汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)與開(kāi)放創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用示范(上)

文/董銘，胡斌，張波 ·浙江威力鍛壓機(jī)械有限公司

鍛造行業(yè)作為基礎(chǔ)制造行業(yè)，為汽車、工程機(jī)械、航空、航天、船舶等領(lǐng)域提供鍛件產(chǎn)品，具有生產(chǎn)量大、覆蓋面廣等特點(diǎn)。特別是汽車行業(yè)，中國(guó)現(xiàn)已是世界最大市場(chǎng)、最大生產(chǎn)國(guó)之一，汽車制造業(yè)的快速發(fā)展為鍛造產(chǎn)品提供了廣闊的需求空間，熱模鍛件在鍛造行業(yè)一直作為主流產(chǎn)品，廣泛地應(yīng)用于汽車零部件。隨著競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，汽車工業(yè)正由高速發(fā)展轉(zhuǎn)入均衡發(fā)展階段，對(duì)汽車零部件質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。

在國(guó)外，熱模鍛模擬技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)及軟件開(kāi)發(fā)等方面有許多創(chuàng)新和亮點(diǎn)，基本上實(shí)現(xiàn)了零試?；虼蟠鬁p少了試模次數(shù)，以此為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的智能化熱模鍛技術(shù)成熟度也較高，實(shí)際生產(chǎn)中可使機(jī)械性能提 高15%～30%。這項(xiàng)技術(shù)在歐洲、美洲和日本等汽車企業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)通過(guò)智能化鍛造生產(chǎn)線完成了齒輪生產(chǎn)從切削向近凈成形(冷、熱模鍛)的過(guò)渡。德國(guó) BLM 公司智能化熱精鍛齒輪精度已達(dá)DIN6 級(jí)，節(jié)約材料20%～30% ； 美國(guó)每年通過(guò)智能化熱模鍛生產(chǎn)線生產(chǎn)的擠壓件數(shù)量超過(guò)了 100萬(wàn)件，其中80%都是汽車零件。

國(guó)內(nèi)許多鍛造企業(yè)為了滿足汽車廠商的產(chǎn)品需求，不得不花巨資購(gòu)買國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的生產(chǎn)線或先進(jìn)鍛造生產(chǎn)設(shè)備，例如多工位自動(dòng)熱模鍛生產(chǎn)線、閉塞鍛造用多動(dòng)液壓冷鍛壓力機(jī)、多工位自動(dòng)冷鍛壓力機(jī)。 隨主機(jī)引進(jìn)的還包括與壓力機(jī)配套的其他設(shè)備，如數(shù)控伺服步進(jìn)梁式自動(dòng)送料機(jī)、帶石墨涂層裝置的熱模鍛感應(yīng)加熱爐、控制冷卻裝置、精密斷料機(jī)等。

為了改變這一現(xiàn)狀，我國(guó)熱模鍛產(chǎn)業(yè)需要通過(guò)從裝備到生產(chǎn)過(guò)程的全面自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，推動(dòng)我國(guó)熱模鍛產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。國(guó)內(nèi)已有多家鍛壓機(jī)床公司對(duì)鍛造智能化進(jìn)行了探索及制造。智能化設(shè)備方面，如浙江鍛壓機(jī)床有限公司的 JS21系列數(shù)控伺服開(kāi)式壓力機(jī)不僅可以提高效率， 而且其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以很好地適應(yīng)零件，實(shí)現(xiàn)了智能制 造的智能化加工編程，揚(yáng)力集團(tuán)的GM-315K 數(shù)控門(mén)式萬(wàn)能液壓機(jī)，采用伺服控制技術(shù)，重復(fù)定位精度為±0.05mm。 智能化鍛造系統(tǒng)尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)主要有連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司智能生產(chǎn)線/工作站，可提供自動(dòng)化整體解決方案，包括工藝路線定制、加工設(shè)備和自動(dòng)化配套等，北京機(jī)電研究所有限公司可實(shí)現(xiàn)精密成形企業(yè)智能工廠、數(shù)字化車間整體規(guī)劃等。

