冷温锻精密成形技术及面向工艺智能设计的冷温锻件信息建模研究

冷温锻精密成形技术及面向工艺智能设计的冷温锻件信息建模研究 冷温锻精密成形技术及面向工艺智能设计的冷温锻件 信息建模研究 上海交通大学 硕士学位论文 冷温锻精密成形技术及面向工艺智能设计的冷温锻件信息建模 研究 姓名:王罡 申请学位级别:硕士 专业:材料加工工程 指导教师:张质良 2003.2.1冷温锻精密成形技术及面向工艺智能设计的冷温锻件 信息建模研究 摘要 随着先进制造技术的发展 塑性加工技术也在不断发生深刻变革 其中精密 成形技术和智能工 艺模具设计是两大主 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 精密成形技术要实现塑性加工和流动模拟的高精度 智能工艺模具设计则 要使计算机在复杂的工艺和模具设计过程中发挥积极的作用 因此研究冷温 锻精密成形技术和智能 工艺/模具设计系统 对于冷温锻技术的发展有着重要的意义 本文首先对先进制造技术的发展和应用作了系统分析 为课题研究提供了相关技术背景 然后 提出了当今塑性加工技术的两大主题及其内在 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 在此基础上分析了冷温锻成形技术及冷温锻 CAPP系统的发展历程和研究现状 进而提出了本文的目标 冷温锻成形技术是实现净形加工 提高制造业效率的关键技术之一 冷温锻成形技术两个最突 出的发展方向是精确成形和计算机模拟仿真 实现冷温锻精确成形 亦即实现冷温锻件的高精度 依赖于坯料条件 加工条件 压力机 以及冷温锻模具四个因素的综合作用 从而构成了冷温锻精 密成形工艺的技术框架 有限元方法是实现计算机仿真最重要的方法 冷温锻有限元仿真的基础是 刚 粘 塑性有限元法 其中热力耦合及边界摩擦条件处理是建立冷温锻有限元模型的重要问题 智能工艺/模具设计是提高制造业效率的另一关键技术 KBE 技术的产生推动了人工智能技术 在工程领域的应用 基于 KBE技术的冷温锻智能工艺设计系统 ICAPP 包括五个模块 冷温锻 件信息建模 工艺数据库管理 工艺决策推理 工艺知识库管理以及 CAE模块 冷温锻件信息建模是冷温锻智能工艺设计系统实现和有效运行的前提 运用 特征技术和面向对 象技术 冷温锻件信息模型提供了高于几何描述的产品信息集成平台 冷温 锻件的特征分类与描述 是基于形状并面向冷温锻 ICAPP系统的 特征单元是锻件信息的载体 集成 几何与非几何信息 锻件信息模型是特征单元根据特征关系构成的链 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 结构 面向对象的锻件特 征信息模型通过属性集 和方法集 不仅对锻件进行完整地描述 亦为 CAPP系统提供有效的信息支 持 最后 基于 AutoCAD平台 以其 ObjectARX为开发工具 结合 VC++6.0开发 了冷温锻件信息 建模系统 并通过实例运行证明了本文思路的可行性和合理性 关键词 冷温锻精密成形工艺 智能工艺设计 特征技术 面向对象Research on the Cold and Warm Precision Forging Technology and ICAPP-Oriented Forging Part Molding System ABSTRACT With the development of advanced manufacturing technology, plasticity technology is also changing deeply, and the two key subjects are precision forming and intelligent design. The goal of precision forming is to achieve high precision of plastic forming and simulation, while intelligent design will help engineer in complicated process plan and tools design. So it is very important for forging industry to research on the cold and warm precision forging technology and intelligent system for process plan and tool design. The thesis, first, analyses the development and application of advanced manufacturing technology, which provided the background of the research. Then the two key subjects and their content were pointed. Based on the two steps, it was analysed of the development and current state of cold and warm precision forging technology and intelligent system for process