近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬分析技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用和發(fā)展，人們相應(yīng)提出了數(shù)字化精鍛成形的概念。數(shù)字化精鍛的內(nèi)涵主要包括精密塑性加工工藝、數(shù)值模擬仿真(CAE)技術(shù)，精密塑性加工模具CAD/CAM 技術(shù)和精密測量技術(shù)。

數(shù)字化精鍛成形技術(shù)的兩種形式及其實(shí)施步驟與方法

基于數(shù)值模擬技術(shù)為平臺的思路，現(xiàn)將數(shù)字化精鍛成形技術(shù)分為正向模擬為平臺的數(shù)字化精鍛成形技術(shù)和逆向模擬為平臺的數(shù)字化精鍛成形技術(shù)，相應(yīng)的程序框圖如圖1 所示。

正向模擬及其實(shí)施步驟與方法

圖1(a)所示為以正向模擬CAE 為平臺的數(shù)字化精鍛成形的基本思路和步驟大致為：

圖1 數(shù)字化精鍛成形CAE 框圖

⑴采用UG 或PRO/E 軟件對需要加工的零件進(jìn)行三維造型。

⑵針對零件的幾何形狀特點(diǎn)和材料特性，基于傳統(tǒng)的塑性加工工藝和經(jīng)驗(yàn)提出若干個(gè)鍛造工藝方案。

⑶針對所要加工的零件建立數(shù)值模擬模型，如有限元模型。

⑷選擇合適的模擬軟件分別對所提工藝方案進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果，從中選擇較優(yōu)的工藝方案和工藝參數(shù)。

⑸以上述工作為基礎(chǔ)，選擇合適的CAD/CAM 軟件實(shí)現(xiàn)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)字化建模與數(shù)字化制造即數(shù)控加工。

⑹采用數(shù)控塑性加工設(shè)備和模具實(shí)現(xiàn)零件產(chǎn)品的精鍛生產(chǎn)。

⑺采用三坐標(biāo)測量儀或其他測量儀器對所生產(chǎn)的零件進(jìn)行尺寸精度與表面粗糙度的精密測量，并將測量結(jié)果反饋到入口處，是保持既定的工藝方案和工藝參數(shù)還是需要修改工藝方案和工藝參數(shù)。

逆向模擬及其實(shí)施步驟與方法

圖1(b)所示為以CAE 為平臺的逆向模擬數(shù)字化精鍛成形的基本思路。下面按照框圖的順序就如何實(shí)現(xiàn)精鍛成形的優(yōu)化步驟與方法作出較為深入的闡述。

⑴獲得合格精密鍛件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)有三點(diǎn)：1)所得到的鍛件余量和公差達(dá)到相應(yīng)的國標(biāo)中精密級技術(shù)指標(biāo)，主要靠鍛模的精度來保證；2)所得精密鍛件的晶粒度及微觀組織和力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到零件的性能指標(biāo)，主要靠工藝參數(shù)的優(yōu)化來保證；3)模鍛成形力最小，主要靠終鍛時(shí)金屬流動(dòng)距離短和流動(dòng)順序合理來保證，進(jìn)而通過預(yù)鍛件的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，而對于閉式精鍛則依靠采用分流鍛造技術(shù)來保證。

⑵預(yù)鍛件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)有兩點(diǎn)：1)所設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件在終鍛時(shí)成形順利，其設(shè)計(jì)方法是預(yù)鍛件的形狀要同終鍛件形狀相似，加大過渡圓角和模鍛斜度，對于帶工字形斷面的鍛件和枝叉類鍛件應(yīng)遵循前面所論述的原則，這樣的設(shè)計(jì)也兼顧了制坯工件的設(shè)計(jì)；2)預(yù)鍛成形力最小，仍然是以金屬流動(dòng)距離短和流動(dòng)順序合理來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)鍛為開式模鍛時(shí)很容易保證，但為閉式預(yù)鍛時(shí)也應(yīng)采取分流鍛造技術(shù)來保證。鍛件

⑶制坯工件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)有兩點(diǎn)：1)所設(shè)計(jì)的制坯工件預(yù)鍛時(shí)成形順利；2)制坯成形力最小。其設(shè)計(jì)方法是，應(yīng)使制坯工件放入預(yù)鍛模膛中定位準(zhǔn)確、外輪廓與預(yù)鍛模膛內(nèi)壁間的間隙均勻；盡可能設(shè)計(jì)成以鐓粗的方式成形。

⑷坯料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)是，坯料的形狀及尺寸的合理配置。如前所述，制坯主要有開式鐓粗及閉式鐓粗、輥鍛及楔橫軋、正向擠壓等方式，只要遵循相應(yīng)的工藝準(zhǔn)則及計(jì)算方法得到原毛坯即坯料尺寸即可。

按照這種逆向模擬得到優(yōu)化的精鍛工藝方案，進(jìn)行工藝試驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)的工藝順序是：坯料→加熱→制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊、沖孔。通過應(yīng)用實(shí)例表明，所得鍛件成形飽滿，輪廓清晰。進(jìn)而表明，其優(yōu)化工藝方案實(shí)現(xiàn)了鍛件幾何形狀的準(zhǔn)確控制即所謂的控形。

