第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國自由鍛造技術(shù)經(jīng)過近些年的技術(shù)改進(jìn)及工藝研發(fā)，在機(jī)械自由鍛造技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。在鍛件設(shè)計(jì)上將傳統(tǒng)工藝與計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)相結(jié)合，開發(fā)出了適用于自由鍛造程序的工藝設(shè)計(jì)流程。在鍛造技術(shù)上將大型鍛造機(jī)械與電氣化主動(dòng)設(shè)備緊密結(jié)合，并開發(fā)出了液壓鍛造等先進(jìn)鍛造技術(shù)。

但是長期以來，出于戰(zhàn)略考慮，發(fā)達(dá)國家的大型鑄鍛件生產(chǎn)制造技術(shù)一直對(duì)我國實(shí)行封鎖。我國大型鍛件自由鍛造技術(shù)較為薄弱。近幾年隨著我國航空航天、國防、船舶、電力及機(jī)械制造等 行業(yè) 對(duì)大型鍛件需求的快速增加。國內(nèi)各相關(guān)部門都加強(qiáng)了自由鍛造技術(shù)及鍛造設(shè)備的研發(fā)。

以中國重型機(jī)械 研究 院為首的鍛件研發(fā)，近幾年來又開發(fā)研制了數(shù)十臺(tái)（套）擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大技術(shù)裝備，填補(bǔ)了多個(gè)領(lǐng)域中的國內(nèi)空白。特別是重型鍛壓裝備方面開發(fā)研制的10000噸鋁型材擠壓機(jī)獲得了2004年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)；開發(fā)出的5米徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)于2007年投產(chǎn)使用，成功地軋制了我國航天工業(yè)急需的鋁合金環(huán)。另外我國即將建成的18500噸自由鍛造油壓機(jī)是目前世界上規(guī)格最大、技術(shù)最先進(jìn)、唯一的一臺(tái)重型自由鍛造裝備，它擁有多個(gè)世界第一。該工程的竣工投產(chǎn)將使我國擁有鍛造400噸以上鍛件的能力，可有效緩解顯著提高我國大型自由鍛件的生產(chǎn)能力和水平，使我國大型鍛壓裝備的研制水平位于國際前列，對(duì)促進(jìn)我國重大裝備制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和大型鍛壓裝備的產(chǎn)業(yè)化，全面提高我國大型裝備制造業(yè)總體水平具有重大戰(zhàn)略意義。

在國外技術(shù)發(fā)展過程中，以德、美、日為代表的工業(yè)強(qiáng)國自由鍛造技術(shù)發(fā)展迅速。目前日本研發(fā)生產(chǎn)的超自由鍛造技術(shù)的鍛造機(jī)械——水平對(duì)擊式高速自由鍛造機(jī)，是日本通商產(chǎn)業(yè)省工業(yè)技術(shù) 研究 院的大型計(jì)劃：“應(yīng)用超高性能激光復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng) 研究 發(fā)展”中,在“超自由鍛造技術(shù)的 研究 ”方面,所研制的作為將來自由鍛造模擬的樣機(jī)。這項(xiàng) 研究 是以大幅度地提高自由鍛造生產(chǎn)率的同時(shí),實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化,面對(duì)熟練工不足,力圖使鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定為目的的。改壓機(jī)的行程次數(shù)是以前鍛造液壓機(jī)的兩倍。另外,采用機(jī)械和油壓聯(lián)合的水平對(duì)擊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),可防止高速動(dòng)作時(shí)的振動(dòng)和噪音。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

自由鍛造工藝設(shè)計(jì)過程：

1、繪制鍛件圖

自由鍛件的鍛件圖是在零件圖的基礎(chǔ)上考慮了加工余量、鍛造公差、工藝余塊等之后繪制的圖。繪制自由鍛件的鍛件圖可按以下步驟進(jìn)行：

1）簡化鍛件形狀

為了簡化鍛造工藝，零件上的小孔、凹檔、臺(tái)階等部分，可加上余塊而不予鍛出，如下圖，是否加余塊要根據(jù)零件的形狀、尺寸、鍛造技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果來確定。

自由鍛件圖繪制

2）確定加工余量和鍛件公差

（1）機(jī)械加工余量

為使零件具有一定的加工尺寸和表面粗糙度，在零件表面需要加工的部分，在鍛件上留一層供作機(jī)械加工用的金屬，稱作機(jī)械加工余量。

（2）余塊

為簡化鍛件外形及鍛造過程，在鍛件的某些地方和添一些大于機(jī)械加工余量的金屬，這種加添的金屬稱作余塊。

（3）鍛件公差

鍛件實(shí)際尺寸與基本尺寸之間所允許的誤差。公差值的大小是根據(jù)鍛件形狀、尺寸并考慮生產(chǎn)的具體情況而定的。

3）繪制鍛件圖

在鍛件圖上，規(guī)定用粗實(shí)線繪出鍛件的形狀。為了便于了解零件的形狀和檢查鍛件的實(shí)際加工余量，在鍛件圖上還要用雙點(diǎn)劃線繪出零件的主要形狀。

2、計(jì)算坯料質(zhì)量與尺寸

1）坯料質(zhì)量

坯料質(zhì)量可按下式計(jì)算：

G坯料=G鍛件+G燒損+G料頭

式中G坯料——坯料質(zhì)量

G鍛件——鍛件質(zhì)量

G燒損——加熱時(shí)由于坯料表面氧化而燒損的質(zhì)量。第一次加熱取被加熱金屬的2~3%，以后每次加熱取1.5~2.0%。

G料頭——在鍛造過程中沖掉或切掉的那部分金屬的質(zhì)量。如沖孔時(shí)坯料中部的料芯，修切端部的料頭等。

當(dāng)鍛造大型鍛件時(shí)，如采用鋼錠作坯料，還要考慮應(yīng)切掉的鋼錠頭部和尾部的質(zhì)量。

2）坯料尺寸

根據(jù)坯料質(zhì)量即可確定坯料尺寸。在計(jì)算坯料尺寸前，先要考慮鍛造比。

鍛造比是指坯料在鍛造前后的斷面積的比值。

對(duì)于拔長工序來說，其鍛造比Rd可按下式計(jì)算:

