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精密鍛造模具尺寸精度及模具應(yīng)力的
集成計(jì)算機(jī)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(yīng)用決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)是基于早期有經(jīng)驗(yàn)的鍛造模具設(shè)計(jì)工程師的總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)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(yīng)用領(lǐng)域中,業(yè)務(wù)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(shè)計(jì)中，高尺寸精度更是主要目標(biāo)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(yù)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(gè)階段中都對模具和產(chǎn)品的空間演變進(jìn)行分析。在這項(xiàng)研究中，自圓柱形工件投入使用以來，徑向和切向應(yīng)力都將作為模具應(yīng)力被測定。為確保鍛模尺寸和產(chǎn)品尺寸相吻合，應(yīng)盡量避免鑲件與鍛模間的彈性擴(kuò)張和收縮。
關(guān)鍵詞：精密鍛造 模具應(yīng)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(jì)效益的原因，精密成形已經(jīng)成為金屬成形技術(shù)所要實(shí)現(xiàn)最重要的目標(biāo)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(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)者應(yīng)充分認(rèn)識(shí)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(shè)計(jì)的研究中，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)的方法研究了型腔補(bǔ)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(yīng)力。 Sadeghi和Dean則研究了關(guān)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(shè)計(jì)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(shù)（UBET）等一些數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)分析和應(yīng)力及彈性偏差預(yù)測都是基于模具壽命預(yù)測的。尤其在熱鍛，模具應(yīng)力，機(jī)械連接的構(gòu)型及熱應(yīng)力，修復(fù)模具疲勞，表面裂紋，裂紋擴(kuò)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(fù)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(shè)計(jì)不但需要了解這些參數(shù)的影響而且要對過程中機(jī)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(xué)性能，工藝參數(shù)必須準(zhǔn)確，優(yōu)化，并得到適當(dāng)?shù)目刂啤?
對于鍛造模具的設(shè)計(jì)要求及負(fù)荷的預(yù)測, 經(jīng)驗(yàn)豐富的工具設(shè)計(jì)師運(yùn)用所積累的知識(shí)一般通過正確處理尺寸精度來實(shí)現(xiàn)。而這些知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)都是基于工業(yè)試驗(yàn)的。除了有關(guān)模具應(yīng)力和鍛造負(fù)荷的數(shù)學(xué)計(jì)算外，必要的過程計(jì)劃及源于行業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)范的準(zhǔn)則和知識(shí)也為鍛模設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的實(shí)施方案 。
2模具設(shè)計(jì)的通用假設(shè)
模具設(shè)計(jì)一般受多個(gè)因素的影響，并且各個(gè)因素之間又相互關(guān)聯(lián)。如：產(chǎn)品的類型、形狀及個(gè)別特殊情況等,但主要受強(qiáng)度要求的影響。我們應(yīng)該意識(shí)到,由于鍛模中復(fù)雜的應(yīng)力分布，在設(shè)計(jì)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(huì)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但通常，我們會(huì)假定存在這樣一個(gè)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(shè)，就可以對理論空心氣瓶進(jìn)行計(jì)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(diǎn)，以便對變形速率、模具負(fù)載和型腔充填等重要參數(shù)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的預(yù)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(dá)成近乎完美的解決方案。
模具內(nèi)部不斷上升的應(yīng)力主要來源于煅燒時(shí)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(huì)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(huì)與模具有所不同，這主要是由以下幾個(gè)因素造成的：
-鑲件會(huì)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(huì)被預(yù)加熱，然后在鋼坯加熱過程中會(huì)被進(jìn)一步加熱。這將造成模具形腔擴(kuò)展（UT）。
