外文翻译--精密锻造的主要方面.docx

附录英文文献：译文：精密锻造的主要方面z. gronostajski, m. hawryluk wrocaw university of technology, wybrzeze wyspianskiego 25, 50-370 wrocaw, poland 本文涉及的精密锻造锻造和问题的方向发展像工具和型坯温度，金属块的几何形状，处理环境，处理速度，润滑和冷却，和刀具的形状和质量。介绍了知识的现状以及关键问题技术。建议解决以及研究这些问题被弗罗茨瓦夫大学的金属成形工艺技术部提出了。 关键词：封闭的模具，精密锻造，刀具寿命1、简介精密锻造相比传统的模锻工艺的主要优点是其较低的（低于60%）材料消耗。这是由于没有flash，事实上，最终的产品具有最小加工余量。锻件一般具有很好的服务性能。由于其自身的优点，精密锻造是生产相对昂贵材料汽车零件的最流行的技术。连接杆，斜、直齿锥齿轮，蜗轮，三脚架，涡轮机，交流发电机，等速万向节等（图1）是以这种方式制造的16 。图1：通过精密锻造生产的产品除了其明显的优势，精密锻造有一些缺点，最严重的一个是成形工具的寿命也短，主要模具，冲头（图2）。精密锻造而成的工具磨损常常严重而达不到它们预期的寿命。刀具的使用寿命取决于锻造条件，工艺人员，刀具材料，型坯的形状，金属块的形状，等等。低耐久性的工具降低了锻件的质量，尽管在这些缺陷正在被控制。最普遍的锻造缺陷引起较低的刀具耐用度，即脆性，折叠，毛刺，弯曲，裂纹，分层，微观和宏观裂缝等。这些反过来会影响锻件的最终产品性能。由于大量和多种因素（及其相互关系）对精锻成形的影响，这个过程是很难分析。因此，一系列的计算机工具，如cad/cam/cae技术，主要是基于有限元法和物理模型，用于设计、锻造工艺的分析和优化 2，711 。 图2：最常见的缺陷的工具2、精密锻造在传统的精密锻造材料在环境温度或半热条件下形成的。在非常复杂的零件的情况下，一个适当的做法是在等温的环境下进行热加工。有时可以利用材料的超塑性。最初，封闭的模具被用于形成 5，12 。由于制造产品的材料节省和成本降低在价格上很有竞争力，精密锻造被越来越多地应用于轻金属合金的制造，如铝合金，镁和钛的合金 10，12 。表达的精密锻造并不意味着明显的锻造工艺流程，而是只要接近锻造就可以了。这种方法的目的是产生净成形，或至少近净成形零件。精密锻造有时称为精密公差锻造强调达到所要求的尺寸精度和表面光洁度而只有锻后公差 13 。精密锻造在环境温度下，即要求冷锻要在一些热锻造操作之前。在传统的热锻模具的一半的因素是相当量的材料没有了flash和加工余量。由于这个原因闭式模锻（常采用复合物的形成，即向前和向后的挤压）应用于精密锻造预成型。挤压锻造应力主要是三向应力的这一优势是通过不失去材料凝聚力的大变形得到的。此外，没有模具草图用于精密成形。整个制造过程一般分为几个阶段。举个例子，一个低碳钢产品制造的过程如图3所示。图3：锻造工艺流程图的精度金属坯料从仓库送到切割指定的尺寸和重量的切料机上。坯料在电磁加热炉中加热到约900c温度。为了保证锻件具有高质量必须保持持续不断温度。预成型加热到一个适当的温度后提供压力，在25次操作后成型。模具预热温度接近工作温度可以降低模具由于热冲击导致的裂纹（图4a）。 图4a：模具预热 图4b：锻造物体温度测量和控制锻造过程只持续了几秒钟。锻造的过程和控制的稳定性必须按计划进行以保证锻件的高质量。当他们卸压时就应该进行锻件的控制冷却（图4b）。然后它们通过短暂敲打的机器并进行石墨的清理。清洁锻件时冷加工用油冷成型。