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手柄零件锻造工艺的分析/优化

雅典，俄亥俄45701，俄亥俄大学机械工程学系

BrettAber,JohnRankin,MahmoudShaltout,BhavinMehta*,JayGunasekera

俄亥俄州45226，辛辛那提，奎因锡蒂锻造公司

RobMayer会长

摘要

本项目的目标是优化锻造工艺和降低生产成品所需的工序（模具）。

俄亥俄州辛辛那提奎因锡蒂锻造公司提供了一种零件。

这种零件是一个重型控制手柄块，较多作为液压控制主体用于室外环境中。

目前的锻造过程大约需要5个工序来生产出成品。

通过分析和锻造模拟，过程中的工序将会减少。

各种3D建模（SolidEdge,MechanicalDesktop）和锻造模拟软件（SuperForge）也正用于优化过程当中。

不同的模具结构和钢坯形状也正在尝试，以产生最佳的结构配置。

锻后制造和简化过程等各种因素也被考虑进优化过程中。

*副教授兼主任CAD／CAE技术实验室

机械工程系，仓储中心247，俄亥俄大学，雅典，

俄亥俄州45701。

电子邮件：

mehta@ohio.edu

请把所有的信件给他。

背景

锻造是一个通过压力来实现工件塑性变形的过程，也是一种非常古老的金属加工工艺，并且是十分灵活的。

各种尺寸和形状的零件可以通过锻造工艺制成。

锻造操作还可以在室温下（冷作）或在高温下进行。

并且锻造有许多优点，包括细化晶粒结构，提高强度，延展性和韧性等。

一个例子就可以说明锻造是如何影响晶粒结构的，如图1所示。

图1：

锻件的晶粒结构

锻造的三种基本类型是开模锻造，印模锻造和合模锻造（卡尔帕基安，295）。

开模锻造是由开式模具多次打击工件。

开式模具结构是允许工件材料溢出的，这称作披锋。

而在合模锻造和印模锻造中，模具是完全环绕着工件的。

如果发生任何意外情况，也只会产生很少的披锋。

图2中所示的是一个印模锻造的锻造工艺。

图2：

印模锻造

模具的CAD建模和下坯

在创建零件最终形状的锻造过程中会用到两个软件。

三维CAD建模软件SolidEdge则是主要的使用工具，代表模具和钢坯被用于奎因锡蒂锻造公司的锻造工艺中。

而另一个用于创建模具的软件则是MechanicalDesktop。

使用这些软件是因为它们能够输出带有.stl扩展名的文件，而这正是分析软件SuperForge所需的文件类型。

而使用MechanicalDesktop制作模具是因为SolidEdge没有布尔运算。

并且在MechanicalDesktop中很容易绘制出所需的零件，然后执行布尔运算来创建上下模。

这些软件之所以被使用，是因为它们提供了一个快捷简单的工具准确地模拟出了组件的过程。

绘制在SolidEdge上的第一部分则是所需零件的最终形状。

该模型如图3所示，并且是作为一个工作部件保存在SolidEdge中（.Par扩展名）。

图3：

期望成品零件

一旦所需的零件被绘制下来，第一套开式模具就在MechanicalDesktop上创建了。

首先用绘图部分作为模具的一个三维模型，然后在固体材料块上进行一个布尔操作。

接着模具材料就被切成两半来创建上下模。

然后这些模具文件被导入到SolidEdge中作为带有.par扩展名的工作部件。

图4和图5分别表示为上下模。

图4：

上模（开式）

图5：

下模（开式）

当模具从MechanicalDesktop导入到SolidEdge会产生许多问题。

由于某些原因，零件往往是从相距很远的坐标系统导入的。

在正确对准模具时，SuperForge就产生了一个问题。

为了克服对准问题，全局坐标系统首次创立。

一旦模具被塑造或创建，为了模拟过程中能够在SuperForge运行，就必须创建一个钢坯。

在第一次运行过程中，我们使用了一个非常简单的0.625''×1''×12''的长钢坯。

对于第一次运行，我们只测试了弯曲操作。

钢坯如下图6中所示。

图6：

第一次运行钢坯：

0.625''×1''×12''长

