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1 模具熱處理及其導(dǎo)向平行設(shè)計(jì) 李雄 張鴻冰 阮雪榆 羅中華 張艷 摘要 在一系列方式中 傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法存在許多缺點(diǎn) 眾所周知 熱處理對(duì)模 具起著非常重要的作用 為了克服模具熱處理工藝存在的缺點(diǎn) 一種新的模具 熱處理工藝并行設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被開發(fā)出來了 熱處理 CAD CAE 技術(shù)是集成了 并行環(huán)境和有關(guān)模型而建立的 這些調(diào)查研究可以顯著提高效率 降低成本 并保證產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到 R 和 D 級(jí) 關(guān)鍵詞 模具設(shè)計(jì) 熱處理 模具 傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)主要是依照自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或依照部分實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 而不是制造 工藝 在設(shè)計(jì)完成之前 模具方案通常要被一次又一次的改進(jìn) 于是有些缺點(diǎn) 便出現(xiàn) 例如開發(fā)時(shí)期長 成本高和實(shí)際效果不明顯 由于對(duì)精確性 使用壽 命 開發(fā)期和費(fèi)用的嚴(yán)格要求 先進(jìn)的模具要求設(shè)計(jì)和制造得十分完善 因此 越來越先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新方法被應(yīng)用其中 例如并行工程 敏捷制造業(yè) 虛擬 制造業(yè) 協(xié)同合作設(shè)計(jì)等 模具的熱處理與模具設(shè)計(jì) 制造和裝配同樣重要 因?yàn)樗鼘?duì)模具的制造裝 配和使用壽命又及其重要的影響 模具設(shè)計(jì)與制造發(fā)展十分迅速 但是熱處理 發(fā)展卻嚴(yán)重滯后它們 隨著模具工業(yè)的發(fā)展 熱處理必須保證模具有良好的制 造裝配和磨損耐熱性能 不切實(shí)際的熱處理將導(dǎo)致模具材料過硬或過軟 同時(shí) 影響模具裝配性能 傳統(tǒng)的熱處理工藝是按照設(shè)計(jì)師提出的方法和特性制作出 來的 這樣會(huì)使模具設(shè)計(jì)師和熱處理工藝師意見產(chǎn)生分歧 而模具設(shè)計(jì)師卻不 能充分地了解熱處理工藝和材料的性能 相反熱處理工藝師卻很少了解模具的 使用環(huán)境和設(shè)計(jì)思路 這些分歧將在很大程度上影響模具的發(fā)展 因此 如果 把熱處理工藝設(shè)計(jì)放在設(shè)計(jì)階段之前 則縮短開發(fā)周期 減少花費(fèi)和保證質(zhì)量 等目標(biāo)將會(huì)被考慮 而且從串行到并行的發(fā)展模式也將會(huì)實(shí)現(xiàn) 并行工程是以計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)作為載體 在開始以后 每個(gè)階段和因素都 被看作如制造 熱處理 性能等等 以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤 并行模式已經(jīng)摒除了串 行模式的缺陷 由此帶來了一場對(duì)串行模式的革命 在當(dāng)前的工作中 熱處理被集成到了模具開發(fā)的并行環(huán)境中 同時(shí)也正在 進(jìn)行這種系統(tǒng)性和深入性的研究 1 熱處理下的并行環(huán)境 2 并行模式與串行模式存在根本的不同 見圖 1 對(duì)于串行模式 設(shè)計(jì)者大 多考慮的是模具的結(jié)構(gòu)與功能 但很難考慮相關(guān)的工藝 以致前者的錯(cuò)誤很容 易蔓延到后面 與此同時(shí) 設(shè)計(jì)本門很少與裝配 