專利名稱：一種鍛造成形工藝的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬鍛造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鍛造成形工藝優(yōu)化的方法，具體涉及一種基于數(shù)值模擬分析技術(shù)對(duì)鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
鍛造成形是一個(gè)復(fù)雜的過程，坯料的變形程度、模具承受的壓應(yīng)力及最大損傷值，工序的載荷峰值、潤(rùn)滑等都是工藝評(píng)估與優(yōu)化過程不可忽略的因素。如果采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)近似公式來計(jì)算各個(gè)影響因素，不僅工作量大，而且精度低，很難保證工藝方案的最佳合理性。隨著有限元理論的不斷完善以及計(jì)算效率的日益提高，使得數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造工藝設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，并已成為評(píng)估工藝成形性的重要手段。數(shù)值模擬方法能夠比較精確地模擬金屬塑性變形的整個(gè)流動(dòng)過程，而且能夠精確地給出載荷——行程曲線和應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)等場(chǎng)量的定量值，還能預(yù)測(cè)填充不滿等缺陷。
產(chǎn)品制造成本的高低、質(zhì)量的優(yōu)劣、開發(fā)周期長(zhǎng)短是決定生產(chǎn)者能否在競(jìng)爭(zhēng)中取勝的關(guān)鍵，這一趨勢(shì)要求鍛造生產(chǎn)在工藝設(shè)計(jì)階段就應(yīng)兼顧成本、質(zhì)量及開發(fā)周期，優(yōu)化生產(chǎn)過程中涉及的各項(xiàng)工藝參數(shù)。鍛造工藝的工序、工步較多，在工藝設(shè)計(jì)過程中往往存在多種可供選擇的工藝方案，每一工序、工步較優(yōu)不能說明整體工藝就優(yōu)。優(yōu)化是一個(gè)相對(duì)概念，一般人們所說對(duì)某工藝進(jìn)行了優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)是對(duì)其一工序或工步的改進(jìn)，整體工藝不一定達(dá)到優(yōu)化。
在文章《鍛造過程優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的研究》(作者趙新海；趙國(guó)群等，2004(1)《CMET.鍛壓裝備與制造技術(shù)》)中，通過以鍛造過程為研究對(duì)象，對(duì)鍛造過程優(yōu)化設(shè)計(jì)常用的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了分析與綜合，給出了包括材料消耗、終鍛力、變形能、鍛件質(zhì)量等研究指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，并對(duì)鍛造過程的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)的組合形式進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)同時(shí)以獲得凈形鍛造和變形均勻鍛件為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)的表示形式，給出了一個(gè)以實(shí)現(xiàn)凈形鍛造為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的預(yù)成形模具形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)例，但對(duì)鍛造工藝的優(yōu)化分析沒有具體量化。
在專利JP20000189625 20000623《鍛造工藝分析方法》(公開號(hào)JP20000189625 