plan and tool design. Then the goal of the thesis was pointed. Cold and warm forging technology is the key to achieve net-form manufacturing and increase the productivity of manufacturing industry. The main directions of it are precision forming and simulation. Precision forming of cold and warm forging, that will provide forging part with high precision, is dependent upon four factors, which are condition of raw material, processing condition, forging press, and forging tools. The framework of precision forging technology is then formed. Finite Element Method is the most important for forming process simulation. Rigid-plastic FEM is the proper method for cold and warm forging, in which the coupling of heat and force and friction condition of edge are two key issues for cold and warm forging FEM model. Intelligent process plan is the other key technology to increase the productivity of manufacturing industry. Creation of KBE accelerate the application of AI in engineering area. KBE-based cold and warm forging ICAPP system includes five modules: forging part modeling, process database, process knowledge base, reasoning for process plan and CAE module. Cold and warm forging part modeling is precondition of running of ICAPP system. By feature technology and object-oriented technology, forging part model provides a platform of information integration that is above geometry description. Feature classes of forging part are based on the form and serve for ICAPP system. Feature unit is the carrier of forging part’s information that integrates geometry information and un-geometry information. Forging part model is then a feature list in which feature units form a chain according to the relation between them. Through the attribution and operation assembles, forging part model describes part completely and provides validate interface for ICAPP.In the end, a cold and warm forging part modeling system is developed. The system is based on AutoCAD platform and applys its developing tools ObjectARX module, and VC++ developing tool. By running of a sample, the system and its thought are testified. Key Words: Cold and warm forging, KBE, AI, ICAPP, feature technology, object-oriented, product information modeling 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 王罡 日期 2003年 2月 