Rd=A0/A1或L1/L0

式中A0、A1——拔長前、后坯料的斷面積；

L0、L1——拔長前、后坯料的長度。

對(duì)于鐓粗工序來說，其鍛造比(Ru)可按下式計(jì)算:

Ru=A1/A0或H0/H1

式中A0、A1——鐓粗前、后坯料的斷面積；

H0、H1——鐓粗前、后坯料的高度。

確定坯料的尺寸時(shí)，應(yīng)滿足對(duì)鍛件的鍛造比要求，并應(yīng)考慮變形工序?qū)ε髁铣叽绲南拗?。采用鐓粗法鍛造時(shí)，為避免鐓彎，坯料的高徑比(H0/D0<2.5)。但為下料方便，坯料高徑比還應(yīng)大于1.25。

根據(jù)坯料質(zhì)量，由下式求出坯料體積V坯。

V坯=m坯/ρ

ρ——金屬密度。對(duì)于鋼鐵ρ=7.85kg/dm3。

然后，求出坯料橫截面積A0。

采用拔長法鍛造時(shí)，由公式：

A0=RdA1

因鍛后橫截面積A1可知，故可求出A0(坯料為鋼錠時(shí)，鍛造比Rd取2.3～3.0；坯料為軋材時(shí)，Rd取l.3～1.5)，最后可求出坯料直徑或邊長。

3、制定鍛造工序

根據(jù)不同類型的鍛件選用不同的鍛造工序。工序確定后，尚須確定所用的工夾具、加熱設(shè)備、加熱和冷卻規(guī)范及根據(jù)鍛件質(zhì)量確定鍛造設(shè)備。

4、自由鍛件的鍛造工藝規(guī)程舉例

自由鍛件的鍛造工藝規(guī)程舉例見下表。

鍛件名稱：齒輪坯

工藝類別：自由鍛造

齒輪坯的鍛造工藝

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì) 分析

1、自由鍛造油壓機(jī)生產(chǎn)線

建設(shè)新型的具有現(xiàn)代控制技術(shù)的自由鍛造油壓機(jī)生產(chǎn)線，符合國際上自由鍛造液壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，也能滿足國內(nèi)自由鍛件生產(chǎn)向大型化、數(shù)控化、高精度化和專業(yè)化發(fā)展的需要，同時(shí)降低運(yùn)行中的維護(hù)成本、生產(chǎn)成本、提高效率。必將提高我國自由鍛造生產(chǎn)水平，對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。改生產(chǎn)線的研發(fā)主要以來對(duì)超高性能激光復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)及超自由鍛造技術(shù)的研發(fā)。

2、數(shù)值模擬技術(shù)用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和塑性有限元理論的發(fā)展，許多塑性成形過程中很難求解的問題可以用有限元方法求解。在自由鍛造成形工藝領(lǐng)域，通過建模和合適的邊界條件的確定，有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以很直觀地得到金屬流動(dòng)過程的應(yīng)力、應(yīng)變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現(xiàn)的缺陷情況。目前有效的數(shù)值模擬軟件是以剛塑性有限元法為基礎(chǔ)建立起來的，這些軟件有：Deform、Qform、Forge、MSC/Superform等。運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)可用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性。用三維大變形彈塑性有限元法對(duì)鍛件成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)以閉式模鍛為預(yù)鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬 分析 。數(shù)值 分析 結(jié)果及工藝試驗(yàn)對(duì)自由鍛造產(chǎn)品的符合性是非常有用的，同時(shí)對(duì)提高工作效率也有很大的幫助。

3、智能設(shè)計(jì)技術(shù)在自由鍛造成形工藝、模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

美國哥倫布貝特爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出基于知識(shí)的預(yù)鍛幾何尺寸設(shè)計(jì)系統(tǒng)，因設(shè)計(jì)預(yù)鍛件的形狀為空間幾何體，須對(duì)其幾何形狀進(jìn)行操作，故不能單純地用一般語言來描述推理過程。對(duì)于零件的幾何信息，采用框架方法表示，在框架中用不同的槽，定義出組成零件的基本成分和它們之間的拓?fù)潢P(guān)系。設(shè)計(jì)規(guī)則是用產(chǎn)生式規(guī)則表示，用OPS工具進(jìn)行揄。J.C.Choi和C.Kim7開發(fā)了基于知識(shí)的冷鍛件和熱鍛件集成工序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并分別建立了冷、熱鍛件工藝設(shè)計(jì)規(guī)則。

基于知識(shí)設(shè)計(jì)方法在冷鍛成形工藝及模具的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，將徹底改變塑性成形傳統(tǒng)的依靠設(shè)計(jì)人員人人經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程中反復(fù)修改、設(shè)計(jì)效率不高的狀態(tài)。它使用人工智能、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中從系統(tǒng)知識(shí)庫中提取合適的知識(shí)指導(dǎo)冷鍛成形工藝及模具設(shè)計(jì)。目前，該項(xiàng)技術(shù)正在進(jìn)一步發(fā)展之中。近年來，基于知識(shí)設(shè)計(jì)方法已成為鍛造成形工藝、模具設(shè)計(jì)智能化技術(shù) 研究 的一個(gè)特點(diǎn)課題。

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