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(diǎn)。

1)具有較好的剛性，使變形過(guò)程中機(jī)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(jī)構(gòu)，保證模具的合模精。

3)具有多缸的動(dòng)作能力，實(shí)現(xiàn)精密鍛造多個(gè)模具運(yùn)動(dòng)的要求。

4)具有生產(chǎn)工序的自動(dòng)監(jiān)控和檢測(cè)功能等。

對(duì)于熱精密鍛造常用的設(shè)備包括高能螺旋壓力機(jī)、電液錘、熱模鍛壓力機(jī)等，冷精密鍛造成形常用的設(shè)備包括冷鍛壓力機(jī)、冷擠壓機(jī)、冷鐓機(jī)、冷擺輾機(jī)等。由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)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(guó)產(chǎn)的精密鍛造設(shè)備，近年來(lái)國(guó)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(jī)械性能要求更高。同時(shí)，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(duì)模具的要求，模具設(shè)計(jì)和制造時(shí)，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(jī)械性能。近年來(lái)為了進(jìn)一步提高模具的精度和使用壽命，模具彈性補(bǔ)償、高速切削、模具補(bǔ)焊等一些新的模具設(shè)計(jì)、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(bǔ)償

鍛造成形過(guò)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(gè)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(jì)時(shí)往往忽略由此產(chǎn)生的工件表面幾何精度誤差，但對(duì)于精密鍛造工藝卻是一個(gè)非常重要的和不容忽視的問(wèn)題。解決的方法一般是通過(guò)計(jì)算或者模擬的方法對(duì)模具彈性變形進(jìn)行分析計(jì)算，并在模具型腔設(shè)計(jì)時(shí)，提前進(jìn)行形狀補(bǔ)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(jìn)行淬火處理，以提高模具硬度，由于存在著熱處理變形，勢(shì)必影響模具及鍛件精度。解決熱處理變形對(duì)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(dá)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(shí)該技術(shù)還能縮短制模周期。

3.3模具補(bǔ)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(bǔ)焊技術(shù)在精密鍛造成形中得到了廣泛應(yīng)用。補(bǔ)焊的焊條材料為高合金鋼， 補(bǔ)焊后的模具材料硬度可達(dá)HRC 60。根據(jù)國(guó)內(nèi)某企業(yè)的試用結(jié)果，補(bǔ)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(guò)程數(shù)值模擬

對(duì)于精密鍛造成形，成形工藝與模具設(shè)計(jì)往往依靠一些經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在經(jīng)過(guò)一次次試模、修正和改進(jìn)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(lái)鍛造設(shè)備、材料和時(shí)間的浪費(fèi)。這種缺乏科學(xué)性的經(jīng)驗(yàn)方法，因其周期長(zhǎng)、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(guò)程的計(jì)算機(jī)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(guò)程各個(gè)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(dòng)規(guī)律，獲得模具的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布，預(yù)測(cè)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(guò)程的模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。將數(shù)值模擬方法運(yùn)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(gè)成形過(guò)程，以獲得工件的變形情況和各種場(chǎng)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(jì)驗(yàn)證工具。

應(yīng)用這些分析工具對(duì)成形工藝過(guò)程進(jìn)行模擬，使設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)際精密鍛造成形中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)數(shù)值模擬研究了鏈軌節(jié)多工位連續(xù)鍛造成形過(guò)程模具設(shè)計(jì)和坯料的初始位置定位，以減小終鍛成形的飛邊；對(duì)葉片精鍛過(guò)程進(jìn)行了三維剛粘塑性有限元模擬；對(duì)直齒圓柱齒輪精鍛成形過(guò)程進(jìn)行了模擬和工藝改進(jìn)優(yōu)化；對(duì)汽車發(fā)電機(jī)磁極精鍛成形過(guò)程進(jìn)行了模擬及其成形工藝優(yōu)化；采用多場(chǎng)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(duì)其微觀組織的演化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(chǎng)向多場(chǎng)耦合發(fā)展，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。然而精密鍛造成形有限元模擬要實(shí)現(xiàn)真正的工程應(yīng)用，仍有一些問(wèn)題有待提高和完善。

1)分析效率的提高。復(fù)雜鍛造成形過(guò)程分析效率較低，其中一個(gè)主要的原因是分析過(guò)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(qiáng)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(kuò)展。目前，大多數(shù)的有限元分析軟件對(duì)于工件幾何形狀、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布等力學(xué)參數(shù)的計(jì)算已經(jīng)比較成熟，但是對(duì)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(duì)工件的機(jī)械性能影響顯著，也是工藝和模具設(shè)計(jì)關(guān)注的重要問(wèn)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(gè)重要的研究和發(fā)展方向。

4.2反向模擬技術(shù)

自20世紀(jì)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(shí)際鍛造成形問(wèn)題的預(yù)成形設(shè)計(jì)。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(guò)解除邊界節(jié)點(diǎn)的約束條件而得到任意時(shí)刻的預(yù)成形件形狀。以該預(yù)成形形狀為成形起點(diǎn)可以成形形狀精確的工件，因此該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于精密鍛造成形的工藝設(shè)計(jì)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(jì)，從而尋求在這種特定邊界條件下的預(yù)成形設(shè)計(jì)。趙國(guó)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(jì)方法。Kang 1211還用剛塑性有限元反向模擬方法對(duì)擠壓進(jìn)行了預(yù)成形設(shè)計(jì)，以使擠出件具有平端頭， 并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果。等對(duì)葉片成形過(guò)程進(jìn)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(guò)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(jì)的難度。

作者：王忠雷 趙國(guó)群(1.山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南250061；2.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南250101)

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