20日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 王罡 指导教师签名 张质良 日期 年 月 日 日期 年 月 日上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 第一章 绪 论 引言 先进制造技术的产生和发展 人类经济的发展已经经历了发生在数千年前的 农业革命 和发生在 200 多年前的 工业革 命 两次经济革命 在工业革命以前 生产方式是一种基于手工作坊式个体生产 由于制造技术 水平的限制 产品没有互换性 不能进行大规模生产 从工业革命到 20世纪 20年代 亨利福特 Henry Ford, 1863 1947 开创了机械自动化的流水线生产 提出了 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化的概念 并引入了科 学的管理思想 这时的工业生产表现为产品成本能够降低和质量容易得到保证的大量生产方式 追求的是生产率 采用的是各种机械设备 机械自动化和刚性生产线 而从 20世纪 60年代以后 随着生产力的不断提高 供过于求的现象越来越来普遍 卖方市场逐步转向买方市场 到了 20世 纪 80 90年代 随着各种技术特别是自动化技术 计算机技术和互联网技术的迅猛发展 社会开 始进入信息和知识经济时代 工业生产追求的是投入和产出的经济效益 采用的是具有一定柔性 和智能的先进制造技术 回顾刚刚过去的一个世纪 就制造业来讲 涌现和产生了各种各样的先进制造技术 AMT 用这些技术制造了半导体 无线电产品与设施 大规模集成电路和芯片 制造了汽车 机床 机 器人 飞机 火箭 计算机 电视机 移动通信设备及产品等成千上万的机电产品 极大的改变 和丰富了人们的生产和生活方式 制造技术是关系到国家生存和繁荣的重要基础 它的水平与制 造业的发达程度突出反映了一个国家的经济实力和综合国力 人民的生活水平和生活质量 国防 能力和社会发展程度 近年来工业发达国家和一些新兴工业化公家把发展 AMT作为一项极其重要 的发展战略或政策 把它列为国家中长期发展的重大关键技术 将其视为经济增长的根本动力之 一 以国家的方式对其进行规划 资助 协调与管理 并对 AMT和制造工业进行认真研究 开发 和应用 近 20年来 世界各国为适应制造业的发展和全球经济发展对本国企业进行产业结构调整的需 要 对制造技术开展了广泛深入地研究 先后提出和发展了多种 AMT 这些 AMT包括: 计算机 辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程 CAD/CAM/CAE 计算机辅助工艺设计 CAPP , 成 组技术 GT , 计算机集成制造 CIM 柔性制造 FM 面向 X的设计 DFX 精益生产 LP 最优生产技术 OPT 并行工程 CE 企业过程重组 BPR 产品数据管理 PDM 制造 资源 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 MRP 企业资源计划 ERP 供应链管理 SCM 管理信息系统 MIS 全面 质量管理 TQM 全面生产维护 TPM 敏捷制造 AM 智能制造 IM 虚拟产品开发 VPD 虚拟制造 VM 协同制造 CM 远程制造 RM 快速原型制造 RPM 绿色制造 GM [ 1 ] 生物型制造 BM 现代集成制造 CIM 等等 总的来说未来先进制造技术发展的总趋势将 是交叉 综合化 数字 智能化 微型 精密化 高效 清洁化 柔性 集成化 塑性加工领域的两大主题 第 1 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 作为制造技术重要组成部分的塑性加工领域 在经历漫长年代的发展后 仍然保持着旺盛的 生命力 并不断扩展应用范围 在新的经济技术条件下 塑性加工工业面临着两大发展机遇 同 时也是巨大的挑战 它们是 精密塑性成形技术和塑性成形过程模拟仿真 由现代高新制造技术装备起来的精密 超精密 加工技术已经成为各种高科技赖以出现和发展的技术基础 使能技术 他代表一个国家制 造领域的尖端技术水准 直接影响到机械工业 国防工业 天文技术和计算机等多方面的发 展 已经成为当今世界各国进行科技 市场乃至军备竞争的一个重要手段 在我国机械工程 学科 十五 优先领域构想中 将精确成形和计算机的模拟仿真作为现代成形技术两个最突 出的发展方向 指出我国机械工程学科要在复杂大型模具的仿真模拟及其设 计制造 大型铸 锻件的质量保证技术 复杂零件 如发动机 的制造技术 激光加工技术基础 快速原型数 字制造技术 焊接智能自动化 成形制造过程的清洁生产研究等方面开展以知识为基础的 KBE 以高质量 短周期 低成本为总目标的铸造 塑性加工和连接工艺技术和装备基础 [ 2 ] 性研究 具体在塑性加工领域 就是要努力提高塑性加工产品的精度 并努力实现塑性成 形过程的准确模拟 智能工艺与模具设计 制造信息化是先进制造技术的重要方向之一 作为数字化制造 e- manufacturing 的核心 CAD/CAM/CAE 技术已经得到了长足的发展 有效的促进了制造业 的发展 近年来 为实现 CAD与 CAM系统的有效集成 CAPP 计算机辅助工艺设计 成 为研究热点 CAPP的思想最早是由 B. W. Neibel 于 1965年提出的 而 D. E. Schenk Purdue University 在其博士论文 