-工件從鍛造溫度冷卻至室溫時(shí)會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象（Uc）。
-在模具零件的電火花加工時(shí)，電極與工件之間會(huì)發(fā)生火花間隙。這降低了模腔尺寸（克）。
如圖1所示，假設(shè)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(jì)算
3.1擴(kuò)展的彈性模計(jì)算（Ue）
為了計(jì)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(shè)工件受模具的應(yīng)力是不變的，并且鍛件在最大負(fù)荷時(shí)始終保持圓柱形，
同時(shí)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(fù)荷產(chǎn)生和消失時(shí)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(jì)算出的模具在徑向壓力的擴(kuò)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(fù)荷會(huì)導(dǎo)致兩種形式的形變。首先，工件將發(fā)生彈性形變，當(dāng)沖頭應(yīng)力等于工件的屈服應(yīng)力時(shí)，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(diǎn)上是相等的，即:εθ1=εθ2.下標(biāo)1和2分別為鑲件和收縮環(huán)。當(dāng)工件所施加的負(fù)荷達(dá)到最大時(shí)，徑向應(yīng)力將大于其屈服應(yīng)力。在這種情況下，如果沖頭負(fù)荷消失，工件將受到模具的塑性壓力直到工件上的徑向應(yīng)力降低到剪切屈服應(yīng)力的兩倍（Sy）。通過使用特雷斯卡的屈服準(zhǔn)則，在本階段結(jié)束時(shí)，
工件的徑向膨脹的總值可以通過以下公式計(jì)算出：
在鍛造過程結(jié)束時(shí)，沖壓力為零，徑向應(yīng)力（2Sy）仍然作用在工件上。在工件抽出時(shí)，它的半徑將彈性擴(kuò)大而回收量（S）可以通過假設(shè)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(jì)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(huì)對模具進(jìn)行預(yù)熱。煅燒過程中工件上的部分熱量會(huì)進(jìn)一步加熱模具，這兩部分熱量會(huì)導(dǎo)致模具膨脹。模具的徑向溫度分布預(yù)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(huì)隨徑向溫度梯度形成外熱力流。假設(shè)預(yù)熱均勻，則模壁會(huì)自由膨脹所有徑向膨脹量計(jì)算如下：
這里，Tr為室溫，Tp是預(yù)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(jì)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(jì)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(shè)收縮徑向發(fā)生,鍛造完成時(shí)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(shí)現(xiàn)高精度的模具尺寸公差范圍、模具尺寸會(huì)被嚴(yán)格控制。正如上文所述，在調(diào)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(jì)算出影響鍛造尺寸的參數(shù)，而對于一個(gè)給定的條件，模具的輪廓是確定的。并且已經(jīng)有用于計(jì)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(jì)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)
現(xiàn)在我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)為決策支持系統(tǒng)建立了推理和控制能力，同時(shí)找到了正確處理模具應(yīng)力和產(chǎn)品尺寸精度的方法。
我們也開始考慮運(yùn)用一種智能的面向?qū)ο笙到y(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(fù)荷、模具幾何、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架來描述這項(xiàng)工作的知識(shí)表征。模具裝配、材料)與面框相連接。每個(gè)母系框架又設(shè)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(xì)說明了數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)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(diào)整子框架和例證以使其能代指特定的對象。鍛造負(fù)荷的預(yù)測對尺寸精度和模具壽命至關(guān)重要。
下面的這個(gè)框架有六個(gè)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(gè)框架從它的幾何母系框架獲取知識(shí)表達(dá)。為了確定煅燒負(fù)荷,輪廓將首先被加熱。為了找到斜行和弧線，要對實(shí)體進(jìn)行搜索。在這個(gè)過程中, 為了找到斜行或弧,相關(guān)的支架都要被刪除。
移除框架：在這個(gè)框架中,移除的實(shí)體將被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。這里有兩個(gè)實(shí)例：其中一種包含斜行的信息而另一個(gè)包含了弧域框架：這個(gè)框架也是鍛造負(fù)荷母系框架的子框架。幾何分解就是源于這個(gè)框架的。垂直和水平線都引自同行的角點(diǎn)。通過這種方式,矩形區(qū)域得以劃分。域的有關(guān)知識(shí)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。
