造模具

與普通鍛造成形相比，精密鍛造成形變形抗力更大，模具的工作狀態(tài)更惡劣，因此精密鍛造模具的綜合機械性能要求更高。同時，在精密鍛造中，模具的尺寸精度和表面粗糙度將直接傳遞給鍛件，為了保證鍛件的尺寸精度和表面粗糙度，要求精密鍛造模具具有較高的尺寸精度和表面粗糙度。

為了滿足精密鍛造成形對模具的要求，模具設(shè)計和制造時，要選擇合理的模具結(jié)構(gòu)、模具材料、加工方法及熱處理方法，以保證其精度和機械性能。近年來為了進一步提高模具的精度和使用壽命，模具彈性補償、高速切削、模具補焊等一些新的模具設(shè)計、制造技術(shù)在精密鍛造模具中得到應(yīng)用。

3.1模具彈性形變的補償

鍛造成形過程中，在變形抗力及摩擦力等因素的作用下，模具將發(fā)生一定的彈性變形，這一變形使得模腔輪廓由正常形狀向一個與載荷分布相關(guān)的形狀變化，金屬的成形也將不再以模腔原始輪廓為依據(jù)。很多鍛造工藝與模具設(shè)計時往往忽略由此產(chǎn)生的工件表面幾何精度誤差，但對于精密鍛造工藝卻是一個非常重要的和不容忽視的問題。解決的方法一般是通過計算或者模擬的方法對模具彈性變形進行分析計算，并在模具型腔設(shè)計時，提前進行形狀補償。

3.2模具的高速切削

傳統(tǒng)制模工藝需要在加工出型腔后進行淬火處理，以提高模具硬度，由于存在著熱處理變形，勢必影響模具及鍛件精度。解決熱處理變形對精鍛模具精度影響的方法主要有兩種：減少熱處理的變形，選擇熱處理性能較好的材料，制定合理的熱處理工藝，該方法可以減少熱處理變形，但是不能完全消除其影響；采用高速切削技術(shù)加工模具，高速切削可以直接加工淬火硬度達HRC 50的鍛模型腔， 可以先淬火后加工，以減小熱處理的變形，提高模具精度，同時該技術(shù)還能縮短制模周期。

3.3模具補焊技術(shù)

精密鍛造工藝一般變形抗力較大，模具壽命較低，為了提高模具的重復(fù)使用壽命，模具補焊技術(shù)在精密鍛造成形中得到了廣泛應(yīng)用。補焊的焊條材料為高合金鋼， 補焊后的模具材料硬度可達HRC 60。根據(jù)國內(nèi)某企業(yè)的試用結(jié)果，補焊后鑲塊式連桿錘鍛模的平均壽命提高了1.63倍。

4、精密鍛造成形過程數(shù)值模擬

對于精密鍛造成形，成形工藝與模具設(shè)計往往依靠一些經(jīng)驗和直覺作為設(shè)計準(zhǔn)則，在經(jīng)過一次次試模、修正和改進后，才確定正確的工藝參數(shù)。這種常規(guī)方法具有很大的盲目性和試探性，并帶來鍛造設(shè)備、材料和時間的浪費。這種缺乏科學(xué)性的經(jīng)驗方法，因其周期長、成本高、精度低，已不再適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展要求。

目前鍛造成形過程的計算機數(shù)值模擬得到廣泛應(yīng)用，利用數(shù)值模擬方法，可方便地確定塑性成形過程各個階段所需的變形功和載荷，獲得工件的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布和金屬流動規(guī)律，獲得模具的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布，預(yù)測工件的成形狀況、殘余應(yīng)力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布，為精密鍛造成形過程的模擬與優(yōu)化設(shè)計提供了強有力的工具。將數(shù)值模擬方法運用于精密鍛造成形分析，主要有正向模擬技術(shù)和反向模擬技術(shù)等2種方式。

4.1正向模擬技術(shù)

正向模擬是從坯料開始，模擬工件在模具作用下的整個成形過程，以獲得工件的變形情況和各種場變量的分布。數(shù)值模擬方法中較為精確且被廣泛使用的方法為有限元法。當(dāng)前已有一些大型的通用數(shù)值模擬商品化軟件， 為工業(yè)界提供了可靠的模具設(shè)計驗證工具。