Feasibility of automated process planning 中对自动成形工艺的可 行性进行了研究 1976年 第一个以 CAPP命名的计算机辅助工艺设计系统 在美国 CAM-I 的 [ 3 ] 资助下完成 在那之后 人工智能技术 AI 和基于知识的工程 KBE 先后被应用到 CAPP 技术的研究 从而使得 CAPP系统的实用性不断加强 过去的这方面的研究主要在机械加工 领域展开 并取得重大进展 在塑性加工方面由于塑性变形的复杂性 要实现智能化的工艺 设计并不容易 但正在得到业界的越来越多的关注和研究 冷温锻成形技术的发展现状 冷温锻成形工艺的发展历程 精密塑性成形技术是先进制造技术的重要组成部分 也是汽车工业 工程机械行业中应用广 泛的制造工艺方法 它以生产更接近最终形状 净形的 金属零件为目标 不仅能节约材料 能 源 减少加工工序和设备 而且显著提高了生产率和产品质量,降低了生产成本 从而提高了产品 的市场竞争能力 冷锻 温锻即是这几年来应用发展很快的精密塑性成形技术 所谓冷温锻 是指在室温或低于材料完全结晶温度下利用模具把材料压缩为成形零件的一种 加工方法 事实上冷温锻的历史非常悠久 可以考证在公元前人类就在室温 下利用型模把具有足 够塑性的金锭压印成货币或装饰品 这是人类应用冷锻技术的开端 以后在文艺复兴时期开始有 拉丝和冷镦的工艺出现 十八世纪末法国开始利用铝的冷挤压制造枪弹 1909年 Hooker法 即正 向冲挤法, 金属流动方向和冲挤方向相同 成为专利并在后被用于黄铜弹壳的生产 在使用新的润 [ 4 ] 滑剂条件下该方法被用于钢弹壳的生产 第 2 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 作为制造技术重要组成部分的塑性加工领域 在经历漫长年代的发展后 仍然保持着旺盛的 生命力 并不断扩展应用范围 在新的经济技术条件下 塑性加工工业面临着两大发展机遇 同 时也是巨大的挑战 它们是 精密塑性成形技术和塑性成形过程模拟仿真 由现代高新制造技术装备起来的精密 超精密 加工技术已经成为各种高科技赖以出现和发展的技术基础 使能技术 他代表一个国家制 造领域的尖端技术水准 直接影响到机械工业 国防工业 天文技术和计算机等多方面的发 展 已经成为当今世界各国进行科技 市场乃至军备竞争的一个重要手段 在我国机械工程 学科 十五 优先领域构想中 将精确成形和计算机的模拟仿真作为现代成形技术两个最突 出的发展方向 指出我国机械工程学科要在复杂大型模具的仿真模拟及其设计制造 大型铸 锻件的质量保证技术 复杂零件 如发动机 的制造技术 激光加工技术基础 快速原型数 字制造技术 焊接智能自动化 成形制造过程的清洁生产研究等方面开展以知识为基础的 KBE 以高质量 短周期 低成本为总目标的铸造 塑性加工和连接工艺技术和装备基础 [ 2 ] 性研究 具体在塑性加工领域 就是要努力提高塑性加工产品的精度 并努力实现塑性成 形过程的准确模拟 智能工艺与模具设计 制造信息化是先进制造技术的重要方向之一 作为数字化制造 e- manufacturing 的核心 CAD/CAM/CAE 技术已经得到了长足的发展 有效的促进了制造业 的发展 近年来 为实现 CAD与 CAM系统的有效集成 CAPP 计算机辅助工艺设计 成 为研究热点 CAPP的思想最早是由 B. W. Neibel 于 1965年提出的 而 D. E. Schenk Purdue University 在其博士论文 Feasibility of automated process planning 中对自动成形工艺的可 行性进行了研究 1976年 第一个以 CAPP命名的计算机辅助工艺设计系统在美国 CAM-I 的 [ 3 ] 资助下完成 在那之后 人工智能技术 AI 和基于知识的工程 KBE 先后被应用到 CAPP 技术的研究 从而使得 CAPP系统的实用性不断加强 过去的这方面的研究主要在机械加工 领域展开 并取得重大进展 在塑性加工方面由于塑性变形的复杂性 要实现智能化的工艺 设计并不容易 但正在得到业界的越来越多的关注和研究 冷温锻成形技术的发展现状 冷温锻成形工艺的发展历程 精密塑性成形技术是先进制造技术的重要组成部分 也是汽车工业 工程机械行业中应用广 泛的制造工艺方法 它以生产更接近最终形状 净形的 金属零件为目标 不仅能节约材料 能 源 减少加工工序和设备 而且显著提高了生产率和产品质量,降低了生产成本 从而提高了产品 的市场竞争能力 冷锻 温锻即是这几年来应用发展很快的精密塑性成形技术 所谓冷温锻 是指在室温或低于材料完全结晶温度下利用模具把材料压缩为成形零件的一种 加工方法 事实上冷温锻的历史非常悠久 可以考证在公元前人类就在室温下利用型模把具有足 够塑性的金锭压印成货币或装饰品 这是人类应用冷锻技术的开端 以后在文艺复兴时期开始有 拉丝和冷镦的工艺出现 十八世纪末法国开始利用铝的冷挤压制造枪弹 1909年 Hooker法 即正 向冲挤法, 金属流动方向和冲挤方向相同 成为专利并在后被用于黄铜弹壳的生产 在使用新的润 [ 4 ] 滑剂条件下该方法被用于钢弹壳的生产 第 2 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 作为制造技术重要组成部分的塑性加工领域 在经历漫长年代的发展后 仍然保持着旺盛的 生命力 并不断扩展应用范围 在新的经济技术条件下 