20000623，公布日期2002年1月8日)文本中，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行鍛件工藝分析，公開了一種應(yīng)用有限元分析鍛造工藝的方法，但未考慮到鍛件鍛造過程中工藝的優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鍛造成形工藝的優(yōu)化方法，基于數(shù)值模擬分析技術(shù)，充分考慮了鍛件鍛造過程中多目標(biāo)因素的影響，解決了現(xiàn)有鍛造工藝優(yōu)化準(zhǔn)確性差、優(yōu)化分析沒有具體量化的問題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種鍛造成形工藝的優(yōu)化方法，包括確定毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑四個(gè)目標(biāo)，使上述四個(gè)目標(biāo)的選擇滿足一定的規(guī)則，再確定出上述四個(gè)目標(biāo)優(yōu)化的權(quán)重值，使鍛造成形工藝的綜合指標(biāo)C值的范圍滿足0.9≤C＜1.0，使毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑四個(gè)目標(biāo)的選擇滿足一定的規(guī)則是指使毛坯的選擇滿足毛坯0.85＜a≤0.95，a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，Md-鍛件質(zhì)量，Mp-毛坯質(zhì)量，δ-燒損率；使模具的選擇滿足α＝0.95～1.0，P＝(1/α)Pmin，Pmin-模具飛邊橋所受的最小壓應(yīng)力值，P-模具設(shè)計(jì)時(shí)飛邊橋部壓應(yīng)力值，P＝2σsb/h，其中σs-材料屈服應(yīng)力，b-飛邊橋?qū)挾?，h-飛邊橋高度；使設(shè)備的選擇滿足β＝0.9～1.0，F(xiàn)d＝βFe，F(xiàn)e-選用設(shè)備的公稱壓力，F(xiàn)d-鍛件模擬的最大變形力；使?jié)櫥瑵M足μp＝0.9～1.0，μp＝1.06～0.533μ，熱鍛時(shí)摩擦系數(shù)μ選擇為0.15～0.50；所述確定出毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑的權(quán)重值W分別為毛坯指標(biāo)權(quán)重值W1＝0.49模具指標(biāo)權(quán)重值W2＝0.33設(shè)備選用指標(biāo)權(quán)重值W3＝0.10潤(rùn)滑指標(biāo)權(quán)重值W4＝0.08，將上述標(biāo)權(quán)重值W1、W2、W3、W4代入綜合指標(biāo)評(píng)定公式C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4即可其中，C為綜合指標(biāo)值，W1、W2、W3、W4分別為毛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑各參數(shù)的權(quán)重值，E1、E2、E3、E4分別為毛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑各參數(shù)的獨(dú)立優(yōu)化選擇值a、α、β、μp。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明在鍛件鍛造過程計(jì)算中采用多因素綜合考慮整體最優(yōu)鍛造工藝的設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鍛造工藝的優(yōu)劣，為鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種預(yù)測(cè)方法，從而為優(yōu)化鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐，以指導(dǎo)工藝實(shí)踐。
2、本發(fā)明采用數(shù)值模擬技術(shù)與多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的方法，獲得了鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，較常用的目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)能夠更好的描述鍛件成形工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律，從而更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)出最優(yōu)工藝。
3、本發(fā)明采用模糊層次分析法確定出多目標(biāo)優(yōu)化的權(quán)重值，并應(yīng)用在鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)中，提出了定量化的評(píng)價(jià)公式，大大提高優(yōu)化精度，為鍛造工藝分析節(jié)約時(shí)間，縮短鍛造工藝設(shè)計(jì)周期。