總體上看，國(guó)外智能化設(shè)備及系統(tǒng)比國(guó)內(nèi)先進(jìn)， 國(guó)內(nèi)雖然在智能化設(shè)備上取得了一定的進(jìn)步，但在智能化系統(tǒng)上還尚未建立完整的、大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，軟件開(kāi)發(fā)也處于起步階段，與國(guó)外差距較大。順應(yīng)上述需求，需要面向特定鍛造領(lǐng)域針對(duì)其中的智能化生產(chǎn)系統(tǒng)與服務(wù)平臺(tái)中的關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展相關(guān)研究。本項(xiàng)目目 標(biāo)是搭建面向汽車熱模鍛行業(yè)的智能化鍛造系統(tǒng)與開(kāi)放創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，并進(jìn)行應(yīng)用示范，智能化鍛造系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化鍛造系統(tǒng)總體架構(gòu)

汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)

傳統(tǒng)的熱模鍛生產(chǎn)方式存在一些明顯的缺點(diǎn)：首先，過(guò)度依賴于人工操作和經(jīng)驗(yàn)判斷，導(dǎo)致生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；其次，由于缺乏先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的精確控制，零件的精度和一致性難以保證；此外，設(shè)備之間的協(xié)同作業(yè)能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效地生產(chǎn)；最后，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式對(duì)環(huán)境的影響較大，如能源消耗高、廢棄物排放多等，不利于可持續(xù)發(fā)展。

智能化汽車零件精密鍛造生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝及控制流程是一個(gè)集成了現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和智能化技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)。首先，從原材料的準(zhǔn)備開(kāi)始，通過(guò)預(yù)處理確保金屬材料的初始狀態(tài)滿足鍛造要求。隨后，金屬材料經(jīng)過(guò)精確控制加熱溫度和保溫時(shí)間，實(shí)現(xiàn)均勻加熱和充分奧氏體化，為后續(xù)的鍛造過(guò)程奠定良好的基礎(chǔ)。在鍛造環(huán)節(jié)，根據(jù)零件的形狀和尺寸要求，選擇合適的鍛造工藝和模具，確保金屬材料的流動(dòng)和變形符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過(guò)精確控制鍛造溫度和速度，實(shí)現(xiàn)金屬材料的均勻變形和充分致密化，獲得高質(zhì)量的鍛件。鍛造完成后，進(jìn)入熱處理、精整和檢測(cè)階段。在這一階段，精確控制熱處理工藝參數(shù)，確保零件的組織和性能達(dá)到最佳狀態(tài)。同時(shí)，采用先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)零件的尺寸、形狀和性能進(jìn)行全面測(cè)，確保零件的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程中，智能化系統(tǒng)通過(guò)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的協(xié)同作業(yè)和精準(zhǔn)控制。此外，通過(guò)工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在問(wèn)題，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和可控性?；诠に囂卣髋c生產(chǎn)產(chǎn)品目標(biāo)需求，智能化汽車零件精密鍛造生產(chǎn)線控制流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 智能化精密鍛造生產(chǎn)線控制流程

壓力機(jī)的剛度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

研究背景

高精度壓力機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其中機(jī)床結(jié)構(gòu)自身的剛度則對(duì)壓力機(jī)精度起到了基礎(chǔ)性的作用，剛度較大的壓力機(jī)在生產(chǎn)線工作時(shí)受載變形量較小，機(jī)身精度較高，可以提升生產(chǎn)加工效率和質(zhì)量，能提高智能鍛造生產(chǎn)線數(shù)據(jù)反饋的穩(wěn)定性和精確性。鍛壓機(jī)床的典型負(fù)載為靜力及隨加工零件、工藝不同而改變的動(dòng)力沖擊負(fù)載，如何維持機(jī)床結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下的高剛度性能是高精度機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。然而。現(xiàn)有的壓力機(jī)機(jī)床設(shè)計(jì)理論方法很少考慮復(fù)雜工況對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合影響，往往只以靜態(tài)剛度為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析與設(shè)計(jì)，這種粗放的設(shè)計(jì)流程直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案在實(shí)際使用中可能存在剛度不足或材料浪費(fèi)。因此需要針對(duì)壓力機(jī)機(jī)身支撐結(jié)構(gòu)材料分布問(wèn)題展開(kāi)具體的研究，以鍛造壓力機(jī)為研究對(duì)象，分析研究提高壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)剛度和工作狀態(tài)下精度的方法與思路，探索機(jī)身結(jié)構(gòu)在不同工況下的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)性能分析