用这种方法才能获得精确形状的锻造成品。在冷成形后锻件会被清洗和润滑。3、工艺参数的选择如上所说，锻造过程中的每个阶段都是重要的。任何一个缺陷都可能导致锻件产品质量不好，导致干扰和生产停止。因此，在生产中过程的规格必须坚持，需要适当的操作习惯和技术文化。例如，如果热锻模具的预热和润滑不当或者在生产过程有不适当的冷却、，模具加热过度，这会快速导致其塑性变形或热疲劳。在现有的文献中都注意很整个锻造过程优化设计或其关键阶段 2，1216 。特定阶段的正确设计是锻造工艺参数最优化的前提 3，18 。通过优化选择工艺参数可以显著提高刀具的寿命和提高锻件质量，从而增加整个过程的生产力。在锻造过程中的主要影响因素：工具和型坯温度，金属块的几何形状，处理环境，处理速度，润滑冷却，和工具的形状和质量。3.1、工具和型坯温度适当的温度是机床的可靠运行的关键。它可以影响模具的窄公差带和机床移动部件和固定部分之间的小空间。由于热膨胀导致间隙减小使机床组件可以紧密连接起来。同时模具的热膨胀也影响锻件的质量。cv接头锻造数值模拟显示在接触区域中的模具温度差异大，而在深度约5毫米的模具的内表面的温度要低得多（图5a）。这么大的温度梯度可能使刀具产生不利影响的应力状态。这意味着工具的温度需要监控，例如，通过热象相机（图5b）。一个同样重要的参数是金属块的温度，对锻造物的组织结构及材料的流动曲线（其成形性）和通过热膨胀引起的金属块体积的变化有很大影响。温度分布在金属块（图6）不同的直径上是值得研究的 8 。型坯的初始温度为920c.然后试样在压力室里2s冷却50c用来等待锻造。在这样一个短的冷却时间里外部的温度差可达到50c.这会对模锻过程有显著的影响。 图5a：模具的热场分布 图5b：模具热象相机拍照 通过有限元分析确定 8 图6：金属块在压力室中2秒冷却 图7：金属块第一次锻造（约4.5秒）约50的温度场分布 8 的温度场分布 8 3.2、金属块的几何形状在精密锻造没有溢流孔，装料量必须与锻造后最终零件大小相同。在整体中允许的体积差为0.5%1%，在切削区的角度偏差为0.52，圆度偏差为2%6%。这可以通过使用特殊的切割实现。这是保证获得锻造预成形高质量小偏差产品所必要的。金属块体积太大可能造成模具和压力机的损坏。在闭式模锻中金属材料体积适当分配和镦粗是金属块适当的充满模腔的关键。一个理想的金属体积与适当的分配金属材料是非常重要的。因此锻造过程中型坯和金属块的设计是一个重要的环节，旨在提高产品质量、降低生产成本 1，3，11 。型坯的形状和力学性能将影响模具和金属块摩擦条件在，其几何将会影响模具和金属块。在 8 结果表明，型坯的初始尺寸影响温度分布。结果发现，金属块与工具接触表面会发生较大的温度降（图7）。3.3、加工速度精密锻造过程通常是在高速下进行的。目前，经济原因决定了增加的速度。锻造过程越快，生产能力越高。曲柄压力机闭式模锻可生产多达每分钟30件 7 。一次成型操作的时间在工业精密锻造中约0.21秒。因此，正如pt.3.1，保证恒定的型坯温度是如此重要（图67）。目前，正试图最大限度地利用锻造机机的容量和减少锻造操作的次数。如果在锻造过程中的操作次数过多，整个锻造时间和成本增加。一次成型操作的速度越高，变形抗力和所需的成形力就会越大。3.4、处理环境锻造机的环境是影响锻造过程的重要因素。主要设置包括：压力机的工作空间。精密锻造工艺和工具要求整个工具的系统工具砧座和滑块之间有足够大的的空间，包括辅助部分。此外，冷却和润滑设备应与压力机一体化。持续的锻造能量。在精密锻造的每一个冲程中定压能源是可重复性。