精密锻造模具尺寸精度及模具应力的集成计算机辅助决策支持系统#中英文翻译#外文翻译匹配

精密锻造模具尺寸精度及模具应力的 集成计算机辅助决策支持系统 摘要 ： 在精密锻造中，我们可以广泛而有效地应用决策支持系统。决策支持系统是基于早期有经验的锻造模具设计工程师的总结和经验而产生的。在降低成本、提高元件可靠性的过程中，精密零配件正扮演着越来越重要的角色。因此，在许多应用领域中 ,业务规范本身也已经成为固有的部分或工艺流程。在锻造模具设计中，高尺寸精度更是主要目标之一。任何锻件的承载力和使用寿命在很大程度上都受尺寸精度影响。为了预测部件的尺寸，并确定精锻模具的尺寸，我们有必要分析一下影响尺寸精度的因素 。并且在锻造的每个阶段中都对模具和产品的空间演变进行分析。在这项研究中，自圆柱形工件投入使用以来，径向和切向应力都将作为模具应力被测定。为确保锻模尺寸和产品尺寸相吻合，应尽量避免镶件与锻模间的弹性扩张和收 缩。 关键词 ： 精密锻造 模具应力 决策支持系统 1 引言 精密成型工艺与锻件尺寸精度在模具锻造中地位特殊。由于其经济效益的原因，精密成形已经成为金属成形技术所要实现最重要的目标之一。在锻造行业中，为了获得较高的锻造精度和较长的模具寿命，我们已经开始着眼于如何提高的锻件尺寸精度。由于模具和工件的弹性和热特 性的不同影响，锻件的尺寸很有可能有别于模具型腔。在这些特性中，刀具和工件材料弹性运动对尺寸精度的影响较大。 模具和毛坯的弹性特性受零件不同形状的影响，即使是相同的材料。因此，设计者应充分认识到消除误测模具和毛坯弹性变形的重要性。许多研究人员在优化模具、延长模具寿命和优化工艺设计的研究中，运用实验和数学的方法研究了型腔补偿。在数字分析方面， Takshashi和 Brebbia 用边界元法分析了锻造模具应力。 Sadeghi和 Dean 则研究了关于尺寸精度的精密锻造轴对称组件。 Eyercioglu 和 Dean 也研 究了精密齿轮的设计和加工。此外，一些研究还提到了尺寸精度和有限元，上限元素技术（ UBET）等一些数学研究方法，而平板法也在锻造工具的弹性特性的过程中被提出。 Gerhard 和 Altan 声明他们的模具结构分析和应力及弹性偏差预测都是基于模具寿命预测的。尤其在热锻，模具应力，机械连接的构型及热应力，修复模具疲劳，表面裂纹，裂纹扩展，等影响模具寿命和效益方面颇具成效。 大多数成形操作中，形变模式的控制是非常复杂的，因此我们不可能给予定量的描述。毛坯在成形区的材料形变模式受很多因素的影响，如摩擦，润滑，温度，流速，边界条件，材料性能，刀具和毛坯几何形状等。该金属成形工艺优化设计不但需要了解这些参数的影响而且要对过程中机械参数的相互作用有所研究，以便了解特定金属的成型工艺。为了获得所需的几何和力学性能，工艺参数必须准确，优化，并得到适当的控制。 对于锻造模具的设计要求及负荷的预测 , 经验丰富的工具设计师运用所积累的知识一般通过正确处理尺寸精度来实现。而这些知识，经验都是基于工业试验的。除了有关模具应力和锻造负荷的数学计算外，必要的过程计划及源于行业业务规范的准则和知识也为锻模设计提供了一个理想的实施方案 。 2 模 具设计的通用假设 模具设计一般受多个因素的影响，并且各个因素之间又相互关联。如：产品的类型、形状及个别特殊情况等 ,但主要受强度要求的影响。我们应该意识到 ,由于锻模中复杂的应力分布，在设计要求方面不是特别精确。