預(yù)算會(huì)計(jì)和銷售部門溝通 這些問題當(dāng)然會(huì)影響模具的開發(fā)進(jìn)度和市場前景 然而在并行模式中 不但以 上部門關(guān)系聯(lián)系密切 所有參加模具開發(fā)的部門都與買家有密切的交流 這有 助于協(xié)調(diào)各部門消除矛盾 提高工作效率 同時(shí)降低成本 并行環(huán)境下的熱處理工藝不是在方案和工件確定以后 而是在模具設(shè)計(jì)的 時(shí)候制定出來的 這樣的話 將有利于優(yōu)化熱處理工藝 充分利用材料 3 2 模具熱處理 CAD CAE 一體化 從圖 2 中可以看出 熱處理工藝的設(shè)計(jì)與模擬是一體化模式的核心 在信 息輸入產(chǎn)品模塊中后 經(jīng)熱處理工藝過程產(chǎn)生的熱處理 CAD 和熱處理 CAE 模 塊將對(duì)于零件圖 熱處理以后模擬溫度場的微觀結(jié)構(gòu)分析和可能出現(xiàn)的缺陷 例如過熱 燒傷 自動(dòng)劃分網(wǎng)絡(luò) 如果優(yōu)化是根據(jù)立體視覺技術(shù)的結(jié)果重新 出現(xiàn) 則這項(xiàng)熱處理工藝已經(jīng)被審核 而且工具與夾具的 CAD 和 CAE 也集成 于這種系統(tǒng)中 以并行工程為基礎(chǔ)的集成模式可以與其它類似模式共享信息 這樣使熱處 理工藝得到優(yōu)化 并確保改工藝準(zhǔn)確 2 1 采用三維模型和立體視覺技術(shù)的熱處理 在形成模具的基礎(chǔ)上 材料 結(jié)構(gòu)和尺寸的問題能通過熱處理三維模型盡 快發(fā)現(xiàn)出來 在熱處理過程中 模具加熱條件和相變條件是切合實(shí)際的 因?yàn)?通過計(jì)算相變熱力 相變動(dòng)力 相應(yīng)力 熱應(yīng)力 傳熱速度 流體動(dòng)力等已經(jīng) 取得重要突破 例如 能進(jìn)行局部復(fù)雜表面和不對(duì)稱模具的三維熱傳導(dǎo)模型計(jì) 算 和能進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的 MARC 軟件模型 計(jì)算機(jī)能夠在任何時(shí)間提交溫 度 微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的信息 并通過連接溫度場微觀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域和力場來顯示三 維形式的全部改變過程 如果再加上這種特性 則各部分性能都能通過計(jì)算機(jī) 4 預(yù)見 2 2 熱處理工藝設(shè)計(jì) 由于對(duì)強(qiáng)度和硬度 表面粗糙度和模具熱處理變形的特殊要求 淬火介質(zhì) 的種類 淬火溫度 回火溫度和時(shí)間等參數(shù)特性必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪x擇 以及是 否使用表面淬火或化學(xué)熱處理 這種特性必須準(zhǔn)確的制定下來 自從計(jì)算機(jī)技 術(shù)在最近幾十年迅速的發(fā)展 難以進(jìn)行大型計(jì)算已經(jīng)成為過去 通過模擬和仔 細(xì)考慮熱處理特性 熱處理后的成本和所須時(shí)間 這些都并不難優(yōu)化熱處理工 藝 2 3 熱處理數(shù)據(jù)庫 熱處理數(shù)據(jù)庫在圖 3 中描述 數(shù)據(jù)庫是制定熱處理工藝的基礎(chǔ) 一般來說 熱處理數(shù)據(jù)庫分為材料數(shù)據(jù)庫和工藝數(shù)據(jù)庫 通過材料和工藝來預(yù)測特性已成 為一種必然的趨勢 盡管很難建立一個(gè)特性數(shù)據(jù)庫 但通過一系列的測試來建 立數(shù)據(jù)庫是必要的 材料數(shù)據(jù)庫包括材料牌號(hào) 化學(xué)成分 性能和國內(nèi)外同級(jí) 別目錄表 工藝數(shù)據(jù)庫包括熱處理標(biāo)準(zhǔn) 種類 保溫時(shí)間和冷卻溫度 基于數(shù) 據(jù)庫 熱處理工藝可以通過推理規(guī)則創(chuàng)造出來 2 4 熱處理工具和設(shè)備 在熱處理工藝確定以后 工具及設(shè)備 CAD CAE 