摩擦框架：域的一側(cè)與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。因此,兩側(cè)都會(huì)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(cè)是否與材料、模具或沖床的一側(cè)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(biāo)準(zhǔn):良潤滑，潤滑、差及零潤滑(干)。這些標(biāo)準(zhǔn)必須由用戶認(rèn)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(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力值就會(huì)隨之變化。因此, 材料的這一屬性必須隨時(shí)掌握。
5實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)中用到一個(gè)600kN的液壓力，同時(shí)，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(shí)要鍛造U形、T形及錐形的鋁制產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。并且用到了三種不同大小的圓柱形鋁質(zhì)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(yīng)力-應(yīng)變曲線，我們進(jìn)行了閥瓣鍛造壓縮試驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們又進(jìn)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(yīng)的載荷進(jìn)行計(jì)算與記錄。高度的降低量與載荷關(guān)系如圖7所示。圖8為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了確定摩擦系數(shù)(m),我們對模環(huán)進(jìn)行了抗壓測試。扁環(huán)樣本在兩個(gè)擋板間發(fā)生可塑性壓縮。增加摩擦?xí)a(chǎn)生材料的內(nèi)向流，相反，減少摩擦則會(huì)造成材料的外向流。對于抗壓測試中給定的高縮比,相應(yīng)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(jí) 。
從這個(gè)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(jì)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(rèn)為是提高鑄造部分尺寸精度最重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們應(yīng)該嚴(yán)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(rèn)為液態(tài)金屬在棱角處不易流動(dòng)。這一問題可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整毛坯的幾何構(gòu)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(gè)毛坯由圓柱形固態(tài)材料在26噸載荷下鍛造而出。第二個(gè)毛坯則在55噸載荷下鍛造出來的，但試件內(nèi)側(cè)明顯出現(xiàn)填模不滿的情況。而第三個(gè)毛坯更是同時(shí)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(gè)試件的載荷量是40噸，此時(shí)模腔基本上被填滿了。第三個(gè)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(shí)驗(yàn)二采用了30毫米毛坯直徑和35噸毛坯負(fù)載(圖12b)。在這種情況下，錐形頂部不能完全成型。第三個(gè)試件直徑為25毫米,負(fù)荷為24噸。幾乎達(dá)到了尺寸要求。
這些實(shí)驗(yàn)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?yàn)榫苠懺斓哪＞咴阱懺爝^程中會(huì)受到非常大的徑向壓力，所以模具會(huì)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(jìn)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(kuò)張（Ue），可以通過等式5并結(jié)合模具尺寸計(jì)算得出。U型鍛造的模具修正尺寸和壓力計(jì)算的截屏見圖13a、圖13b。圖14Excel表格截圖也給出了計(jì)算結(jié)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(yīng)力和尺寸精度的計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)要素。沖床最為獨(dú)立的單元，沒有列出詳細(xì)數(shù)據(jù)。沖床充當(dāng)了腔體頂部，與隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的鍛機(jī)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(fù)荷、摩擦負(fù)荷和溫度的影響，同時(shí)它的強(qiáng)度又必須能夠應(yīng)對所有情況, 所以它的選材必須非常慎重。為了增強(qiáng)鑲件對內(nèi)部壓力的抵抗力，通常是在一個(gè)或多個(gè)收縮環(huán)內(nèi)插入嵌件，使其達(dá)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(yīng)力合力。
6結(jié)論
計(jì)算機(jī)輔助鍛造設(shè)計(jì)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(gè)產(chǎn)業(yè)中地位突出，所以，發(fā)達(dá)的決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。通常假設(shè)移除外加負(fù)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(xué)參數(shù)，也會(huì)考慮在室溫下由圓柱形模具鍛造缸體。雖然鍛造過程中會(huì)忽略加工硬化和溫度變化的影響，但理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是非常吻合的。
機(jī)
機(jī)
械
英
文
翻
譯
譯
文
姓 名: 林 超
班 級(jí):07機(jī)制2班
指導(dǎo)老師:楊志波
機(jī)
械
英
文
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譯
原
文
姓 名: 林 超
班 級(jí):07機(jī)制2班
指導(dǎo)老師:楊志波