这一情况 的 出 现 也 是 有 原 因 的 ,如 产 品 材 料 的 分 布 和 径 向 压 力的大小就无法确定。此外 ,产品的材料在锻造过程中也会不断的变化，这是由于压力分布的不断变化造成的，因而就无法达到稳定状态。但通常，我们会假定存在这样一个稳态，在模具煅烧的过程中内部压力始终不变。有了这些假设，就可以对理论空心气瓶进行计算。与其他方法相 比，边界元法（ UBET）融入了上限定理和有限元素法的优点，以便对变形速率、模具负载和型腔充填等重要参数进行更为准确的预测。作为初始阶段的最优化 的算法， UBET 无可挑剔，但仍需尽快达成近乎完美的解决方案。 模具内部不断上升的应力主要来源于煅烧时模具内部较高的压力。然而，压力并非一直不变。由于压力主要集中在模具与形变工件相接触的部分，所以压力在锻造过程中会有所变化，而压区的长度也将发生变化。该锻件在尺寸上会与模具有所不同，这主要是由以下几个因素造成的： -镶 件 会 收 缩 至 模 具 外 环 的 大 小 以 方 便 工 件 从 模 具 腔 体内抽出（ Ue）。 -在热锻造中，模具可能会被预加热，然后在钢坯加热过程中会被进一步加热。这将造成模具形腔扩展（ UT）。 -工件从锻造温度冷却至室温时会发生收缩现象（ Uc）。 -在模具零件的电火花加工时，电极与工件之间会发生火花间隙。这降低了模腔尺寸（克）。 如图 1 所示，假设工件的初始半径为 R0，则模具的最终半径 R4 的将是： R4 =R0 +Ue+Ut-Uc-G 3.公式计算 3.1 扩展的弹性模计算（ Ue） 为了计算由模具的弹性形变造成的工件尺寸的变化，我们必须考虑工件的弹塑性形变。假设工件受模具的应力是不变的， 并且锻件在最大负荷时始终保持圆柱形， 同时模具形变是又是弹性的，沿其轴线不变。忽略工件与锻模接口的摩擦，工件的尺寸在冲头负荷产生和消失时发生变化。此外，工件尺寸的变化发生在脱模阶段。 为了计算出的模具在径向压力的扩张总量，我们必须考虑无压力双汽缸的膨胀量。工件上存在的冲头负荷会导致两种形式的形变。首先，工件将发生弹性形变，当冲头应力等于工件的屈服应力时，工件开始发生塑性形变，压缩一直持续到工件接触到模具内壁。为了保证工件表面的连续性，箍张力（切向）工件和收缩环必须在这一点上是相等的，即 : 1= 2.下 标 1和 2分别为镶件和收缩环。当工件所施加的负荷达到最大时，径向应力将大于其屈服应力。在这种情况下，如果冲头负荷消失，工件将受到模具的塑性压力直到工件上的径向应力降低到剪切屈服应力的两倍（ Sy）。通过使用特雷斯卡的屈服准则，在本阶段结束时， 工件的径向膨胀的总值可以通过以下公式计算出： 在锻造过程结束时，冲压力为零，径向应力（ 2Sy）仍然作用在工件上。在工件抽出时，它的半径将弹性扩大而回收量（ S）可以通过假设压力（简 1 / 4 平方米）呈圆柱形分布并且取 z= 0： 、 Ev Ew 分别是工件材料的杨氏模量和泊松比 。 弹性模膨胀造成的工件的尺寸变化为 ： 3.2 热模拓展的计算 (Ut) 在热锻造中为防止锻模组件开裂、降低工件冷却率 ,通常会对模具进行预热。煅烧过程中工件上的部分热量会进一步加热模具，这两部分热量会导致模具膨胀。模具的径向温度分布预热温度为 Tp，图 2 给出了钛合金的孔径大小。我们假定模具的温度始终不变，但是工件上产生的热量会随径向温度梯度形成外热力流。假设预热均匀，则模壁会自由膨胀所有径向膨胀量计算如下： 这里， Tr 为室温， Tp 是预热温度， d 为模具材料的热膨胀系数。