壓力機(jī)主要由機(jī)身、工作臺(tái)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、離合器、制動(dòng)器等構(gòu)件組成。鍛造過(guò)程中壓力機(jī)的負(fù)載屬于短時(shí)沖擊載荷，空程時(shí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存能量，工作時(shí)飛輪減速釋放能量形成鍛造所需的鍛造力。機(jī)身作為鍛造壓力機(jī)的主要承載構(gòu)件也是最大的構(gòu)件，其質(zhì)量約占整機(jī)的60%以上，需要承載壓力機(jī)在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的全部變形力，同時(shí)需保證滑塊的運(yùn)行精度，對(duì)于整機(jī)的性能至關(guān)重要。合理配置壓力機(jī)機(jī)身的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)，提高機(jī)身剛度和工作精度，減小機(jī)身變形位移，增加壓力機(jī)的使用壽命成為壓力機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

壓力機(jī)機(jī)身為閉式整體機(jī)身，裝配方便，具有良好的吸振性，比較適合大批量生產(chǎn)，該機(jī)身主要由4大結(jié)構(gòu)組成左右兩側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)、上橫梁、下底座及工作臺(tái)。分析機(jī)身的應(yīng)力和變形時(shí)，采用公稱壓力為2500kN作為機(jī)身外載荷。壓力機(jī)在工作狀態(tài)下，機(jī)身主要承受兩個(gè)載荷，其大小相等、方向相反，一個(gè)是作用在曲軸支撐孔上、方向豎直向上的點(diǎn)載荷，另一個(gè)是作用在工作臺(tái)、方向向下的均布載荷。

將最大公稱壓力2500kN作為機(jī)身工作狀態(tài)下的負(fù)載，利用曲軸支撐孔受力接觸面與孔的空間節(jié)點(diǎn)耦合，通過(guò)向空間節(jié)點(diǎn)施加載荷的方式模擬機(jī)身曲軸孔受力。壓力機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的力大部分由機(jī)身承載，因此機(jī)身會(huì)產(chǎn)生一定的變形，機(jī)身曲軸支撐孔與工作臺(tái)之間的相對(duì)位移會(huì)導(dǎo)致模具受損甚至影響產(chǎn)品精度，將其作為機(jī)身優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)建立的模型及參數(shù)設(shè)置，利用Abaqus軟件的StaticStructural模塊對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行整體靜力學(xué)分析。壓力機(jī)在工作狀態(tài)下，機(jī)身受到的應(yīng)力左右對(duì)稱，曲軸支撐孔、機(jī)身內(nèi)側(cè)板以及前板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，機(jī)身受到的最大等效應(yīng)力為85.32MPa。機(jī)身是主要承載結(jié)構(gòu)，因負(fù)載將導(dǎo)致彈性形變，機(jī)身方孔及上部區(qū)域都有發(fā)生變形，曲軸支撐孔處和機(jī)身前支撐板上端是機(jī)身整體變形位移最大處，最大整體位移達(dá)0.5702mm,對(duì)機(jī)身的剛度影響較大。

考慮能否引起機(jī)身共振，對(duì)外部激振源進(jìn)行分析。本文壓力機(jī)所使用的電機(jī)為四極三相異步電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1000r/min,因此電機(jī)的工作頻率小于16.67Hz。壓力機(jī)滑塊的行程次數(shù)是每分鐘32次，所以壓力機(jī)的實(shí)際工作頻率為0.53Hz。由仿真分析可知，壓力機(jī)機(jī)身的一階固有頻率約為22.21Hz,機(jī)身低階固有頻率遠(yuǎn)大于外部激振源頻率，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。因?yàn)橥獠考ふ裨搭l率與機(jī)身低階固有頻率差距較大，因此在機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，可適當(dāng)忽略模態(tài)共振對(duì)于機(jī)身性能的影響。