塑性加工工业面临着两大发展机遇 同 时也是巨大的挑战 它们是 精密塑性成形技术和塑性成形过程模拟仿真 由现代高新制造技术装备起 来的精密 超精密 加工技术已经成为各种高科技赖以出现和发展的技术基础 使能技术 他代表一个国家制 造领域的尖端技术水准 直接影响到机械工业 国防工业 天文技术和计算机等多方面的发 展 已经成为当今世界各国进行科技 市场乃至军备竞争的一个重要手段 在我国机械工程 学科 十五 优先领域构想中 将精确成形和计算机的模拟仿真作为现代成形技术两个最突 出的发展方向 指出我国机械工程学科要在复杂大型模具的仿真模拟及其设计制造 大型铸 锻件的质量保证技术 复杂零件 如发动机 的制造技术 激光加工技术基础 快速原型数 字制造技术 焊接智能自动化 成形制造过程的清洁生产研究等方面开展以知识为基础的 KBE 以高质量 短周期 低成本为总目标的铸造 塑性加工和连接工艺技术和装备基础 [ 2 ] 性研究 具体在塑性加工领域 就是要努力提高塑性加工产品的精度 并努力实现塑性成 形过程的准确模拟 智能工艺与模具设计 制造信息化是先进制造技术的重要方向之一 作为 数字化制造 e- manufacturing 的核心 CAD/CAM/CAE 技术已经得到了长足的发展 有效的促进了制造业 的发展 近年来 为实现 CAD与 CAM系统的有效集成 CAPP 计算机辅助工艺设计 成 为研究热点 CAPP的思想最早是由 B. W. Neibel 于 1965年提出的 而 D. E. Schenk Purdue University 在其博士论文 Feasibility of automated process planning 中对自动成形工艺的可 行性进行了研究 1976年 第一个以 CAPP命名的计算机辅助工艺设计系统在美国 CAM-I 的 [ 3 ] 资助下完成 在那之后 人工智能技术 AI 和基于知识的工程 KBE 先后被应用到 CAPP 技术的研究 从而使得 CAPP系统的实用性不断加强 过去的这方面的研究主要在机械加工 领域展开 并取得重大进展 在塑性加工方面由于塑性变形的复杂性 要实现智能化的工艺 设计并不容易 但正在得到业界的越来越多的关注和研究 冷温锻成形技术的发展现状 冷温锻成形工艺的发展历程 精密塑性成形技术是先进制造技术的重要组成部分 也是汽车工业 工程机 械行业中应用广 泛的制造工艺方法 它以生产更接近最终形状 净形的 金属零件为目标 不仅能节约材料 能 源 减少加工工序和设备 而且显著提高了生产率和产品质量,降低了生产成本 从而提高了产品 的市场竞争能力 冷锻 温锻即是这几年来应用发展很快的精密塑性成形技术 所谓冷温锻 是指在室温或低于材料完全结晶温度下利用模具把材料压缩为成形零件的一种 加工方法 事实上冷温锻的历史非常悠久 可以考证在公元前人类就在室温下利用型模把具有足 够塑性的金锭压印成货币或装饰品 这是人类应用冷锻技术的开端 以后在文艺复兴时期开始有 拉丝和冷镦的工艺出现 十八世纪末法国开始利用铝的冷挤压制造枪弹 1909年 Hooker法 即正 向冲挤法, 金属流动方向和冲挤方向相同 成为专利并在后被用于黄铜弹壳的生产 在使用新的润 [ 4 ] 滑剂条件下该方法被用于钢弹壳的生产 第 2 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 但是由于冷温锻对于设备 工具和生产条件的较高要求 使得这种工艺的应 用并不十分广泛 体积成形领域应用最多的是热锻 自二十世纪五十年代以来 由于压力机的刚性和型腔模具的制 造精度得到了很大提高 新的加热和冷却润滑条件大大改善了模具和工件的相互作用 从而使冷 锻的应用范围不断扩大 除了用于制造螺母 螺栓之外 对于汽车 自行车 轴承 照相机 钟 表 办公设备和家用器具等机器零件的自动化大量生产来说 冷锻已成为不可缺少的制造方法 目前冷锻已经进入较小批量生产的大型零件和高强度零件的加工领域 正在突破热锻 切削 和 铸造的加工范围 例如 日本在上世纪七十年代每年冷锻的螺栓螺母超过 60万吨 而美国同期 达 250万吨以上 钢制冷锻件日本达到 30万吨以上 而美国为 80万吨左右 1980年达到 120万 吨 由此可见冷温锻对于制造业的重要性和发展前景 日本塑性加工专家工藤英明先生在第四次 中日精密锻造研讨会上发表的资料反映了日本丰田汽车公司每隔五年在精密锻造方面的技术进 [ 5 ] 步 如下图所示 图1.1 丰田汽车公司精密锻件投产履历表 Fig. 1.1 precision forging parts of Toyota 当前冷温锻成形工艺的发展现状 作为净形加工的主角 冷温锻成形技术已经达到了较为成熟的水平 在替代切削加工 降低 产品制造成本上起着关键作用 在加工精度方面 冷锻产品已达到精密切削加工水平 例如运用 冷间闭塞锻造 当前最先进的冷锻技术之一 生产等速万向节星形套和十字轴 伞直轮等轿车零 件, 最大质量可达到 1 0 kg 尺寸精度可达到:直径方向 0 .05mm 同心度 0. 08mm,厚度方向 0. 20mm, 这类冷锻件的机加工余量很小,一般单面仅 ? 0. 