應(yīng)用這些分析工具對成形工藝過程進行模擬，使設(shè)計者可以分析模具形狀、工藝參數(shù)等與產(chǎn)品性能之間的關(guān)系，觀察成形情況以及是否產(chǎn)生內(nèi)部或外部的缺陷，進而修改工藝及模具直到滿意狀態(tài)，從而在保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少材料消耗、提高生產(chǎn)率及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期等方面顯示了顯著的優(yōu)越性。

數(shù)值模擬方法在實際精密鍛造成形中得到了廣泛的應(yīng)用。通過數(shù)值模擬研究了鏈軌節(jié)多工位連續(xù)鍛造成形過程模具設(shè)計和坯料的初始位置定位，以減小終鍛成形的飛邊；對葉片精鍛過程進行了三維剛粘塑性有限元模擬；對直齒圓柱齒輪精鍛成形過程進行了模擬和工藝改進優(yōu)化；對汽車發(fā)電機磁極精鍛成形過程進行了模擬及其成形工藝優(yōu)化；采用多場耦合技術(shù)分析了TC4葉片精鍛成形的微觀組織的演變。以三維鐓粗為例對其微觀組織的演化進行了實驗和數(shù)值模擬研究等。

隨著有限元分析軟件的發(fā)展，精密鍛造成形有限元模擬由二維向三維發(fā)展，由宏觀向微觀發(fā)展，由單.一場向多場耦合發(fā)展，取得了長足進步。然而精密鍛造成形有限元模擬要實現(xiàn)真正的工程應(yīng)用，仍有一些問題有待提高和完善。

1)分析效率的提高。復(fù)雜鍛造成形過程分析效率較低，其中一個主要的原因是分析過程中，由于網(wǎng)格畸變導(dǎo)致的網(wǎng)格再劃分。其有效的解決方法是采用抗畸變能力較強的六面體網(wǎng)格替代目前常用的四面網(wǎng)格，開發(fā)基于六面體網(wǎng)格有限元分析程序。

2)分析內(nèi)容的擴展。目前，大多數(shù)的有限元分析軟件對于工件幾何形狀、應(yīng)力應(yīng)變場分布等力學(xué)參數(shù)的計算已經(jīng)比較成熟，但是對于材料的微觀組織演變的分析還處于起步和探索階段。而材料微觀組織的演變對工件的機械性能影響顯著，也是工藝和模具設(shè)計關(guān)注的重要問題。因此，材料的微觀組織演變的分析將是鍛造成形有限元分析軟件一個重要的研究和發(fā)展方向。

4.2反向模擬技術(shù)

自20世紀80年代中期， Kobayashi tin等提出了一種有限元反向跟蹤(反向模擬)方法，并應(yīng)用于實際鍛造成形問題的預(yù)成形設(shè)計。這種反向跟蹤方法是從完全充滿終鍛模腔的終鍛件形狀出發(fā)，以逆向變形方式模擬材料變形規(guī)律，按照規(guī)定的邊界條件控制準(zhǔn)則，通過解除邊界節(jié)點的約束條件而得到任意時刻的預(yù)成形件形狀。以該預(yù)成形形狀為成形起點可以成形形狀精確的工件，因此該項技術(shù)可以應(yīng)用于精密鍛造成形的工藝設(shè)計中。

等將優(yōu)化方法應(yīng)用于有限元反向跟蹤和預(yù)成形設(shè)計，從而尋求在這種特定邊界條件下的預(yù)成形設(shè)計。趙國群等根據(jù)工件形狀復(fù)雜程度建立了有限元逆向仿真的邊界條件控制準(zhǔn)則和相應(yīng)的預(yù)成形設(shè)計方法。Kang 1211還用剛塑性有限元反向模擬方法對擠壓進行了預(yù)成形設(shè)計，以使擠出件具有平端頭， 并用實驗驗證了設(shè)計結(jié)果。等對葉片成形過程進行了反向模擬，獲得理想的預(yù)鍛件形狀。

反向模擬方法依賴于邊界條件的控制準(zhǔn)則。由于材料成形路徑的多樣化，建立通用的或者最佳的邊界條件控制準(zhǔn)則，仍存在較大的困難。而且通常反向模擬得到的預(yù)成形件的形狀過于復(fù)雜，很難鍛造成形，這又增加了預(yù)成形模具和鍛造設(shè)備設(shè)計的難度。

作者：王忠雷 趙國群(1.山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心，濟南250061；2.山東建筑大學(xué)機電工程學(xué)院，濟南250101)

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