基于拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)身靜力結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法，規(guī)劃應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播路徑，結(jié)合最優(yōu)準(zhǔn)則和數(shù)學(xué)歸納法，在概念構(gòu)型設(shè)計(jì)階段找到所需的最佳質(zhì)量分布。對(duì)材料進(jìn)行重新分配，進(jìn)而得到符合設(shè)計(jì)需要的模型結(jié)構(gòu)。變密度拓?fù)鋬?yōu)化通過(guò)材料密度可變的原則，刪去對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較小的單元材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解，在優(yōu)化過(guò)程中將密度為1的材料保存，密度為0的材料刪去，最終形成優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

為了提高壓力機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)剛度，改善模型動(dòng)態(tài)特性，將機(jī)身兩側(cè)壁空間補(bǔ)充至實(shí)體，作為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)域，以最小柔度設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)設(shè)置體積分?jǐn)?shù)為約束條件，以保證優(yōu)化后模型的結(jié)構(gòu)體積與優(yōu)化前模型結(jié)構(gòu)體積保持一致，建立拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。設(shè)置迭代次數(shù)為100次，對(duì)機(jī)身設(shè)計(jì)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的材料分布與機(jī)身結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力波傳播路徑大致相同，兩側(cè)壁內(nèi)側(cè)板區(qū)域材料分布較密集，該區(qū)域受力較大：兩處曲軸支撐孔主要保留孔下側(cè)材料，孔上方連接處也有少量分布：方孔豎直兩側(cè)的材料分布較多，上下兩處有橫梁結(jié)構(gòu)存在。

利用響應(yīng)面和粒子群算法結(jié)果得到的最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的變量值在SolidWorks中進(jìn)行參數(shù)化建模。將三維模型導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，獲得優(yōu)化后機(jī)身結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和整體位移圖(圖3),優(yōu)化后的機(jī)身結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力降為82.09MPa,機(jī)身整體最大位移量減小到0.2672mm,與原壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)相比皆有改善。

利用SLA光固化打印技術(shù)將兩個(gè)壓力機(jī)機(jī)身模型同比例縮小1/10,使用8828高強(qiáng)度樹(shù)脂材料，并設(shè)置相同的打印參數(shù)打印出優(yōu)化前后的壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)樹(shù)脂模型，對(duì)兩個(gè)實(shí)體模型進(jìn)行受力分析。通過(guò)萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的兩個(gè)壓力機(jī)機(jī)身模型進(jìn)行與仿真載荷方向設(shè)置相同的拉伸試驗(yàn)，具體夾持方式與拉伸方向見(jiàn)圖5。

圖5 機(jī)身實(shí)體模型受力分析

將電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度設(shè)置為0.5mm/min,分別對(duì)兩個(gè)機(jī)身模型施加從小到大的力，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)記錄機(jī)身模型受力大小和變形量情況。在拉力為0.5KN前的階段，機(jī)身處于未拉緊狀態(tài)，當(dāng)拉力超過(guò)0.5KN,隨著拉力的逐漸增加，機(jī)身逐漸發(fā)生變形位移。當(dāng)兩個(gè)模型受到相同的拉力時(shí)，優(yōu)化后機(jī)身模型的變形位移量要略小于優(yōu)化前的機(jī)身模型，證明機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是正確的，機(jī)身剛度的確得到了提高。當(dāng)力增加到3kN時(shí)，優(yōu)化后模型整體變形量為1.145mm,優(yōu)化前模型整體變形量為1.299mm。

將數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究，驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果的有效性。最后，通過(guò)對(duì)比不同材料的機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，驗(yàn)證了真實(shí)材料下機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的正確性與有效性，為類似鍛壓設(shè)備的高剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

典型件精密鍛造成形工藝與設(shè)備參數(shù)