10mm的磨削量, 在某些部位则无须磨削加 工 [ 6 ] 目前冷锻加工的产品有 1 冷锻直伞齿轮 如下图所示 第 3 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 但是由于冷温锻对于设备 工具和生产条件的较高要求 使得这种工艺的应用并不十分广泛 体积成形领域应用最多的是热锻 自二十世纪五十年代以来 由于压力机的刚性和型腔模具的制 造精度得到了很大提高 新的加热和冷却润滑条件大大改善了模具和工件的 相互作用 从而使冷 锻的应用范围不断扩大 除了用于制造螺母 螺栓之外 对于汽车 自行车 轴承 照相机 钟 表 办公设备和家用器具等机器零件的自动化大量生产来说 冷锻已成为不可缺少的制造方法 目前冷锻已经进入较小批量生产的大型零件和高强度零件的加工领域 正在突破热锻 切削 和 铸造的加工范围 例如 日本在上世纪七十年代每年冷锻的螺栓螺母超过 60万吨 而美国同期 达 250万吨以上 钢制冷锻件日本达到 30万吨以上 而美国为 80万吨左右 1980年达到 120万 吨 由此可见冷温锻对于制造业的重要性和发展前景 日本塑性加工专家工藤英明先生在第四次 中日精密锻造研讨会上发表的资料反映了日本丰田汽车公司每隔五年在精密锻造方面的技术进 [ 5 ] 步 如下图所示 图1.1 丰田汽车公司精密锻件投产履历表 Fig. 1.1 precision forging parts of Toyota 当前冷温锻成形工艺的发展现状 作为净形加工的主角 冷温锻成形技术已经达到了较为成熟的水平 在替代切削加工 降低 产品制造成本上起着关键作用 在加工精度方面 冷锻产品已达到精密切削加工水平 例如运用 冷间闭塞锻造 当前最先进的冷锻技术之一 生产等速万向节星形套和十字轴 伞直轮等轿车零 件, 最大质量可达到 1 0 kg 尺寸精度可达到:直径方向 0 .05mm 同心度 0. 08mm,厚度方向 0. 20mm, 这类冷锻件的机加工余量很小,一般单面仅 ? 0. 10mm的磨削量, 在某些部位则无须磨削加 工 [ 6 ] 目前冷锻加工的产品有 1 冷锻直伞齿轮 如下图所示 第 3 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 图1.2某精缎厂生产的精锻直伞齿轮 Fig. 1.2 precision forging gears 2 轴类零件 如下图所示图1.3冷锻加工的轴类零件 Fig. 1.3 draft-like cold forging parts 3 汽车和自行车零部件 如下图所示 第 4 页上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 图1.4冷 温 锻加工的汽车和自行车零部件 Fig. 1.4 automotive and cycle parts of cold or warm forging 冷温锻方法也在不断发展 主要的方法有 复合锻造技术 热锻变形抗力低 具有大变形能量的特点 可锻造形状复杂和大型的 锻件 但在通常的热锻中 锻件表面发生氧化或脱碳 模具也因热负荷引起明显的磨 损和塑性变形 所以难以实现净形加工 把材料的锻造温度控制到 1000 有时降 低到 700 900 后进行温锻 再在冷态进行精锻 精压 减重加工 保证尺寸精度 和完成产品表面最终加工 这种工艺叫复合锻造成形 是各种齿轮 接头等高强度零 部件的标准净形加工方法 目前用这种方法生产出精度达 JI S 3 5级 日本标准 齿轮 接头等零件 这种产品可以锻造后直接热处理再磨削成成品 这种方法与切削 加工量多的以往方法相比 锻造成本虽有增加 但总成本降低了 25% 这里面最典型 的应用是冷 温锻复合成形技术 该技术利用温锻实现产品的基本形状 在通过冷锻 对产品形状进行精整 既使产品的精度得到提高 同时使某些温锻难以成形的形状得 到实现 近年来温-冷锻复合精密成形工艺在一些大批量生产的复杂形状零件的加工 中 如汽车 洗衣机 自行车等的零部件 得到了广泛的应用 成形零件的总量从 50克到 5千克 工件直径从 20mm到 120mm 长度从 20mm到 200mm 个别可达 500mm 目前欧洲每年钢制温-冷锻件已超过 12万吨 一辆轿车中的温-冷锻件已超 过 20公斤 闭塞锻造技术 在封闭的模具空腔内挤入被加工材料 使空腔充满的方法叫闭塞锻造 [23] 又称多向锻造 该锻造方法以提高材料利用率和减少工艺过程为目的 应用在冷锻 和温锻中 通过重量控制 保证剪切的重量误差在 0.5%以下 为避免体积变化而产 生填充不良 同时超负荷引起模具损伤 所以必须想办法对材料施加合理的压力 向 合适的位置挤出多余材料 为确保最终尺寸精度 封闭模具按挤压力和限制冲头位置 的工艺 采用了凸轮 曲柄 齿条 油压 空压 弹簧等机构 按上述方法生产的螺 旋状如伞状齿轮槽可达到 JI S 2 3级精度 日本标准 十字接头零件的轴部只进 第 5 页上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 行最终磨削即可 以改善变形抗力和变形为目的的温式封闭锻造中 因模具与锻件之 间的接触时间比较长 有必要用模具冷却和锻件润滑方法提高设备使用寿命 冷间闭 塞锻造是当前最先进的冷锻技术之一 在中国经过自主开发和技术引进相结合 近几 年在生产中已有应用,主要是生产轿车等速万向节星形套和十字轴,伞直轮等 北京机 电研究所 大丰森威精锻齿轮厂等单位开发的冷闭塞锻造工艺生产的零件 最大质量 可达到 10kg 尺寸精度可达到 直径方向 0.05mm 同心度 0.08mm 厚度方向 0.20mm 这类冷锻件的机加工余量很小,一般单面仅 ? 