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5、精密鍛造工藝優化

無論是正向模擬還是反向模擬，都可歸結為利用數值模擬技術進行設計結果驗證的試錯法。其基本思路仍與傳統的試錯法一樣，只不過所用的驗證手段不同，對不合理設計的修改還需要由設計者根據經驗提出，設計過程的自動化程度還很低。為了提高精密鍛造設備工藝和模具設計的效率和可靠性，近年來國內外學者對精密鍛造過程工藝與模具的優化設計進行了大量研究，并取得了較大進展。

精密鍛造過程工藝與模具的優化設計，一般以工藝參數或模具的形狀為設計變量，以工件的形狀或物理性能為目標函數，以有限元法方法為目標函數的計算器。采用高效的優化算法，實現工藝參數與模具形狀的自動優化。目前，常用到的優化方法包括：基于梯度的靈敏度分析優化算法，以及基于全局尋優的遺傳算法。

5.1靈敏度分析法

基于靈敏度分析的優化方法將精密鍛造設備過程的預成形設計和模具設計問題處理為優化問題，用嚴密的數學公式進行描述，將優化問題的目標函數定義為一組給定設計變量中所希望的最終狀態和數值計算狀態之間的誤差的某種程度。

靈敏度分析的方法需要計算目標函數對預成形參數的靈敏度信息(導數)，然后采用高效的優化算法進行優化設計。Zabar as等對靈敏度方法在鍛造成形工藝優化中的應用進行研究，采用該方法進行了預成型形狀、模具設計、零件的微觀組織等多個問題進行了研究。

趙國群等以實際終鍛件形狀與理想終鍛件形狀不重合區域的面積作為目標函數，以預成形模具的B樣條控制點作為優化設計變量，對預鍛設備模具的形狀進行了優化。將靈敏度分析法推廣到了鍛造過程的微觀組織方面，以減小整個鍛件上平均晶粒尺寸的平均值為目標，提出了一種基于靈敏度分析的用于優化鍛造過程中微觀組織的新算法。

靈敏度分析的優化方法效率高、收斂快，在鍛造工藝和模具優化設計中得到了廣泛的應用，并取得了很好的效果。由于靈敏度分析方法，需要用嚴密的數學公式對優化模型進行描述，并求解計算目標函數對預成形參數的靈敏度信息。對于三維復雜的鍛造過程來說，計算過程異常復雜，給程序設計帶來困難，同時也降低了計算的效率。因此，目前靈敏度分析的優化方法主要應用于平面和軸對稱問題的分析。

5.2微觀遺傳算法

遺傳算法是一種全局優化算法，它借鑒生物界自然選擇和進化機制發展起來的高度并行、隨機、自適應搜索算法，它通過自然選擇、遺傳、變異等作用機制，實現了各個個體的適應性的提高，并逐步使種群進化到包含近似最優解的狀態。

遺傳算法仍屬隨機型算法范疇，與多數隨機型方法不同的是，它僅搜索那些最有可能找到優化方案的局部區域，效率較高。由于精密鍛造過程的優化的目標函數，通過有限元模擬進行求解，效率很低。因此，一般選擇群體規模較少的微觀遺傳算法作為優化算法。

羅仁平等采用微觀遺傳算法對平面應變方坯鐓粗和軸對稱H型截面零件的鍛造進行了預成形優化設計；管婧以鍛件形狀和鍛件微觀組織分布均勻性為優化目標，采用微觀遺傳算法對鍛造成形過程進行多目標優化研究，取得了良好的效果。遺傳算法穩定性、可收斂性強，對問題的復雜程度不敏感，理論上可以用于任何的精密鍛造工藝與模具的優化設計。

由于其收斂速度慢，而優化的目標函數求解困難、效率低，造成了優化過程的計算時間過長，影響了其在工程實踐中的應用。兩種算法的比較來看，基于靈敏度的優化方法比遺傳算法收斂快，但是程序設計復雜。靈敏度的優化方法對模型的復雜程度比較敏感，因此在模型簡單、明確時選用基于靈敏度的優化方法，模型復雜、不明確是選用遺傳算法。

