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精密鍛造模具尺寸精度及模具應力的 集成計算機輔助決策支持系統(tǒng) 摘要：在精密鍛造中，我們可以廣泛而有效地應用決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)是基于早期有經(jīng)驗的鍛造模具設計工程師的總結和經(jīng)驗而產(chǎn)生的。在降低成本、提高元件可靠性的過程中，精密零配件正扮演著越來越重要的角色。因此，在許多應用領域中,業(yè)務規(guī)范本身也已經(jīng)成為固有的部分或工藝流程。在鍛造模具設計中，高尺寸精度更是主要目標之一。任何鍛件的承載力和使用壽命在很大程度上都受尺寸精度影響。為了預測部件的尺寸，并確定精鍛模具的尺寸，我們有必要分析一下影響尺寸精度的因素。并且在鍛造的每個階段中都對模具和產(chǎn)品的空間演變進行分析。在這項研究中，自圓柱形工件投入使用以來，徑向和切向應力都將作為模具應力被測定。為確保鍛模尺寸和產(chǎn)品尺寸相吻合，應盡量避免鑲件與鍛模間的彈性擴張和收縮。 關鍵詞：精密鍛造 模具應力 決策支持系統(tǒng) 1引言 精密成型工藝與鍛件尺寸精度在模具鍛造中地位特殊。由于其經(jīng)濟效益的原因，精密成形已經(jīng)成為金屬成形技術所要實現(xiàn)最重要的目標之一。在鍛造行業(yè)中，為了獲得較高的鍛造精度和較長的模具壽命，我們已經(jīng)開始著眼于如何提高的鍛件尺寸精度。由于模具和工件的彈性和熱特性的不同影響，鍛件的尺寸很有可能有別于模具型腔。在這些特性中，刀具和工件材料彈性運動對尺寸精度的影響較大。 模具和毛坯的彈性特性受零件不同形狀的影響，即使是相同的材料。因此，設計者應充分認識到消除誤測模具和毛坯彈性變形的重要性。許多研究人員在優(yōu)化模具、延長模具壽命和優(yōu)化工藝設計的研究中，運用實驗和數(shù)學的方法研究了型腔補償。在數(shù)字分析方面，Takshashi和Brebbia 用邊界元法分析了鍛造模具應力。 Sadeghi和Dean則研究了關于尺寸精度的精密鍛造軸對稱組件。 Eyercioglu 和Dean也研究了精密齒輪的設計和加工。此外，一些研究還提到了尺寸精度和有限元，上限元素技術（UBET）等一些數(shù)學研究方法，而平板法也在鍛造工具的彈性特性的過程中被提出。 Gerhard 和 Altan聲明他們的模具結構分析和應力及彈性偏差預測都是基于模具壽命預測的。尤其在熱鍛，模具應力，機械連接的構型及熱應力，修復模具疲勞，表面裂紋，裂紋擴展，等影響模具壽命和效益方面頗具成效。 大多數(shù)成形操作中，形變模式的控制是非常復雜的，因此我們不可能給予定量的描述。毛坯在成形區(qū)的材料形變模式受很多因素的影響，如摩擦，潤滑，溫度，流速，邊界條件，材料性能，刀具和毛坯幾何形狀等。該金屬成形工藝優(yōu)化設計不但需要了解這些參數(shù)的影響而且要對過程中機械參數(shù)的相互作用有所研究，以便了解特定金屬的成型工藝。為了獲得所需的幾何和力學性能，工藝參數(shù)必須準確，優(yōu)化，并得到適當?shù)目刂啤? 對于鍛造模具的設計要求及負荷的預測, 經(jīng)驗豐富的工具設計師運用所積累的知識一般通過正確處理尺寸精度來實現(xiàn)。而這些知識，經(jīng)驗都是基于工業(yè)試驗的。除了有關模具應力和鍛造負荷的數(shù)學計算外，必要的過程計劃及源于行業(yè)業(yè)務規(guī)范的準則和知識也為鍛模設計提供了一個理想的實施方案 。 2模具設計的通用假設 模具設計一般受多個因素的影響，并且各個因素之間又相互關聯(lián)。如：產(chǎn)品的類型、形狀及個別特殊情況等,但主要受強度要求的影響。我們應該意識到,由于鍛模中復雜的應力分布，在設計要求方面不是特別精確。這一情況的出現(xiàn)也是有原因的,如產(chǎn)品材料的分布和徑向壓力的大小就無法確定。此外,產(chǎn)品的材料在鍛造過程中也會不斷的變化，這是由于壓力分布的不斷變化造成的，因而就無法達到穩(wěn)定狀態(tài)。但通常，我們會假定存在這樣一個穩(wěn)態(tài)，在模具煅燒的過程中內(nèi)部壓力始終不變。