圖1是層次分析結(jié)構(gòu)圖；圖2是鍛造變形力曲線圖，其中，橫坐標(biāo)是鍛打一次的工作時(shí)間，縱坐標(biāo)是變形力；圖3是下模最大壓應(yīng)力云紋圖；圖4是搖臂變形受力云紋圖；圖5是搖臂鍛造變形力曲線圖，其中，橫坐標(biāo)是鍛打一次的工作時(shí)間，縱坐標(biāo)是變形力，底層為鍛造的搖臂鍛件。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明的鍛造成形工藝的優(yōu)化方法，包括確定毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑四個(gè)目標(biāo)，使上述四個(gè)目標(biāo)的選擇滿足一定的規(guī)則，應(yīng)用模糊層次分析法綜合考慮質(zhì)量、成本、周期確定出上述四個(gè)目標(biāo)優(yōu)化的權(quán)重值，使鍛造成形工藝的綜合指標(biāo)C值滿足
的范圍，最終優(yōu)選出最優(yōu)工藝的方案用于實(shí)際鍛造成形，使毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑四個(gè)目標(biāo)的選擇分別滿足1、鍛造過程是要保證材料完全充滿模腔的前提下，盡量減少飛邊，以實(shí)現(xiàn)少無飛邊鍛造。中速柴油機(jī)連桿的鍛造常采用開式模鍛，為了保證材料完全充滿而采用飛邊橋，通過材料流經(jīng)飛邊時(shí)產(chǎn)生的阻力迫使材料充滿模腔，這樣造成材料浪費(fèi)且需切邊工序。使毛坯的選取滿足0.85＜a≤0.95，a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，Md-鍛件質(zhì)量，Mp-毛坯質(zhì)量，δ-燒損率。
2、模具壽命受載荷分布不均勻性以及型腔圓角應(yīng)力集中的影響，載荷過大，會(huì)加劇模具磨損，導(dǎo)致模具壽命降低，應(yīng)盡量使載荷均勻分布，避免載荷過度集中，避免應(yīng)力集中。在計(jì)算機(jī)CAD工藝設(shè)計(jì)中，影響鍛模壽命的主要因素是模膛相對(duì)深度，模鍛斜度，圓角半徑，飛邊槽橋部寬高比。對(duì)于連桿，模膛深度已定，且壓力機(jī)鍛造時(shí)，又有頂件裝置，模膛深度對(duì)鍛模壽命影響不大。對(duì)模鍛斜度和圓角半徑依國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，各工藝方案對(duì)應(yīng)確定的取值范圍。毛邊橋結(jié)構(gòu)尺寸是影響鍛模壽命最敏感的因素，鍛模負(fù)荷增加，毛邊橋部磨損相應(yīng)加劇。
在選定設(shè)備下，保證鍛件完全充滿時(shí)模具飛邊橋所受的最小壓應(yīng)力Pmin為模具評(píng)價(jià)指標(biāo)，使模具選擇滿足α＝0.95～1.0，P＝(1/α)Pmin，P-模具設(shè)計(jì)時(shí)飛邊橋部壓應(yīng)力值，P＝2σsb/h，其中σs-材料屈服應(yīng)力，b-飛邊橋?qū)挾?，h-飛邊橋高度。
3、設(shè)備選用鍛件的最大變形力直接決定了設(shè)備噸位的選擇。通過優(yōu)化使變形力較小，從而選擇較小噸位的設(shè)備來鍛造。較小的變形力可以減小設(shè)備和模具的磨損，延長(zhǎng)模具的使用壽命，從而降低鍛件成本。使設(shè)備選擇滿足Fd＝βFe，β＝0.9～1.0，其中，F(xiàn)e-選用設(shè)備的公稱壓力，F(xiàn)d-鍛件模擬的最大變形力。
4、潤(rùn)滑以μp為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使μp的范圍滿足0.9～1.0，μp＝1.06～0.533μ，熱鍛時(shí)摩擦系數(shù)選擇范圍為μ＝0.15～0.50。
本發(fā)明的方法還采用了模糊層次分析法確定出毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑各指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)重值。層次分析法是一種定性分析和定量分析相結(jié)合的評(píng)價(jià)與決策方法。它將評(píng)價(jià)主體對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)的思維過程數(shù)學(xué)化，為選擇較優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。通過對(duì)行業(yè)開展大量的調(diào)研，建立如下的評(píng)價(jià)系統(tǒng)的層次分析結(jié)構(gòu)，見圖1，第一層次只有一個(gè)要素K，即鍛件工藝綜合參數(shù)；第二層次有三個(gè)要素即鍛件質(zhì)量C1、成本C2、周期C3；第三層次有四個(gè)要素即鍛坯I1、模具I2、設(shè)備I3，潤(rùn)滑I4。同時(shí)建立判斷矩陣，確定各層要素的權(quán)重Wi。判斷尺度(見表一)對(duì)同一層次的要素，以上一層次要素Hs為準(zhǔn)則，進(jìn)行兩兩比較，以判定各要素的相對(duì)重要程度，最終確定權(quán)重結(jié)果。