0.10mm的磨削量 北京机电所 2000年 9月研制出一台适用于闭塞锻造的 63MN冷锻压力机 目前正在试生产调试 [6] 其闭塞锻造模架是液压 机械式的 可以提供 13MN的合模压力 冲锻复合技术 在一般板料成形过程中 通常不考虑板料在厚度方向的变形 工艺过 程为 板料 平面变形 等壁厚件冲压件 而锻造变形是三维的 为体积成形过程 工艺过程为 棒料 体积成形 冷锻件 板料成形变形力小 成形过程简单 但仅能 成形等壁厚件 限制了它的应用范围 随着汽车工业中一些薄壁但壁厚有变化的零件 的加工要求 板料冲压与冷锻复合塑性成形技术发展起来了 其工艺路线为上述两种 工艺路线的交叉和综合 为 板料 平面变形 体积成形 板料冷锻件 一般来说 板料冲压冷锻的工件应力比普通板料成形高 比冷锻低 介于两者之间 表明其对模 具强度要求低 有利于模具寿命的提高 有限元仿真技术的发展及其在冷温锻领域的应用 一 塑性成形过程仿真技术的发展 塑性成形过程的仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的 尤其是计算机图形学 Computer Graphic 与有限元法 Finite Element Method 及成形工艺学的有机结合 开创了 塑性成形过程仿真 Simulation of Forming Process 的新途径 所谓成形过程仿真就是 在计 算机上对塑性成形过程进行实时跟踪描述 并通过计算机图形系统演示整个成形过程 从而揭 示材料的流动规律 各种因素对变形行为的影响及成形过程中变形体和模具 的各种力学场的分 [30] 布 目前 成形过程仿真已成为虚拟制造 Virtual Manufacturing 技术的核心之一 是实现 短周期 高质量 低成本的产品开发的重要手段 例如美国三大汽车公司在其覆盖件开发过程 中已将成形过程仿真作为必要环节 由于有限元法在塑性加工中的应用使塑性成形仿真技术出现质的飞跃 因而有限元法成为 塑性成形仿真技术的核心 有限元法最早的应用是在弹性变形分析领域 其原理是 通过将连 续的求解区域离散为一组有限个 且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体 从而模型化 几何形状复杂的求解域 在此基础上利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解 域上待求的未知场函数 单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个节点的 数值和其插值函数来表达 这使得在一个问题的有限元分析中未知场函数或及其导数在各个节 点上的数值就成为新的未知量 自由度 因而使一个连续的无限自由度的问题变成离散的有 限自由度的问题 在求解出这些未知量后 就可以通过插值函数计算出各个 单元内场函数的近 似值 从而得到整个求解域上的近似值 解的近似程度随单元数目的增加而提高 如果单元满 足收敛要求 近似值将收敛于精确解 第 6 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 有限元法在弹性变形分析中的应用可追溯到 Courant在 1943年的工作 1960年后随着计 [27] 算机技术的发展而得到快速的应用和完善 但有限元法在塑性力学中的应用要落后许多 直 到 1967年 P. V. Marcal和 I. P. King提出了弹塑性有限元法 它同时考虑弹性变形与塑性变形 弹性区采用 Hook定律 塑性区采用 Prandtl Reuss方程和 Mises屈服准则 最开始弹塑性有 限元法用于分析弹塑性小变形问题 Y. Yamacal等推导了塑性小变形的应变矩阵显式 推动了 小变形弹塑性有限元法的发展和应用 但这种方法在变形程度较大时会出现明显的误差 20 世纪 70年代 H. D. Hibbit等首次采用 Lagrangian描述提出了大变形弹塑性有限元列式 70年 代中期R. M. McMeeking采用 Euler描述建立了大变形弹塑性有限元列式 从而促进了弹塑性 有限元法在弹塑性大变形分析中的应用 弹塑性有限元法在分析板料成形时非常有效 因而得 到了广泛的研究 1980年 C. H. Lee等运用该方法研制了一套预测板料成形成败的软件 而 Ford 汽车公司的 S. C. Tang等从 1982年起开始汽车车身覆盖件成形分析的弹塑性有限元法研究 开发出了 MTLFRM系统 并在生产中投入应用 其他的基于弹塑性有限元法的板料成形过程 模拟系统还有美国的 DYNAFORM MARC 法国的 PAM STAMP OPTRIS和德国的 INDEED 等 1973年 C. H. Lee和 S. Kobayashi首次提出刚塑性有限元法的矩阵列式 用 Lagrangian乘 子技术将体积不可压缩条件引入能量泛函 极大的推动了有限元模拟技术在金属体积成形过程 中的应用 1979年 O. C. Zienkiewicz等提出了粘塑性材料的有限元列式并导出粘塑性有限元的 罚函数法 使得高温成形如热锻的分析得以解决 Mori和 K. Osakada等提出了刚塑性有限元 法的材料可压缩法并将其成功地用于粉末烧结体金属的成形过程分析 基于这些理论研究成 果 通用的体积成形有限元分析系统先后出现 如美国的 ALPID DEFORM AUTO FORGE 以及法国的 FORGE3等 二 有限元法在冷温锻成形仿真中的应用 冷温锻属于体积成形过程 这种成形过程有两个显著特点 