系統(tǒng)傳送設(shè)計(jì)和制造的數(shù) 值信息來控制裝置 通過快速模具成型 可靠的工具和夾具都能被確定 整個(gè) 程序通過網(wǎng)絡(luò)傳送 不存在任何人為干擾 3 關(guān)鍵技術(shù) 5 3 1 溫度 微觀結(jié)構(gòu) 應(yīng)力和特性的聯(lián)系 熱處理程序是一個(gè)溫度 微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力互相作用的程序 三方面都能影 響材料特性 見圖 4 在加熱和冷卻期間 當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)熱應(yīng)力和相變遲 早會(huì)出現(xiàn) 微觀結(jié)構(gòu)溫度相變和溫度 微觀結(jié)構(gòu) 應(yīng)力特性相互影響 對(duì)相互 作用的四個(gè)因素的調(diào)查已經(jīng)取得很大的發(fā)展 但普通的數(shù)學(xué)模型還沒有建立 許多模型能很好的滿足測試結(jié)果 但不能投入到實(shí)踐當(dāng)中 大部分模型的難點(diǎn) 是用分析的方法處理的 同時(shí)數(shù)值方法也運(yùn)用了 導(dǎo)致存在不準(zhǔn)確的計(jì)算 圖 4 熱處理工藝圖解 即使如此 把經(jīng)驗(yàn)方法與定性分析相比較 通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)行熱處理模擬 取得了很大的進(jìn)展 3 2 模型的建立和融合 在模具的開發(fā)過程中 涉及到設(shè)計(jì) 制造 熱處理 裝配 維修等 它們 應(yīng)該有自己的數(shù)據(jù)庫和模型 它們通過事物的內(nèi)在聯(lián)系建立模型 互相串聯(lián)起 來 盡管建立和運(yùn)用動(dòng)態(tài)推理機(jī)制 但其目的在于完成優(yōu)化設(shè)計(jì) 產(chǎn)品模型和 其它模型的聯(lián)系已被建立 如果細(xì)小組織模型發(fā)生改變 則產(chǎn)品模型也將改變 事實(shí)上 它屬于數(shù)據(jù)庫與模具之間的聯(lián)系 當(dāng)熱處理模型集成到系統(tǒng)以后 它 已不再是一個(gè)孤立的單位 而是一個(gè)部分 同時(shí)在系統(tǒng)中接近其它模型 在搜 查后 熱處理數(shù)據(jù)庫的計(jì)算和推理能力 熱處理程序都被幾何模型 模具制造 模型和預(yù)算所限制 這是通行的 如果這種限制不服從 系統(tǒng)會(huì)發(fā)出解釋性的 警告 所用設(shè)計(jì)的細(xì)小組織都是通過互連網(wǎng)連接的 3 3 各部分之間的管理和協(xié)調(diào) 復(fù)雜的模具需要其中各項(xiàng)目組之間密切合作 因?yàn)榭紤]到模具的開發(fā) 各 6 部分都存在缺點(diǎn) 它必須得到管理和協(xié)調(diào) 首先 各項(xiàng)目組應(yīng)該確定其本身的 控制條件和資源要求 同時(shí)了解不同環(huán)境下的工作程序 以避免發(fā)生沖突 其 次 要提出開發(fā)計(jì)劃和建立監(jiān)控機(jī)制 如果開發(fā)受到限制則可逐步排除 敏捷管理和協(xié)調(diào)有助于交流信息 提高效率和減少材料 同時(shí)這有利于激 發(fā)人的創(chuàng)造力 消除阻礙和制定出最好的方法 4 總結(jié) 熱處理 CAD CAE 技術(shù)已被集成到模具并行設(shè)計(jì)中去 同時(shí)熱處理已被 制成圖表 這有利于提高效率 較易發(fā)現(xiàn)問題并解決問題 模型的開發(fā)已在同一個(gè)平臺(tái)運(yùn)行 在這個(gè)平臺(tái)中 當(dāng)熱處理工藝制定出 來后 設(shè)計(jì)人員可獲得相關(guān)信息和轉(zhuǎn)讓部分信息到其它設(shè)計(jì)部門 制定出正確的開發(fā)計(jì)劃并按時(shí)調(diào)整可以極大縮短開發(fā)周期和降低成本 文獻(xiàn)出處 李雄 張鴻冰 阮雪榆 羅中華 張艷 模具熱處理及其導(dǎo)向平行設(shè)計(jì) J 鋼鐵研究學(xué)報(bào) 英文版 2006 13 1 40 43 74