模具内表面温度不断上升，图 3 为压力分布示意图。 因此，由热压力造成的任一半径的径向位移量可以由计算而得： 高温造成的模具总膨胀量为 ： 3.3 产品热收缩的计算（ Uc） 热成型加工后的收缩量受加工温度和锻造材料热膨胀的共同影响。假设收缩径向发生 ,锻造完成时的温度是均匀的 , 则 任 何 半 径 的 径 向 收 缩 量 为 : 其中， Tf 是锻造温度， w 工件的热膨胀系数， r 是工件收缩前的半径。为了实现高精度的模具尺寸公差范围、模具尺寸会被严格控制。正如上文所述，在调整模具和确定 毛坯尺寸之前很明显要对上述因素给予充分的考虑。在上述的分析中 , 要先计算出影响锻造尺寸的参数，而对于一个给定的条件，模具的轮廓是确定的。并且已经有用于计算这些数据和修正模具的产品锻造尺寸的程序。镶件和收缩环的尺寸（见图 4）可以通过等式10-17 计算得出。 其中 a 是模具内半径、 b 是镶件外半径、 c 是收缩环的外半径、 z 是干扰参量 ,Pi 是内压力 。 4 总体结构系统 现在我们已经实现了一种结构 ,该结构为决策支持系统建立了推理和控制能力，同时找到了正确处理模具 应力和产品尺寸精度的方法。 我们也开始考虑运用一种智能的面向对象系统生产出高精度的产品。我们曾试图用母系框架 (几何、锻造负荷、模具几何、网络构架来描述这项工作的知识表征。模具装配、材料 )与面框相连接。每个母系框架又设有有子框架。图 5 为整体框架。 母系框架通常用来描述一般的对象。数据库中的数据 定 义 详 细 说 明 了 数 据 库 的 存 储 方 式 ,以 方 便 数 据 的 搜索和整理。为了将文本数据输入系统我们需要调整子框架和例证以使其能代指特定的对象。锻造负荷的预测对尺寸精度和模具寿命至关重要。 下面的这个框架有六个子框架 ,它是开发系统主要 框架之一 (见图 6)。 轮廓框架：这个框架从它的几何母系框架获取知识表达。为了确定煅烧负荷 ,轮廓将首先被加热。为了找到斜行和弧线，要对实体进行搜索。在这个过程中 , 为了找到斜行或弧 ,相关的支架都要被删除。 移除框架：在这个框架中 ,移除的实体将被储存在数据库中。这里有两个实例：其中一种包含斜行的信息而另一个包含了弧域框架：这个框架也是锻造负荷母系框架的子框架。几何分解就是源于这个框架的。垂直和水平线 都 引 自 同 行 的 角 点 。 通 过 这 种 方 式 ,矩 形 区 域 得 以 划分。域的有关知识储存在数据库中。 摩擦框架：域的一侧与材料 、模具或冲床的一侧相连。因此 ,两侧都会被检查，而摩擦系数也是确定的。该框架用于测定域的两侧是否与材料、模具或冲床的一侧相连。 润滑框架：润滑框架从摩擦框架获取信息。这一框架 有四层标准 :良润滑，润滑、差及零润滑 (干 )。这些标准必须由用户认定。输入值通常用于域各边及所有产品摩擦系数的确定。 流动应力框架：不同材料的形变特性各有迥异。一旦发生形变流动应力值就会随之变化。因此 , 材料的这一属性必须随时掌握。 5 实验 在实验中用到一个 600kN 的液压力，同时，石墨水也将被用作润滑剂。 最后，必须确保所有的工作表面 都被完全润滑。AISI 空 气 硬 化 中 度 偏 冷 合 金 被 作 为 一 种 镶 件 材 料 被 使用。工具箱中有容器、冲床、喷射器及垫板。 同时要锻造 U 形、 T 形及锥形的铝制产品。实验在室温下进行。