特别是在重新设计的新的锻造工艺使速度增加时。过多的能量使模具内部压力增加，这可能会导致某些工具的弹性变形（如冲力和反方向的冲力）并最终导致刀具的弹性回跳。工具组件的弹性变形会被避免以防在锻造过程中引起几何尺寸上的变化。工具组件的精确引导。当锻造过程中被上模模具闭合时冲床的精确引导是非常重要的。冲头与模具之间的间隙通常小于0.1毫米，以避免材料溢出。再者，工具组件的精确定位对获得适当产品几何形状来说是必要的。坯料在模具中的精确定位。为了确保模具型腔充填完全，金属坯料必须精确置于模具中，尤其是当金属坯料自动传递到连续锻造机构。使用物理建模分析金属材料流动会发现 9 样品太薄弱，位于模具的位置不正确，会发生弯曲。尽管发生弯曲，但锻造的物体仍会有正确的形状，但材料的流动不均匀性可能会影响最终产品的耐久性（图8）。图8：样品弯曲引起的材料流动不均匀性：a）从截面观察和b）从冲压机观察可靠的模具闭合。模具闭合是在机器设置工具布置正常运行至关重要的部分。许多精密锻造产品分模线是在工作面附近，因此会因为非正常闭合而发生变形。模具应该通过附属组件或者和机床的运动一同闭合。3.5、润滑和冷却在很大程度上成形过程的正确性取决于所使用的润滑剂。后者是用于润滑和冷却。润滑油应具有高沸点（这样就不会失去它的高温摩擦学性能，），低的热传导（防止锻造物体被冷却下来和工具过热），在操作温度下有适宜的粘度和低的有效摩擦系数。此外，最佳的润滑油不应包含任何会在锻造过程中产生不利影响的成分 19 。石墨，聚四氟乙烯，玻璃等物质以及具有低的流动应力的中间金属层通常用于热锻。为了确保有利的工作条件，在锻造行业中环境的影响减少到最低程度，包括提高刀具的寿命，欧洲社区最近资助的一个被称为brite-euram的行业研究项目，针对在工具良好环境发展润滑系统（基于润滑剂的最佳润滑性能）对钢温锻应促进锻造小污染使其更广泛使用，拥有更好的工作条件和更高的生产力 19 。结果发现，在大多数热锻工艺不适于摩擦条件的保证。这主要是由于高接触压力与金属表面获得典型热锻，尤其是向前和向后的挤压锻造。在所有的情况下，有必要在金属坯料表面润滑系统油膜上提供额外的润滑。由于该项目的综合工具润滑系统已被开发。关于环境影响和刀具寿命，最好的结果是通过工具润滑系统组成的使用来实现一种基于石墨金属坯料润滑膜和模具游离石墨润滑油。3.6、工具一个工具材料的选择对一个设计师和工艺工程师是一个非常困难的工作。生活中的工具和用于其生产的适用性取决于许多因素经常有相反的结果。到目前为止如何选择刀具材料还没有明确的标准，很大程度上要依靠制造的经验和工具使用者。通过不同的刀具生产商提供的统计数据显示工具失败的最常见原因是：刀具在冷工作中产生疲劳裂纹和过度磨损，材料塑性流动和热工作产生的热疲劳 20 。最坏的情况是在温暖的工作环境下因为每个因素可同样重要。在这样的条件下，工具必须承受高压力（如冷加工），同时必须用耐热材料（如热加工）。根据兰格等人。 21 ，在高的锻造温度下超过70%例的刀具寿命取决于磨损。因此，刀具材料，其热处理、加工、刀具设计和加工精度的设计必须满足非常高的要求。刀具材料应具有硬度范围为5055hrc（大大高于锻造产品），淬透性好，高拉伸强度，冲击强度高，低磨损度。目前，温或热作工具钢： wcl， wwv， wnlv具有很好的机械性能（拉伸强度高，高硬度，高耐磨性，高的屈服点2200兆帕）是非常流行的工具材料。也有其他的非传统刀具材料被考虑。此外，特殊的处理，如渗氮处理，表面涂层和激光碳化硅表面合金化，等，可以显着减少磨损，提高刀具材料特别是其表面层的抗寒性 24 。