一是工件发生了大的塑性变形 并且伴随着显著的形状变化和截面的改变 另一个特点是工件发生的塑性变形量远大于弹性变 形量 因此弹性回复可以忽略不计 所以体积成形过程的分析通常采用刚 粘 塑性有限元法 目前这种应用已经取得很大的成功 最早的刚 粘 塑性有限元法采用二维有限单元 这种方 法已趋向成熟 除了能够模拟普通的平面应变 平面应力和轴对称成形过程外 还能够优化预 成形过程 预测成形过程中的表面和内部缺陷等 例如 和 对轴对 称闭式模锻过程进行了刚塑性有限元模拟 等提出了刚塑性有限元法模拟塑性成形 问题时任意模具形状的摩擦边界条件的处理方法 之后它们成功开发了二维刚 粘 塑性有限 分析软件 ALPID Analysis of Large Plastic Incremental Deformation 并用其模拟分析了许多 锻件的模锻过程 K. Mori等用刚塑性有限元法模拟分析了轴对称反挤压过 程 Merdert等用二 维有限元模拟了伞齿轮的冷锻过程 尽管他们作了较大程度的简化 但模拟结果对工艺和模具 设计的指导效果非常好 Osakada Kim A. Altan等学者用二维有限元模拟了多工步冷锻成形 过程 根据模拟结果合理设计了工步 选择了合适的成形参数 在各工步中避免了成形缺陷 随着计算机运算速度和存储容量的大幅度提高 三维刚 粘 塑性有限元法逐渐在复杂体积成 形过程的分析与仿真中显出了优势 尤其是三维接触问题的解决和三维网格再划分技术的日渐 成熟 使三维刚 粘 塑性有限元法在锻造 挤压 轧制 旋压等工艺得到了成功应用 第 7 页上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 以及 等在 年分别用三维有限元法对简单镦粗过程进行了模拟 用其分析了镦粗 及镦头成形过程的鼓出现象 这类简单的三维问题一般只需计算几个小时 以及 等研究了截面形状比较复杂的拉拔和挤压成形过程的三维有限元模拟 他们的研究结果表明对于形状较复杂的成形过程 为了获得精确的模拟结果 变形体不规则的 边角部分必须划分为细密的三维单元 使离散后的节点和单元数量增多 从而计算须用去更多 的时间 对于温锻成形过程 由于塑性变形功以及工件与模具接触面的摩擦功将不断转换为热能 同时 工件和模具 环境之间存在温度差 不可避免地在它们之间进行着热交换 使工件和模 具内的温度场不断发生变化 因此对成形过程中的工件和模具内的温度场进行准确地分析和有 效的控制 对于成形过程分析 工艺规划 以及模具设计均有重要意义 塑性成形过程的热 力耦合模拟技术将变形过程看作非等温变形 考虑了变形过程热量的产生和热传导 并进行变 形和传热耦合分析 因此进行有限元求解是将具有更高的精度 朱力华等在 有限元分析 软件的基础上开发了有限变形弹塑性热力耦合模拟分析系统 并对圆柱体的镦粗和反向挤压进 行了热力耦合分析 李志刚以商业化有限元分析软件 为软件支撑 利用弹塑性有限元温 度场 应力场 组织转变耦合分析技术 引入 钢组织和性能变化数学模型 开发了一套 能动态模拟 钢热塑性变形及冷却全过程的温度场 应力场 组织转变的有限元数值模拟 分析系统 该系统对热变形过程和冷却过程的数值模拟结果与实验结果非常 接近 具有很强实 用价值 冷温锻工艺智能设计的研究现状 智能工艺设计系统在体积成形领域的应用 锻造领域的智能工艺设计研究始于上世纪七十年代初 N. Akgerman 和 T. Altan 提出了锻造领 域进行计算机辅助设计的必要性 随后 S. K. Biswas 和 W. A. Knight 等在热锻工艺设计系统方 [ 8 ] 面作了一些尝试性的工作 B. Lengyel 等则在冷挤压工艺优化的计算机辅助方面作了相应的研 [ 9 ] 究 比较早的将 AI 技术应用到体积成形领域的是 K. Osakada 和 G. B. Yang, 他们将神经网络 [ 10 ] 技术运用到冷锻专家系统 利用神经网络的模式识别能力把回旋内轴对称零件的几何形状与其 成形工艺联系起来 同时 该系统将人工神经网络 有限元仿真和专家系统有机集成在一起 利 用人工神经网络从有限元仿真的结果来获取知识 有效的提高了知识获取能力 弥补了专家系统 的不足 一个较为完善的集成产品设计 工艺生成与评估和 FE M仿真的冷挤压专家 系统是由 H. Kim T. Altan及其合作者开发的 该系统有三个子系统构成 FORMEX系统 CAD系统和 FEM系统 其中原型系统 FORMEX有两个主要功能 一是初始产品和成形工序设计 IPFSD ; 另一个功能 [ 11] 是成形工艺评价 FSE Q. C. Hsu 和 R. S. Lee等人开发了基于知识的冷挤压自动工艺设计系统 GEOPDE 该系统 采用面向几何的方法 通过知识库中几何描述使产品模型和工艺模型直接联系起来 随后又在此 基础上开发了用于冷锻的集成的计算机辅助工程系统 该系统由工艺设计 工艺塑性分析 模具 设计和制造 以及生产模拟四个模块组成 每一个模块都同工艺设计系统紧密相连 是一个结构 第 8 页 上海交通大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 以及 等在 年分别用三维有限元法对简单镦粗过程进行了模拟 用其分析了镦粗 及镦头成形过程的鼓出现象 这类简单的三维问题一般只需计算几个小时 以及 等研究了截面形状比较复杂的拉拔和挤压成形过程的三维有限元模拟 他们的研究结果表明对于形状较复杂的成形过程 为了获得精确的模