關(guān)系研究

鍛造成形工藝設(shè)計(jì)和研究是鍛造生產(chǎn)線的基礎(chǔ)工作，也是智能化鍛造系統(tǒng)建立的重要組成部分。項(xiàng)目以汽車萬(wàn)向節(jié)鐘形罩、渦旋壓縮機(jī)靜/動(dòng)盤(pán)等典型零件為產(chǎn)品對(duì)象，對(duì)目前精密鍛造成形工藝存在的問(wèn)題展開(kāi)研究，進(jìn)行智能化鍛造生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)和建設(shè)。

汽車渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)精密鍛造成形工藝

靜渦旋盤(pán)技術(shù)要求材料為6061鋁合金，批量為10萬(wàn)件/年，未知尺寸公差為±0.2mm,未注公差按GB/T1184-K,鍛件正火處理，硬度≥120HBW,鍛件各處不允許有氣孔、缺料、飛邊、拉傷、裂紋等缺陷，通過(guò)計(jì)算，靜盤(pán)的體積為12235.475mm的3次方，質(zhì)量為0.1461kg。
      (1)工藝流程。

汽車渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)工藝路線：制坯→加熱→熱模鍛→冷精整→鍛件檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算確定鍛件的尺寸，每個(gè)工步坯料的尺寸，再計(jì)算分析鍛件成形過(guò)程發(fā)生的變形程度和所需要的擠壓應(yīng)力，通過(guò)這些數(shù)值選擇壓力機(jī)噸位，優(yōu)化成形工藝。

變形程度和擠壓比通過(guò)公式εp=[(A0-A1)/A0]×100%(斷面收縮率)，G=1/(1-εA)(擠壓比)計(jì)算，工藝中正擠壓工藝、鐓粗工藝和反擠壓三道工藝進(jìn)行變形程度。通過(guò)計(jì)算此工藝符合要求。

毛坯尺寸。鐘形罩的類型可以根據(jù)沿軸線截面變化較大的長(zhǎng)軸類鍛件的計(jì)算原則來(lái)確定坯料的直徑，通過(guò)公式d=(4V/π1)1/2計(jì)算確定毛坯直徑d=103mm,長(zhǎng)度I=55mm,質(zhì)量m=3.1kg。

單位擠壓力P=α(HV)"(InεF)"=532MPa<2500MPa,滿足要求。

壓力機(jī)噸位F=cPA。擠壓成形設(shè)備噸位為88×10kN.反擠壓成形設(shè)備噸位為2.7×10的3次方kN,因此，擠壓成形可選1000噸的壓力機(jī)，溫反擠可選400噸的壓力機(jī)。

模膛尺寸計(jì)算。凹模型腔尺寸D=D公稱+D公稱α坯t坯-D公稱α模t模-△D彈=110mm,凸模直徑d=d公稱+d公稱α坯t坯-d公稱α模t模+△d彈=103mm。

(2)成形過(guò)程模擬。

用Deform-3D軟件進(jìn)行模擬，模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置：材料為6061鋁合金：凸模工作速度為10mm/s:背壓力為50kN;坯料溫度為430℃:模具溫度為320℃,摩擦因子為0.3,坯料網(wǎng)格數(shù)為60000,步長(zhǎng)為0.1mm。

溫?cái)D壓時(shí)，坯料在凸模的壓力下，毛坯向下移動(dòng)，受到擠壓力，上模持續(xù)推進(jìn)，坯料在凹模的限制下，受到垂直圓心軸向的擠壓力，毛坯對(duì)下模腔進(jìn)行填充。受壓狀態(tài)下的圓柱下端向下方和兩側(cè)流動(dòng)填充靜盤(pán)模腔，速率開(kāi)始降低。

無(wú)背壓時(shí)，起初毛坯只與凸模部分接觸，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，主應(yīng)力較大，隨凸模向下擠壓，兩模具之間的金屬越來(lái)越少；有背壓時(shí)，起初預(yù)成形件先與凹模接觸部分產(chǎn)生較大作用力，隨著凸模的不斷推進(jìn)，毛坯與上模接觸點(diǎn)應(yīng)力最大，預(yù)成形件與靜盤(pán)接觸位置應(yīng)力較大，凸模繼續(xù)推進(jìn)，模腔開(kāi)始充滿。有背壓時(shí)應(yīng)力分布更加均勻且更小。

