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2、精密鍛造設備

為了滿足精密鍛造工藝的要求，精密鍛造設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)具有精密的導向機構，保證模具的合模精。

3)具有多缸的動作能力，實現精密鍛造多個模具運動的要求。

4)具有生產工序的自動監控和檢測功能等。

對于熱精密鍛造常用的設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。由于進口設備價格昂貴，而改造設備其精度和可靠性較差，因此迫切需要研究和開發國產的精密鍛造設備，近年來國產精密鍛造設備獲得很大發展。

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，模具設計和制造時，要選擇合理的模具結構、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計、制造技術在精密鍛造模具中得到應用。

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的形狀變化，金屬的成形也將不再以模腔原始輪廓為依據。很多鍛造工藝與模具設計時往往忽略由此產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，并在模具型腔設計時，提前進行形狀補償。

3.2模具的高速切削

傳統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，同時該技術還能縮短制模周期。

3.3模具補焊技術

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使用壽命，模具補焊技術在精密鍛造成形中得到了廣泛應用。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。根據國內某企業的試用結果，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值模擬

對于精密鍛造成形，成形工藝與模具設計往往依靠一些經驗和直覺作為設計準則，在經過一次次試模、修正和改進后，才確定正確的工藝參數。這種常規方法具有很大的盲目性和試探性，并帶來鍛造設備、材料和時間的浪費。這種缺乏科學性的經驗方法，因其周期長、成本高、精度低，已不再適應現代制造業生產的發展要求。

目前鍛造成形過程的計算機數值模擬得到廣泛應用，利用數值模擬方法，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，獲得工件的內部應力、應變、溫度分布和金屬流動規律，獲得模具的應力、應變、溫度分布，預測工件的成形狀況、殘余應力、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化設計提供了強有力的工具。將數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和反向模擬技術等2種方式。

4.1正向模擬技術

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。當前已有一些大型的通用數值模擬商品化軟件， 為工業界提供了可靠的模具設計驗證工具。

應用這些分析工具對成形工藝過程進行模擬，使設計者可以分析模具形狀、工藝參數等與產品性能之間的關系，觀察成形情況以及是否產生內部或外部的缺陷，進而修改工藝及模具直到滿意狀態，從而在保證產品質量、減少材料消耗、提高生產率及縮短產品開發周期等方面顯示了顯著的優越性。

數值模擬方法在實際精密鍛造成形中得到了廣泛的應用。通過數值模擬研究了鏈軌節多工位連續鍛造成形過程模具設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化；對汽車發電機磁極精鍛成形過程進行了模擬及其成形工藝優化；采用多場耦合技術分析了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值模擬研究等。

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

1)分析效率的提高。復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，由于網格畸變導致的網格再劃分。其有效的解決方法是采用抗畸變能力較強的六面體網格替代目前常用的四面網格，開發基于六面體網格有限元分析程序。

2)分析內容的擴展。目前，大多數的有限元分析軟件對于工件幾何形狀、應力應變場分布等力學參數的計算已經比較成熟，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，也是工藝和模具設計關注的重要問題。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展方向。

4.2反向模擬技術

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，并應用于實際鍛造成形問題的預成形設計。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，以逆向變形方式模擬材料變形規律，按照規定的邊界條件控制準則，通過解除邊界節點的約束條件而得到任意時刻的預成形件形狀。以該預成形形狀為成形起點可以成形形狀精確的工件，因此該項技術可以應用于精密鍛造成形的工藝設計中。

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

反向模擬方法依賴于邊界條件的控制準則。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則，仍存在較大的困難。而且通常反向模擬得到的預成形件的形狀過于復雜，很難鍛造成形，這又增加了預成形模具和鍛造設備設計的難度。

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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