4、热处理热处理对刀具寿命有决定性的影响。图9显示一个热作工具钢热处理图。例如，出现在用工具钢制成的接地工具表面的裂纹可以通过人为的不恰当回火或过热奥氏体化造成。这样的热处理故障可以限制磨削工具的可能性，即使有适当的预防措施。图9：典型刀具材料热处理图去应力退火。工具钢通常是在退火后交货，进一步处理方法是由用户或刀具厂去做。处理原因是应力的产生，这是在加热到淬火温度的过程中释放而引起的，同时产生尺寸的变化。因此工具必须满足保留尺寸高要求在机械预处理后退火（在最终处理之前）。硬化。钢的硬化不可能达到理想的效果来完全保留它们的尺寸。在结构的变化（从退火态结构到硬化后结构）体现在体积的增加上，这是由于回火是再次减少却不能恢复退火状态量。因为变形建议使用温和的及冷却介质大概在900c进行冷却工作这是因为钢的淬火温度在900以上。由于应变开裂的危险应避免刀具冷却到室温。后者通常被冷却到大约150c在约100150c均衡温度发生是用于消除在表面和芯部之间的温度和结构的差异。热作工具钢在一个热水缸和真空（作为一个热水缸模拟）中淬火被证明是有效的。奥氏体化（保持在奥氏体化淬火温度）。淬火温度规范应由制造商严格遵守。如果淬火温度太低，硬度的提高不够。如果太高，导致脆性，晶粒尺寸增加，开裂的危险等。同时浸泡的时间是很重要的。对热作工具钢来说大概的浸泡时间是每0.5分钟的1毫米厚度。回火。钢淬火后立即回火几次。目的要消除硬化过程中产生应力和降低高硬度，有利于冷却后耐冲击性能。根据预期硬度要求，回火温度的选择应按照适当的回火图进行。据调查在 7 工具钢w303的实例中，三次回火可以取得最好的结果。加工。为了提高刀具寿命，模腔与冲床工作面应适当光滑。锻造中热的材料的摩擦对刀具的工作表面很不利使它们之间产生磨损。通过选择适当的材料可以减少磨损的程度，但这并不会取代最终工作面的打磨平整。需要注意的是，在这样的工作下刀具的表面往往过热，因此削弱了刀具的性能。在某些情况下，该工具钢的回火温度可以超过过热温度。加工可能导致刀具出现裂纹。在工作时裂纹会生长最终导致其过早断裂。热化学处理。有时由于长时间在高温下运行，刀具材料受到热疲劳使工具性能急剧恶化，使其超出弹性极限或金属自然加热。而氮化是通过提高其表面的硬度和耐磨性来增加的刀具寿命。这种处理可以运用好几次。5、最佳的模具轮廓在锻造过程的一个主要参数是所采用模具形状的影响。在一次操作中要获得大的变形量是有限的，不是通过材料剥离（裂缝）而是通过材料强度（太大环绕应力）产生的。因为这个原因，在操作中代替锻造生产大多被用于工业精锻。这仍然不足以减少大的成形力，从而对刀具产生磨损。模具形状优化在文献中备受关注 2，4，1115，22 。原来，一个能够减少模具或冲头上的过度压力的方法是最佳的模具外形（轮廓）的选择。三种类型的模具轮廓：流线型，曲线型和圆锥型一般都是应用在工业上。向前挤压流线型轮廓保证最小的过度变形，最小挤压力和横截面的最小变形不均匀性。但问题是如何确定正确的轮廓和制造它（轮廓的制定通常需要很长时间）。由于这个原因，轮廓往往是由任意曲线代替，与用锥形轮廓的模具相比这往往导致更糟糕的结果。锥形轮廓，与角最小化过度变形，可能会得到良好的挤出工艺参数和好的产品质量，它可以更容易得到。现在的研究在于模具参数优化如何提高产品质量和生产力结合有限元经典数学优化方法。的模具型面优化问题可以通过应用数学编程法解决 18 。通常bzier曲线及其他专用的优化方法来算术地描述模具轮廓。ales和boris 12 通过印象深刻的两个优化准则研究了固定挤压工具的优化设计。