有了這些假設，就可以對理論空心氣瓶進行計算。與其他方法相比，邊界元法（UBET）融入了上限定理和有限元素法的優(yōu)點，以便對變形速率、模具負載和型腔充填等重要參數(shù)進行更為準確的預測。作為初始階段的最優(yōu)化的算法，UBET無可挑剔，但仍需盡快達成近乎完美的解決方案。 模具內(nèi)部不斷上升的應力主要來源于煅燒時模具內(nèi)部較高的壓力。然而，壓力并非一直不變。由于壓力主要集中在模具與形變工件相接觸的部分，所以壓力在鍛造過程中會有所變化，而壓區(qū)的長度也將發(fā)生變化。該鍛件在尺寸上會與模具有所不同，這主要是由以下幾個因素造成的： -鑲件會收縮至模具外環(huán)的大小以方便工件從模具腔體內(nèi)抽出（Ue）。 -在熱鍛造中，模具可能會被預加熱，然后在鋼坯加熱過程中會被進一步加熱。這將造成模具形腔擴展（UT）。 -工件從鍛造溫度冷卻至室溫時會發(fā)生收縮現(xiàn)象（Uc）。 -在模具零件的電火花加工時，電極與工件之間會發(fā)生火花間隙。這降低了模腔尺寸（克）。 如圖1所示，假設工件的初始半徑為R0，則模具的最終半徑R4的將是： R4 =R0 +Ue+Ut-Uc-G 3.公式計算 3.1擴展的彈性模計算（Ue） 為了計算由模具的彈性形變造成的工件尺寸的變化，我們必須考慮工件的彈塑性形變。假設工件受模具的應力是不變的，并且鍛件在最大負荷時始終保持圓柱形， 同時模具形變是又是彈性的，沿其軸線不變。忽略工件與鍛模接口的摩擦，工件的尺寸在沖頭負荷產(chǎn)生和消失時發(fā)生變化。此外，工件尺寸的變化發(fā)生在脫模階段。 為了計算出的模具在徑向壓力的擴張總量，我們必須考慮無壓力雙汽缸的膨脹量。工件上存在的沖頭負荷會導致兩種形式的形變。首先，工件將發(fā)生彈性形變，當沖頭應力等于工件的屈服應力時，工件開始發(fā)生塑性形變，壓縮一直持續(xù)到工件接觸到模具內(nèi)壁。為了保證工件表面的連續(xù)性，箍張力（切向）工件和收縮環(huán)必須在這一點上是相等的，即:εθ1=εθ2.下標1和2分別為鑲件和收縮環(huán)。當工件所施加的負荷達到最大時，徑向應力將大于其屈服應力。在這種情況下，如果沖頭負荷消失，工件將受到模具的塑性壓力直到工件上的徑向應力降低到剪切屈服應力的兩倍（Sy）。通過使用特雷斯卡的屈服準則，在本階段結束時， 工件的徑向膨脹的總值可以通過以下公式計算出： 在鍛造過程結束時，沖壓力為零，徑向應力（2Sy）仍然作用在工件上。在工件抽出時，它的半徑將彈性擴大而回收量（S）可以通過假設壓力（簡1 / 4平方米）呈圓柱形分布并且取σz= 0： 、 Ev Ew分別是工件材料的楊氏模量和泊松比 。 彈性模膨脹造成的工件的尺寸變化為： 3.2熱模拓展的計算(Ut) 　 　 在熱鍛造中為防止鍛模組件開裂、降低工件冷卻率,通常會對模具進行預熱。煅燒過程中工件上的部分熱量會進一步加熱模具，這兩部分熱量會導致模具膨脹。模具的徑向溫度分布預熱溫度為Tp，圖2給出了鈦合金的孔徑大小。我們假定模具的溫度始終不變，但是工件上產(chǎn)生的熱量會隨徑向溫度梯度形成外熱力流。假設預熱均勻，則模壁會自由膨脹所有徑向膨脹量計算如下： 這里，Tr為室溫，Tp是預熱溫度，αd為模具材料的熱膨脹系數(shù)。模具內(nèi)表面溫度不斷上升，圖3為壓力分布示意圖。 因此，由熱壓力造成的任一半徑的徑向位移量可以由計算而得： 　　 高溫造成的模具總膨脹量為： 3.3產(chǎn)品熱收縮的計算（Uc） 　熱成型加工后的收縮量受加工溫度和鍛造材料熱膨脹的共同影響。假設收縮徑向發(fā)生,鍛造完成時的溫度是均勻的,則任何半徑的徑向收縮量為:　　 其中，Tf是鍛造溫度，αw工件的熱膨脹系數(shù)，r是工件收縮前的半徑。為了實現(xiàn)高精度的模具尺寸公差范圍、模具尺寸會被嚴格控制。正如上文所述，在調整模具和確定毛坯尺寸之前很明顯要對上述因素給予充分的考慮。在上述的分析中, 要先計算出影響鍛造尺寸的參數(shù)，而對于一個給定的條件，模具的輪廓是確定的。并且已經(jīng)有用于計算這些數(shù)據(jù)和修正模具的產(chǎn)品鍛造尺寸的程序。