在研究了奎因锡蒂锻造公司网站上的工艺流程之后，我们就创建了闭合模（封闭模）。

使用的第一套闭合模具由一个带有部件突起的上模和两倍型腔厚度的下模组成。

这些模具图纸显示在附录A.3和A.4。

这套闭合模具测试的3个钢坯是1个直钢坯和2个弯曲钢坯。

这3个钢坯的图纸显示在附录B.1，B.2和B.3。

但是在正确地填充型腔时却发生了问题，所以另一套闭合模具被创建出来。

第二套闭合模具是由一个跟腔体厚度相等的下模，以及用于零件草图中带有小突起的上模组成。

在锻造之前，这两套模具都会对钢坯进行弯曲。

第二套闭合模具的图纸显示在附录A.5和A.6。

第二套闭合模具测试了六个弯曲钢坯，然后附录显示到B.4至B.9中。

分析/结果

在SolidEdge和MechanicalDesktop上创建了上模，下模和钢坯之后，我们就准备在SuperForge上运行工艺进程。

接着我们提供了模具与坯料的温度，压力速度等各种工艺参数。

此工艺是在一个压力速度很慢（5毫米/秒）的液压机和温度近似为600开尔文的情况下运行的。

在SuperForge上模拟的第一道工序是用开式模对一个矩形钢坯进行弯曲操作。

如果一个矩形钢坯要作为工件的初始状态使用，那么弯曲就是必要的。

SuperForge在模拟中产生了大量的结果。

弯曲操作似乎能很好地与模具，钢坯和所使用的参数配合工作。

我们从SuperForge分析获得的结果中得到一个例子，此例子是一段钢坯的塑性应变图，并如图7所示。

图7：

SuperForge结果-钢坯弯曲塑性应变图

在SuperForge上测试了弯曲操作后，模拟将测试模具的锻造部分。

在第一套闭合模具产生的模拟结果不是很令人满意。

钢坯要么留下太多的披锋要么就是没有适当地填充模具。

而第二套闭合模具得到的结果是比较好的。

模具与钢坯的最佳组合为第二套闭模（上模V2封闭，下模V2封闭）和弯曲钢坯5-18-01测试钢坯1。

图8显示的是SuperForge上进行钢坯锻造模拟的塑性应变图。

图8：

SuperForge结果-钢坯锻造塑性应变图

从图8中可以看出，在锻造的过程中很少产生披锋。

同时，对模具型腔也进行了正确填充，故零件的最终尺寸应该是令人满意的。

该锻件的模拟做的仅仅是两个工序：

弯曲和预模锻。

而要达到良好的结果，假定锻造过程在实际中能被缩短到仅仅三步：

弯曲和预模锻阶段，如上所述，和作为一个附加安全保证的整理阶段。

采用第二套闭合模模拟过程中发生了一些问题。

电脑采用了较新版本的SuperForge，它有一个较小的元素大小默认值。

这使得模拟运行得更快，但是却让钢坯（5-18-01测试钢坯2到钢坯5）没有完全地填充模腔。

由于元素尺寸太大，以致于钢坯实际容积损失，故不能准确代表形状。

目前，所有的模具设计，包括某些锻造操作要领如修缘角度和半径，都正在重做，这样离开原来设计的做法是为了建模和模拟更容易。

模具也将被重新测试，并且将会在优化模具和钢坯设计降低模具力方面进行深入的工作。

优化设计的模具将会被制造出来，并且奎因锡蒂锻造公司将会测试新模具模拟的有效性。

结论

在SolidEdge和MechanicalDesktop上的3D建模以及在SuperForge上的模拟都已经取得了成功。

我们创建了多套模具和测试钢坯，也进行了锻造和弯曲过程。

在SuperForge上模拟弯曲和锻造操作似乎也得到了理想的结果。

整个锻造过程可以用三个工序完成：

弯曲操作，预锻模和精模锻。

目前奎因锡蒂锻造公司使用了五个工序：

包括1次弯曲操作，2次压平操作，1次预模锻和1次精模锻等。

模具的新设计已经证明工序可以减少到3个，这在本质上可以降低模具成本和所需时间来制造出成品，从而降低制造每个零件的总生产成本。

而最佳的钢坯和模具组合是第二套闭合模具与弯曲钢坯5-18-01测试钢坯1。

参考文献

锻造.2001年4月30日.

Kalpakjian，Serope.工程材料的制造工艺，第三版.Addison-Welsley：

加利福尼亚州门洛帕克.1997年.

奎因锡蒂锻造公司锻造..2001年6月7日.

附录