無(wú)背壓時(shí)凸模能承受的最大載荷為5.32×10的3次方kN,有背壓時(shí)凸模能承受最大載荷約為3.29×10的3次方kN,有背壓時(shí)所受到的成形載荷更小，同時(shí)有背壓比無(wú)背壓時(shí)靜盤(pán)成形質(zhì)量更好，因此，靜盤(pán)成形時(shí)宜采用帶背壓的工藝方案。

鍛件最大應(yīng)力集中分布在渦旋盤(pán)底盤(pán)直徑外緣部分，其次是渦旋根部，因向渦旋部分流動(dòng)。采用背壓成形工藝，毛坯在模腔里受到上、下、側(cè)面擠壓力，毛坯塑性變形能力顯著提升，產(chǎn)品質(zhì)量得到優(yōu)化。無(wú)背壓情況下，毛坯不能正確成形鍛件，金屬流動(dòng)極不均勻，且端面很不平整。有背壓情況下，鍛件端面平整，成形狀況較好。

(3) 模具設(shè)計(jì)及優(yōu)化。模具結(jié)構(gòu)如圖6所示，背壓設(shè)計(jì)如圖7所示，凸模設(shè)計(jì)如圖8所示，凹模設(shè)計(jì)如圖9所示。

(4)靜盤(pán)產(chǎn)品。

將上述汽車渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)熱模鍛成形的研究成果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，圖10為靜盤(pán)產(chǎn)品實(shí)物，產(chǎn)品滿足技術(shù)要求。

圖6 模具結(jié)構(gòu)圖

圖7 背壓成形的剖視圖

圖8 凸模結(jié)構(gòu)圖

圖9 凹模結(jié)構(gòu)圖

圖10 汽車渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)

汽車渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤(pán)精密鍛造成形工藝

與汽車渦旋壓縮機(jī)靜盤(pán)類似的方法對(duì)動(dòng)盤(pán)精密鍛造成形工藝技術(shù)進(jìn)行研究。采用溫精鍛鍛造汽車渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤(pán)，與靜盤(pán)成形工藝類似，動(dòng)盤(pán)加工工藝路線為制坯→加熱→熱模鍛→冷精整→鍛件檢驗(yàn)。

通過(guò)工藝計(jì)算，可得毛坯直徑為90mm,長(zhǎng)度為40mm:變形力為2461.99KN,壓力機(jī)噸位為911.89KN,可選噸位為1000噸鍛壓機(jī)。

根據(jù)上述信息進(jìn)行成形過(guò)程模擬。首先，用Deform-3D軟件進(jìn)行模擬。模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置：坯料溫度為250℃,環(huán)境溫度為20℃,與空氣對(duì)流散熱系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃),與模具對(duì)流系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃),模擬總步數(shù)為100步，相應(yīng)的每步0.2s,工件材料為6061鋁合金，采用四面體網(wǎng)絡(luò)劃分33721個(gè)網(wǎng)格，摩擦系數(shù)為0.25,擠壓速度為10mm·s的-1次方。

利用仿真軟件模擬成形過(guò)程：隨著金屬不斷發(fā)生塑性變形，工件的應(yīng)力值由下而上逐步增大，工件渦旋上面部分承受最大應(yīng)力(643MPa)。無(wú)背壓情況下毛坯不能正確成形鍛件，金屬流動(dòng)極不均勻，且端面很不平整。有背壓情況下，鍛件端面平整，成形狀況較好。渦旋體的上部經(jīng)歷了極大的變形，最終均勻成形，下部變形一直比較平穩(wěn)均勻。工件在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生不均勻流動(dòng)，渦旋體部分的速度場(chǎng)明顯大于環(huán)狀凸起部分，且渦旋體部分在最終位置的最大高度差相差很大。