建立判斷矩陣后，可求得毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑各部分的指標(biāo)權(quán)重值，見表一。
表一各部分指標(biāo)權(quán)重值

綜合指標(biāo)評(píng)定公式C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4其中，C為綜合指標(biāo)值，W1、E1；W2、E2；W3、E3；W4、E4分別為毛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑各參數(shù)的權(quán)重值和獨(dú)立優(yōu)化選擇值，E1＝a，E2＝α，E3＝β，E4＝μp。
當(dāng)綜合指標(biāo)值0.9≤C＜1.0即
時(shí)，行業(yè)中認(rèn)為整體工藝方案較優(yōu)，C越接近1.0，工藝方案理論上越優(yōu)。
將本發(fā)明對(duì)毛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑分別使?jié)M足的范圍0.85＜a≤0.95、α＝0.95～1.0、β＝0.9～1.0、μp＝0.9～1.0和表一得出的各指標(biāo)權(quán)重值帶入上述綜合指標(biāo)評(píng)定公式中，可得出C值滿足在
的范圍內(nèi)，因此，利用本發(fā)明的方法可得到鍛造整體工藝方案較優(yōu)。
以下提供應(yīng)用本發(fā)明方法對(duì)連桿、搖臂鍛件進(jìn)行驗(yàn)證的實(shí)例。
實(shí)施例1某柴油機(jī)連桿鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)
1、鍛坯設(shè)計(jì)取連桿Md＝153Kg，Mp＝177Kg，δ取3.75％，根據(jù)a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，得出a＝0.898。
2、設(shè)備選用設(shè)備選用5600T螺旋壓力機(jī)，鍛件實(shí)際所需變形力曲線如圖2所示，根據(jù)Fd＝βFe，F(xiàn)e＝5600T，F(xiàn)d＝5300T，得出β＝0.95。
3、潤(rùn)滑和加熱工藝連桿熱鍛時(shí)，采用水劑石墨，均勻噴涂，潤(rùn)滑系數(shù)μ取0.3，按μp＝1.06～0.533μ計(jì)算，得出μp＝0.9。
4、模具通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，確定鍛件完全充滿時(shí)模具的最小壓應(yīng)力pmin，圖3為模具受力圖，用色斑代表應(yīng)力等級(jí)，顯示數(shù)值712MPa，下模表面最大壓應(yīng)力亦為712MPa，pmin＝712Mpa，設(shè)計(jì)計(jì)算值p＝735Mpa，則α＝0.969。
將上述分別得到的鍛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑的選擇值以及各指標(biāo)的權(quán)重值帶入綜合指標(biāo)評(píng)定公式，得出某柴油機(jī)連桿鍛造工藝優(yōu)化綜合指標(biāo)值C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4＝0.49×0.898+0.33×0.969+0.10×0.95+0.08×0.90＝0.92679C值在
的區(qū)域范圍之內(nèi)。
所以，本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)該連桿模鍛工藝整體方案為較優(yōu)工藝。
實(shí)施例2某柴油機(jī)搖臂鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)1、鍛坯設(shè)計(jì)取搖臂Md＝16.5Kg，Mp＝20Kg，δ取3.75％，根據(jù)a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，得出a＝0.857。
2、設(shè)備選用設(shè)備選用3500T壓力機(jī)，鍛件實(shí)際所需變形力曲線如圖4所示，用色斑代表應(yīng)力等級(jí)，顯示數(shù)值700MPa，下模表面最大壓應(yīng)力亦為700MPa，根據(jù)Fd＝βFe，F(xiàn)e＝3500T，F(xiàn)d＝3315T，得出β＝0.95。
3、潤(rùn)滑和加熱工藝搖臂熱鍛時(shí)，采用水劑石墨，均勻噴涂，潤(rùn)滑系數(shù)μ取0.3，按μp＝1.06～0.533μ計(jì)算，得出μp＝0.9。
4、模具通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，確定鍛件完全充滿時(shí)模具的最小壓應(yīng)力pmin，圖5為模具受力圖，從圖中可以得出pmin＝700Mpa，設(shè)計(jì)計(jì)算值p＝721Mpa，則α＝0.971。