wife等人 16 提出了一种特殊的增量计算方法与有限元相结合以获得在坯料的热挤压过程中模具壁（所采用的模具轮廓）的压力分布。由于最佳模具轮廓是由lee等人 18 研究，可以得到更均匀的热锻结构产品。在 4 的模具轮廓的优化序列二次规划（sqp）已成功地应用到解决非线性优化问题。本文作者等人。在 8 评估材料在拱形和锥形锻造模具cv接头的流动性。cv接头是前轮驱动汽车的不可替代的部分。他们从变速箱向前轮传送扭转力。他们的生产在最近几年一直稳步增加。cv接头由十字轴，滚道和外壳组成。最很难制造的是外壳，这是因为它的形状不规则，加工非常困难。目前复杂成型（向前和向后挤压）闭模的冷或热多锻造是在长期生产中被使用的。作者同时采用物理模型，软的造型材料（合成石蜡和粘土等），和数值模拟，利用msc软件手段来研究材料流动。宏观分析显示特定工具的材料流动的差别。这种情况下拱型工具的试样横截面的材料流动比锥形工具更均匀（图10）。这就是由网格曲线法确定出物体在拱模锻造时的对象比在锥模锻造时延展较少（la 磅）。图10：模型材料流动的比较：a）拱形工具和b）圆锥工具 8 研究结果表明，在拱形模具材料的流动比在锥形模具材料的流动更为均匀规律，通过均匀分配使其更有规律（图11）。此外，拱形模具的冲击力更小。图12显示为工具的单位压力的矢量分布，是通过superform2005软件得到的。两种类型的模具在第一个还原阶段的单位压力相似，但在下一个阶段锥形模具更高。图11：塑性应变的分布：a）拱形模具和b）锥形模具 8 图12：单位压力分布：a）锥形模具，b）拱形模具 8 6、模具设计目前，为了提高精密锻造工具的抗裂性，模具的预加应力（即加强与一个单一的同心环或一个热压缩或被迫在节点之间的环的较大数值）的应用。原来，通过改变应力状态可以大大减少工具开裂 7 。在装配中一个适当的高预加应力应用（压缩环形应力）应与锻造过程中的高拉伸环形应力相互抵消。本文作者等人分析了（采用数值模拟和实际负余量的测量）预应力模具（用于接头外壳的生产）中负余量在其特性上的影响 7 。数值模拟用msc marc2005和super form 2005软件进行分析。它是在两个阶段进行：1）补偿环的强制性与模具上的橡皮套一起和2）基于第一阶段条件实际锻造环境。图12显示的工具分析集。补偿环的功能通过狭缝的橡皮套向模具施加预应力。图12：单向环 0 预应力图额定负余量是wnom = 0.4毫米。但发现真实负余量取决于工具偏差和磨损的尺寸的确定。从执行公差领域的特定工具系统组件可以得知负余量的范围可以从wmin = 0.225毫米至wmax = 0.45毫米。因此，我们可以得到预期平均负余量为wav = 0.34毫米，即远小于标称负余量。图13：在负余量锻造过程中模具的环向应力分布a）w = 0.25 毫米，b）w = 0.4毫米，c）w = 0.7毫米 7 本研究的目的是确定在负余量（从公差域产生的）的变化如何影响锻造过程中模具的应变。0.25毫米的负余量（接近最小负余量），该0.4毫米的名义负公差和增加负公差0.7毫米已经分析了。图13显示了不同负公差值环向拉伸应力的分布。最大环向应力出现在第二减速阶段（标志着圆圈的地方）。0.25毫米的负余量环向拉应力是非常高的，相对于1000 mpa。这意味着，在这样低的负余量的模具很快损坏。因此为减少应力进行了分析。图14显示为假定负余量减少应力（von misses应力）分布。图14：在负余量锻造过程中模具的von mises应力分布：a）w = 0.25 ，b）w = 0.4，c）w = 0.7毫米 7 图15显示降低应力的最重负荷的地方