并且用到了三种不同大小的圆柱形铝质坯料。外径 40 毫米、高度 20 毫米的产品都由工料杆和空心杆获得。 5.1 阀瓣锻造 为确定铝的应力 -应变曲线，我们进行了阀瓣锻造压缩试验。为了实现这一目标，我们又进行了增量压缩测试，并在每一次加载之后对面积减少量及相应的载荷进行计算与记录。高度的降低量与载荷关系如图 7 所示。图 8 为应力 -应变曲线。为了确定摩擦系数 (m),我们对模环进行了抗压测试。扁环样本在两个挡板间发生可塑性压缩。 增加摩擦会产生材料的内向流，相反，减少摩擦则会造成材料的外向流。对于抗压测试中给定的高缩比 ,相应的试件内径尺寸为我们提供了工件与模具间现行摩擦系数的数量级 。 从这个角度看 ,铝的模环抗压测试的数据见表格 1。H 和 % D 的值可由下面的方程式计算得出。摩擦系数 m可以从图 9 看出。 5.2 u 型锻造 在产品的精密锻造中，模具填充完全被认为是提高铸造部分尺寸精度最重要的标准。我们应该严格控制毛坯的体积 ,否则就有可能发生填模不满或填模过满 的问题。 通常认为液态金属在棱角处不易流动。这一问题可以通过适当的调整毛坯的几何构型来解决。 图 10 给出了三种不同大小的毛坯。这些毛坯在煅烧过程中都维持其体积不变。第一个毛坯由圆柱形固态材料在 26 吨载荷下锻造而出。第二个毛坯则在 55 吨载荷下锻造出来的，但试件内侧明显出现填模不满的情况。而第三个毛坯更是同时出现了填模不满和填模过满的情况。它的载荷是 40 吨 。 5.3 t 型锻造 t 型锻造如图 11 所示。同样，这里给出了三种不同大小的毛坯。这些毛坯在煅烧过程中都维持其体积不变。虽然这里用了 55 吨的载荷，图 11a 表明 ,t 型产品的模腔仍未填满。而第二个试件的载荷量是 40 吨，此时模腔基本上被填满了。第三个试件形状较小，直径不变，在 26 吨的载荷下获得了这种产品。 5.4 锥型锻造 图 12 为锥形锻造。这种产品同样是用不同尺寸且保持尺寸不变的试件。图 12 给出了三种不同尺寸的锥型毛坯。图 12a 表明锥型锻造的产品是不能够在 55 吨载荷下得到的，由于毛坯变形出现了填模过满的情况。实验二采用了 30 毫米毛坯直径和 35 吨毛坯负载 (图 12b)。在这种情况下，锥形顶部不能完全成型。第三个试件直径为 25 毫米 ,负荷为 24 吨。几乎达到了尺寸要求。 这 些 实 验 表 明 ,能 否 锻 造 出 合 格 的 产 品 取 决 于 毛 坯 的 几何形状，而毛坯的几何形状又受翅成型、形变缩锻与挤压以及摩擦的影响。 5.5 尺寸精度分析 因为精密锻造的模具在锻造过程中会受到非常大的径向压力，所以模具会发生较为明显的径向形变。模具的这种径向形变是影响产品尺寸精度的重要因素。要想获得高精度尺寸的产品，就要对模具和产品的弹性形变进行（ Ue）估算。 通过上述的分析，影响锻造尺寸的参数，也就是模具扩张（ Ue），可以通过等式 5 并结合模具尺寸计算得出。U 型锻造的模具修正尺寸和压力计算的截屏见图 13a、图13b。图 14Excel 表格截图也给出了计算结果。 表 2.模 具 修 正 几 何 尺 寸 （ mm） U 型 T 型 锥型 Ue -0.03563 -0.03563 -0.04667 工件最终半径 19.96437 19.96437 19.95333 模具最终半径 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