鑲件和收縮環(huán)的尺寸（見圖4）可以通過等式10-17計算得出。 其中a是模具內(nèi)半徑、b是鑲件外半徑、c是收縮環(huán)的外半徑、z是干擾參量,Pi是內(nèi)壓力。 4總體結構系統(tǒng) 現(xiàn)在我們已經(jīng)實現(xiàn)了一種結構,該結構為決策支持系統(tǒng)建立了推理和控制能力，同時找到了正確處理模具應力和產(chǎn)品尺寸精度的方法。 我們也開始考慮運用一種智能的面向對象系統(tǒng)生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品。我們曾試圖用母系框架(幾何、鍛造負荷、模具幾何、網(wǎng)絡構架來描述這項工作的知識表征。模具裝配、材料)與面框相連接。每個母系框架又設有有子框架。圖5為整體框架。 　　母系框架通常用來描述一般的對象。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)定義詳細說明了數(shù)據(jù)庫的存儲方式,以方便數(shù)據(jù)的搜索和整理。為了將文本數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)我們需要調整子框架和例證以使其能代指特定的對象。鍛造負荷的預測對尺寸精度和模具壽命至關重要。 下面的這個框架有六個子框架,它是開發(fā)系統(tǒng)主要框架之一(見圖6)。 　　 輪廓框架：這個框架從它的幾何母系框架獲取知識表達。為了確定煅燒負荷,輪廓將首先被加熱。為了找到斜行和弧線，要對實體進行搜索。在這個過程中, 為了找到斜行或弧,相關的支架都要被刪除。 移除框架：在這個框架中,移除的實體將被儲存在數(shù)據(jù)庫中。這里有兩個實例：其中一種包含斜行的信息而另一個包含了弧域框架：這個框架也是鍛造負荷母系框架的子框架。幾何分解就是源于這個框架的。垂直和水平線都引自同行的角點。通過這種方式,矩形區(qū)域得以劃分。域的有關知識儲存在數(shù)據(jù)庫中。 摩擦框架：域的一側與材料、模具或沖床的一側相連。因此,兩側都會被檢查，而摩擦系數(shù)也是確定的。該框架用于測定域的兩側是否與材料、模具或沖床的一側相連。 　 潤滑框架：潤滑框架從摩擦框架獲取信息。這一框架有四層標準:良潤滑，潤滑、差及零潤滑(干)。這些標準必須由用戶認定。輸入值通常用于域各邊及所有產(chǎn)品摩擦系數(shù)的確定。 流動應力框架：不同材料的形變特性各有迥異。一旦發(fā)生形變流動應力值就會隨之變化。因此, 材料的這一屬性必須隨時掌握。 5實驗 在實驗中用到一個600kN的液壓力，同時，石墨水也將被用作潤滑劑。最后，必須確保所有的工作表面都被完全潤滑。AISI空氣硬化中度偏冷合金被作為一種鑲件材料被使用。工具箱中有容器、沖床、噴射器及墊板。 同時要鍛造U形、T形及錐形的鋁制產(chǎn)品。實驗在室溫下進行。并且用到了三種不同大小的圓柱形鋁質坯料。外徑40毫米、高度20毫米的產(chǎn)品都由工料桿和空心桿獲得。 5.1閥瓣鍛造 為確定鋁的應力-應變曲線，我們進行了閥瓣鍛造壓縮試驗。為了實現(xiàn)這一目標，我們又進行了增量壓縮測試，并在每一次加載之后對面積減少量及相應的載荷進行計算與記錄。高度的降低量與載荷關系如圖7所示。圖8為應力-應變曲線。為了確定摩擦系數(shù)(m),我們對模環(huán)進行了抗壓測試。扁環(huán)樣本在兩個擋板間發(fā)生可塑性壓縮。增加摩擦會產(chǎn)生材料的內(nèi)向流，相反，減少摩擦則會造成材料的外向流。對于抗壓測試中給定的高縮比,相應的試件內(nèi)徑尺寸為我們提供了工件與模具間現(xiàn)行摩擦系數(shù)的數(shù)量級 。 從這個角度看,鋁的模環(huán)抗壓測試的數(shù)據(jù)見表格1。ΔH和%ΔD的值可由下面的方程式計算得出。摩擦系數(shù)m可以從圖9看出。 　　 5.2 u型鍛造 　 在產(chǎn)品的精密鍛造中，模具填充完全被認為是提高鑄造部分尺寸精度最重要的標準。我們應該嚴格控制毛坯的體積,否則就有可能發(fā)生填模不滿或填模過滿的問題。通常認為液態(tài)金屬在棱角處不易流動。這一問題可以通過適當?shù)恼{整毛坯的幾何構型來解決。 