將上述分別得到的鍛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑的選擇值以及各指標(biāo)的權(quán)重值代入綜合指標(biāo)評(píng)定公式，得出某柴油機(jī)搖臂鍛造工藝優(yōu)化綜合指標(biāo)值C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4＝0.49×0.857+0.33×0.971+0.10×0.95+0.08×0.90＝0.90736C值在[0.90，1.0)的區(qū)域范圍之內(nèi)。
所以，本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)該搖臂模鍛工藝整體方案為較優(yōu)工藝。
權(quán)利要求
1.一種鍛造成形工藝的優(yōu)化方法，包括確定毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑四個(gè)目標(biāo)，使上述四個(gè)目標(biāo)的選擇滿足一定的規(guī)則，再確定出上述四個(gè)目標(biāo)優(yōu)化的權(quán)重值，使鍛造成形工藝的綜合指標(biāo)C值的范圍滿足0.9≤C＜1.0，其特征在于，所述使毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑四個(gè)目標(biāo)的選擇滿足一定的規(guī)則是指使毛坯的選擇滿足毛坯0.85＜a≤0.95，a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，Md-鍛件質(zhì)量，Mp-毛坯質(zhì)量，δ-燒損率；使模具的選擇滿足α＝0.95～1.0，P＝(1/α)Pmin，Pmin-模具飛邊橋所受的最小壓應(yīng)力值，P-模具設(shè)計(jì)時(shí)飛邊橋部壓應(yīng)力值，P＝2σsb/h，其中σs-材料屈服應(yīng)力，b-飛邊橋?qū)挾?，h-飛邊橋高度；使設(shè)備的選擇滿足β＝0.9～1.0，F(xiàn)d＝βFe，F(xiàn)e-選用設(shè)備的公稱壓力，F(xiàn)d-鍛件模擬的最大變形力；使?jié)櫥瑵M足μp＝0.9～1.0，μp＝1.06～0.533μ，熱鍛時(shí)摩擦系數(shù)μ選擇為0.15～0.50；所述確定出毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑的權(quán)重值W分別為毛坯指標(biāo)權(quán)重值W1＝0.49模具指標(biāo)權(quán)重值W2＝0.33設(shè)備選用指標(biāo)權(quán)重值W3＝0.10潤(rùn)滑指標(biāo)權(quán)重值W4＝0.08，將上述標(biāo)權(quán)重值W1、W2、W3、W4代入綜合指標(biāo)評(píng)定公式C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4即可其中，C為綜合指標(biāo)值，W1、W2、W3、W4分別為毛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑各參數(shù)的權(quán)重值，E1、E2、E3、E4分別為毛坯、模具、設(shè)備選用、潤(rùn)滑各參數(shù)的獨(dú)立優(yōu)化選擇值a、α、β、μp。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鍛造成形工藝的優(yōu)化方法，通過使毛坯、模具、設(shè)備、潤(rùn)滑的選擇分別滿足一定的優(yōu)化值和設(shè)定各指標(biāo)的權(quán)重值，采用數(shù)值模擬技術(shù)與多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合來處理鍛造工藝分析過程中的有限元數(shù)據(jù)，在鍛造工藝優(yōu)化過程中采用模糊層次分析法確定出多目標(biāo)優(yōu)化的權(quán)重值，并應(yīng)用在鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)中，提出了定量化的評(píng)價(jià)方法。本發(fā)明的方法大大提高了優(yōu)化精度，為鍛造工藝分析節(jié)約了時(shí)間，縮短了鍛造工藝設(shè)計(jì)周期。
文檔編號(hào)G06F17/50GK1928879SQ20061010456
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者趙勐舟, 雍藝龍, 宇文建鵬, 陳鵬波, 馬敏團(tuán), 黃引平, 武劍, 郝煒 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所