根據(jù)仿真結(jié)果開(kāi)展模具設(shè)計(jì)，具體分為凸模設(shè)計(jì)、凹模設(shè)計(jì)(圖11)及模具裝配(圖12)。凹模內(nèi)壁承受的單位應(yīng)力很高，因此采用兩層組合凹模的方法。組合凹模材料選用45號(hào)鋼，可以顯著提高凹模承載能力，防止模具縱向開(kāi)裂。

將上述汽車渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤(pán)熱模鍛成形的研究成果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，圖13為動(dòng)盤(pán)產(chǎn)品實(shí)物，經(jīng)檢驗(yàn)產(chǎn)品滿足技術(shù)要求。

圖11 組合凹模圖

圖12 模具裝配圖

圖13 汽車渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤(pán)

汽車萬(wàn)向節(jié)鐘形罩精密鍛造成形工藝

汽車萬(wàn)向節(jié)鐘形罩技術(shù)要求鍛造材料為40Cr;鍛造后的零件硬度為180~235HBW,金屬流線應(yīng)符合鍛件外形，不允許有切斷現(xiàn)象，鍛件各處不允許有夾層、折疊、裂紋、過(guò)熱等缺陷，鍛件晶粒度≥6級(jí)，要求每年產(chǎn)量10萬(wàn)件。

(1)工藝流程。

采用溫精鍛鍛造鐘形罩，具體工藝流程制坯→正擠壓→鐓粗→反擠壓→熱處理(正火)→冷精整→鍛件檢驗(yàn)。

(2)工藝計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算確定毛坯長(zhǎng)度為140mm,直徑為59mm,質(zhì)量為3.1kg,正擠壓桿部單位擠壓力為1692.8MPa小于2500MPa,反擠壓階段凹模單位擠壓力為1440MPa,小于2500MPa,均滿足要求。擠壓成形設(shè)備噸位=8.8×10的3次方kN,反擠壓成形設(shè)備F=2.7×10的3次方kN,因此，擠壓成形可選1000噸的壓力機(jī)，反擠可選400噸壓力機(jī)。

(3)成形過(guò)程模擬。

利用Deform-3D軟件對(duì)萬(wàn)向節(jié)鐘形罩鍛造成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。正擠壓階段，金屬坯料在凸模的軸向壓力下，一直向下流動(dòng)直至填滿模具。反擠壓階段，成形初期坯料在上模的軸向壓力下向下流動(dòng)。毛坯邊緣的金屬向兩側(cè)擴(kuò)散，由于凹模的作用，毛坯中間金屬向下流動(dòng)，隨著凸模壓下量增加，毛坯兩邊的金屬繼續(xù)向下流動(dòng)，且流速較快：隨著凸模下壓.杯部金屬向上流動(dòng)，且向上的流速比底部向下流速快，大致成形后，鍛件邊緣的金屬向外流動(dòng)，內(nèi)部金屬有向下流動(dòng)的趨勢(shì)。

成形過(guò)程中一步擠壓需要巨大的擠壓應(yīng)力，模具和壓力機(jī)無(wú)法承受，還會(huì)產(chǎn)生較多的飛邊，浪費(fèi)材料與實(shí)際生產(chǎn)零件的要求不符，所以對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，增加一步初擠壓，降低擠壓應(yīng)力，節(jié)約材料。優(yōu)化后模擬結(jié)果顯示鐘形罩內(nèi)部金屬流線規(guī)則，模具應(yīng)力滿足要求，因此符合工藝、符合設(shè)計(jì)要求。

(4)模具設(shè)計(jì)。

鐘形罩?jǐn)D壓成形需要四套模具，各擠壓步驟模具結(jié)構(gòu)除凸凹模外基本相同。反擠壓是保證零件的尺寸精度和表面粗糙度的關(guān)鍵，擠壓時(shí)模具要承受一定的高壓，所以對(duì)反擠壓模具要求較高，設(shè)計(jì)圖如圖14所示。

汽車熱模鍛行業(yè)智能化鍛造系統(tǒng)與開(kāi)放創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用示范(中)