圖10給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過程中都維持其體積不變。第一個毛坯由圓柱形固態(tài)材料在26噸載荷下鍛造而出。第二個毛坯則在55噸載荷下鍛造出來的，但試件內(nèi)側明顯出現(xiàn)填模不滿的情況。而第三個毛坯更是同時出現(xiàn)了填模不滿和填模過滿的情況。它的載荷是40噸。 5.3 t型鍛造 t型鍛造如圖11所示。同樣，這里給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過程中都維持其體積不變。雖然這里用了55噸的載荷，圖11a表明,t型產(chǎn)品的模腔仍未填滿。而第二個試件的載荷量是40噸，此時模腔基本上被填滿了。第三個試件形狀較小，直徑不變，在26噸的載荷下獲得了這種產(chǎn)品。 5.4 錐型鍛造 圖12為錐形鍛造。這種產(chǎn)品同樣是用不同尺寸且保持尺寸不變的試件。圖12給出了三種不同尺寸的錐型毛坯。圖12a表明錐型鍛造的產(chǎn)品是不能夠在55噸載荷下得到的，由于毛坯變形出現(xiàn)了填模過滿的情況。實驗二采用了30毫米毛坯直徑和35噸毛坯負載(圖12b)。在這種情況下，錐形頂部不能完全成型。第三個試件直徑為25毫米,負荷為24噸。幾乎達到了尺寸要求。 這些實驗表明,能否鍛造出合格的產(chǎn)品取決于毛坯的幾何形狀，而毛坯的幾何形狀又受翅成型、形變縮鍛與擠壓以及摩擦的影響。 5.5尺寸精度分析 　 因為精密鍛造的模具在鍛造過程中會受到非常大的徑向壓力，所以模具會發(fā)生較為明顯的徑向形變。模具的這種徑向形變是影響產(chǎn)品尺寸精度的重要因素。要想獲得高精度尺寸的產(chǎn)品，就要對模具和產(chǎn)品的彈性形變進行（Ue）估算。 通過上述的分析，影響鍛造尺寸的參數(shù)，也就是模具擴張（Ue），可以通過等式5并結合模具尺寸計算得出。U型鍛造的模具修正尺寸和壓力計算的截屏見圖13a、圖13b。圖14Excel表格截圖也給出了計算結果。 表2.模具修正幾何尺寸（mm） U型 T型 錐型 Ue -0.03563 -0.03563 -0.04667 工件最終半徑 19.96437 19.96437 19.95333 模具最終半徑 20.03563 20.03563 20.04667 b 28.78528 28.78528 27.66765 c 41.42962 41.42962 38.27494 z 0.02978 0.02978 0.02642 w1 9.98815 10.0456 7.51274 w2 10.0456 9.98815 7.5110 表2分別給出了U型鍛造、T型鍛造和錐形鍛造根據(jù)模具應力和尺寸精度的計算結果推算出的模腔尺寸。圖15給出了合成鍛造的剖面圖。圖16給出了錐型鍛造產(chǎn)品的模具設計要素。沖床最為獨立的單元，沒有列出詳細數(shù)據(jù)。沖床充當了腔體頂部，與隨機運動的鍛機相接觸。噴射器通常用于去除模具內(nèi)尚未形變的產(chǎn)品。也用于產(chǎn)品底部成型。鑲件則促成了模具（模具內(nèi)壁）的成型。 　由于鑲件受到鍛造負荷、摩擦負荷和溫度的影響，同時它的強度又必須能夠應對所有情況, 所以它的選材必須非常慎重。為了增強鑲件對內(nèi)部壓力的抵抗力，通常是在一個或多個收縮環(huán)內(nèi)插入嵌件，使其達到熱力配合。因此，可以大大減少由鍛造部件傳遞的鍛造壓力與鍛孔上的張應力合力。 6結論 計算機輔助鍛造設計對于逐漸沒落的鍛造產(chǎn)業(yè)意義非凡。由于鍛造的形狀在整個產(chǎn)業(yè)中地位突出，所以，發(fā)達的決策支持系統(tǒng)的應用非常廣泛。通常假設移除外加負載后，只發(fā)生徑向尺寸變化。為了研究精密鍛造過程中尺寸變化的力學參數(shù)，也會考慮在室溫下由圓柱形模具鍛造缸體。雖然鍛造過程中會忽略加工硬化和溫度變化的影響，但理論和實驗結果還是非常吻合的。 機 機 械 英 文 翻 譯 譯 文 姓 名: 林 超 班 級:07機制2班 指導老師:楊志波 機 械 英 文 翻 譯 原 文 姓 名: 林 超 班 級:07機制2班 指導老師:楊志波