⑸工藝參數(shù)的優(yōu)化。主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)溫度T、成形速度v、變形程度εA 三個(gè)關(guān)鍵模鍛工藝參數(shù)的合理選擇及配置即優(yōu)化。通過工藝參數(shù)的優(yōu)化可確保鋁合金精密鍛件微觀組織及力學(xué)性能達(dá)到零件的相應(yīng)技術(shù)要求，即實(shí)現(xiàn)鍛件質(zhì)量的控制，即控質(zhì)。

⑹采用有限元方法及DEFORM-3D 軟件，按照坯料至精密鍛件的順序，對所分析設(shè)計(jì)的工藝方案進(jìn)行模擬，模擬時(shí)以前述工序模擬的結(jié)果作為后一道工序模擬的輸入信息。以此，對所設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。

新型鋁合金精鍛設(shè)備的研制及應(yīng)用

直驅(qū)式數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)

直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的最新發(fā)展，其基本結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示，它由冷卻電機(jī)1、主電機(jī)定子2、轉(zhuǎn)子3、螺桿4、上橫梁5、推力軸承6 和拉桿7 等主要零部件組成。主電機(jī)定子2 固定在上橫梁5 的上面，主電機(jī)轉(zhuǎn)子3 固定在飛輪外圓柱面上，帶有轉(zhuǎn)子3 的飛輪與螺桿4 固定為一體，其余結(jié)構(gòu)與非直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)相同。主電機(jī)2、3 正反通電時(shí)，與飛輪為一體的轉(zhuǎn)子3 在磁場作用下作正反快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺桿4 以相同的速度正反旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)滑塊向下與向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模鍛成形功能。

圖2 直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

基于上述原理，武漢新威奇科技有限公司于2016 年研制成公稱壓力為5MN 的J58ZK-500 型直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，其樣機(jī)如圖3 所示。

圖3 J58ZK-500 型直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)樣機(jī)

直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)與非直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)比較，因傳動(dòng)鏈更短，所以結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳動(dòng)效率更高，節(jié)能省電效果更好；滑塊行程次數(shù)和生產(chǎn)效率更高，總體性能更加先進(jìn)。鍛件

伺服液壓機(jī)

針對鋁合金鍛造溫度范圍窄，通常不超過100℃的特點(diǎn)，采用成形速度即工進(jìn)速度較快且可在一定的范圍內(nèi)可變的伺服液壓機(jī)最為合適。根據(jù)這一需求，武漢新威奇科技有限公司開始研制Y68SK 型高性能精鍛伺服液壓機(jī)，使用液壓站采用泵控伺服技術(shù)，通過對泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的精確控制，實(shí)現(xiàn)流量和壓力精確控制，克服了傳統(tǒng)閥控伺服系統(tǒng)高壓節(jié)流產(chǎn)生的油溫升高過快的問題，達(dá)到節(jié)能省電的效果，同時(shí)降低系統(tǒng)油溫，最高節(jié)能率達(dá)70%，平均節(jié)能率達(dá)30%。

典型應(yīng)用實(shí)例

HS7 后上控制臂零件三維實(shí)體造型如圖4 所示。

圖4 HS7 后上控制臂零件三維造型

制定的后上控制臂小飛邊精鍛工藝流程為：下料→加熱→彎曲→小飛邊精鍛終成形→切邊→沖孔→校正。

由直棒料彎曲成形所需制坯工件(目標(biāo)件)的彎曲貼模情況、彎曲件與目標(biāo)件的對比情況如圖5 所示。實(shí)際成形工件與目標(biāo)件有一定的差別，但差別很小，不影響終鍛成形。彎曲工件上的溫度范圍約為450 ～500℃，僅與模具接觸部分表面溫度降低了約50℃，工件溫度仍處在合理的模鍛溫度范圍以內(nèi)。

圖5 彎曲成形模擬結(jié)果

圖6 所示為小飛邊精鍛終成形結(jié)束狀態(tài)，鍛件典型截面的充滿情況。可以看出，終鍛成形良好，這正是小飛邊即平面薄飛邊橋部增大了金屬橫向流入飛邊槽的阻力，而提高其縱向充滿模膛的效果，由圖6（a）所形成的飛邊也可以看出其飛邊很小，有利于提高材料利用率。模擬結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的小飛邊精鍛工藝方案是合理的。

圖6 終鍛成形過程模擬結(jié)果

圖7 已切邊的鍛件

精鍛技術(shù)開發(fā)小組按照所設(shè)計(jì)的工藝流程，將制造好的彎曲、終鍛和切邊模具分別安裝在400 噸液壓機(jī)、630 噸摩擦壓力機(jī)和200 噸液壓機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，所試驗(yàn)出的HS7 后上控制臂鍛件如圖7 所示?？梢钥闯?，鍛件成形飽滿，輪廊清晰，飛邊小。表明所設(shè)計(jì)的工藝方案切實(shí)可行。