6精密鍛造發展趨勢的展望

精密鍛造成形作為一種高效、節材的加工方法受到越來越多企業的重視，隨著制造業的飛速發展，以及制造業企業市場競爭的日趨劇烈，企業對于精密鍛造設備工藝的要求越來越高，也對精密鍛造成形技術的研究提出了新的挑戰，未來對于精密鍛造成形的研究主要包括如下幾個方面。

6.1工件質量的進一步提高

為了進一步降低成本，目前精密鍛造成形已經由精化毛坯的準凈成形向直接生產零件的凈成形發展。提高工件的尺寸精度是精密鍛造成形工藝研究的重點方向，研究的內容主要包括如下幾個方面。

1)鍛造系統的彈性補償。精密鍛造過程中，變形抗力較大，模具、鍛造設備和以及工件本身不可避免的發生彈性變形，并直接影響鍛件的精度。對整個鍛造系統的彈性補償是進一步提高精密鍛造成形精度的關鍵問題，也是一個難點問題。

2)復合工藝方法的開發。隨著成形零件工藝要求的不斷提高，單一的精密鍛造很難滿足要求，這就需要開發復合成形工藝，將不同溫度或不同工藝方法的精密成形工藝結合起來，取長補短共同完成一個零件的加工制造，提高精密成形工藝的加工精度和應用范圍。

6.2多元化材料的應用

隨著制造業的發展，材料應用由傳統的黑色金屬向多元化材料發展。例如在汽車、航天、能源領域大量應用各種高強度的合金鋼和特殊材料，如鈦合金等；在高速列車、大型飛機等制造領域，大量應用性能質量比較高的輕質合金，如鋁合金、鎂合金等。特種材料的精密成形是今后精密鍛造成形的研究熱點。

6.3多尺度工件的加工

隨著制造業的發展，機械零件向著極端化方向發展。例如近年來，以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機電系統，受到人們的高度重視，精密儀器、生物醫療等領域廣泛應用，而由于“尺寸效應”的影響，關于微塑性成形技術的研究已經成為各國學者關注的焦點和學科的前沿。同樣由于國家建設的需要，近年來出現了大量的大型機械零件，它們的精密鍛造成形也是研究的熱點問題。

6.4設計周期的縮短

隨著經濟全球化的進一步發展，制造業企業的競爭日趨激烈，產品更新換代速度加快，要求企業縮短產品的設計、制造周期，對于精密鍛造成形也是一樣。提高精密成形工藝的設計效率主要依靠先進的CAD， CAM， CAE系統， 以及智能化的工藝優化設計系統。CAD， CAM， CAE技術及其在精密鍛造成形中的應用已經相對成熟，而智能化的工藝優化設計系統，目前處于研究和探索階段，是今后研究的主要方向。

加工變形，拉伸強度會大幅提高、沖擊值會大大降低。奧氏體不銹鋼在冷加工時容易產生上述缺陷。有晶間腐蝕的鋼，稍受力即沿晶界開裂或粉碎開裂，晶間腐蝕后進行了彎曲試驗，彎曲部分未出現上述現象，說明熱煨后的組織結構得到充分軟化，并具有很好的延展性，其應力也得到了很好的消除。

在感應熱煨過程中，由于在碳化鉻最容易產生的450~870℃范圍內加熱、冷卻時保持的時間非常短，使處于固溶狀態的不銹鋼組織來不及析出碳化鉻。另外，加熱溫度達到了1050~1150℃，加熱后急速冷卻，和固溶處理的條件相似，不會發生晶間腐蝕現象，上述結果也證明了這一結論。

3結論

采用感應加熱技術彎曲變形加工，在極短的時間(約幾十秒左右)內將處于固溶狀態的奧氏體不銹鋼加熱到1050~1150℃，并急速冷卻，各項力學性能和組織沒有發生太大的變化，直接使用不會發生晶間腐蝕或者晶界斷裂現象，可以不進行固溶或消除應力等處理。

由于感應加熱時間非常短，致使感應熱煨加工的彎管表面氧化層很薄，非常容易進行酸洗。而且由于感應加熱徑向加熱溫度均勻，使熱煨后彎管各部分的性能相差很小。采用感應加熱技術，管內不會出現由于填沙等造成的異物附著現象，具有良好的外觀和形狀。

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

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