外文翻譯--冷鍛技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.doc

附錄1:翻譯（漢）冷鍛技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢摘要：冷鍛技術是一種精密塑性成形工藝，具有切削加工不可比擬的優(yōu)點，廣泛應用于各種機械產(chǎn)品關鍵零部件的制造。本文從冷鍛零件的形狀、材料、工藝革新、生產(chǎn)率、數(shù)值模擬技術和數(shù)字化/智能化設計技術應用、以及優(yōu)化技術幾個方面綜合論述了冷鍛技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。關鍵詞：冷鍛，工藝/模具設計，數(shù)值模擬，基于知識的工藝設計，設計優(yōu)化。冷鍛工藝是一種精密塑性成形技術，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點，如制品的機械性能好，生產(chǎn)率高和材料利用率高，特別適合于大批量生產(chǎn)，而且可以作為最終產(chǎn)品的制造方法（net-shapeforming），在交通運輸工具、航空航天和機床工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應用。當前汽車工業(yè)、摩托車工業(yè)和機床工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛這一傳統(tǒng)的技術的發(fā)展提供了原動力，例如，我國1999年摩托車的全國總產(chǎn)量就有1126萬多輛，而根據(jù)2000年的初步估計，我國汽車的總需求量到2005年將達到330萬輛，其中轎車130-140萬輛，僅汽車行業(yè)的鍛件需求在50-60萬噸以上。冷鍛技術在我國的起步雖然不算太晚，但發(fā)展速度與發(fā)達國家有很大的差距。到目前為止，我國生產(chǎn)的轎車上的冷鍛件重量不足20Kg，相當于發(fā)達國家的一半，開發(fā)潛力很大。加強冷鍛技術開發(fā)與推廣應用是我國目前的一項緊迫任務。1、冷鍛件的形狀越來越復雜冷鍛零件的形狀越來越趨于復雜，由最初的階梯軸、螺釘/螺母和導管等，發(fā)展到形狀復雜的零件，如圖1所示為不同尺寸的摩托車花鍵軸與花鍵套，花鍵軸的典型工藝為：正擠壓桿部-鐓粗中間頭部分-擠壓花鍵；花鍵套的主要工藝為：反擠壓杯形件-沖底制成環(huán)型件-正擠壓軸套。如圖2所示為汽車輸出軸與輸入軸，以及其他冷鍛制品。如圖3所示為我國采用擺動碾壓技術制成的各種汽車/摩托車用錐齒輪、螺旋錐齒輪和其他圓盤類零件，如圖4所示為日本某公司生產(chǎn)的冷鍛零件，圖4所示的渦旋增壓器，我國已經(jīng)列入國家“十五”攻關項目。目前圓柱齒輪的冷擠壓技術也成功用于生產(chǎn)。除黑色金屬外，目前銅合金、鎂合金和鋁合金材料的冷擠壓應用也越來越廣泛。2、持續(xù)不斷的工藝革新冷精鍛是一種(近)凈形成形工藝。采用該方法成形的零件強度和精度高,表面質量好。當前國外一臺普通轎車采用的冷鍛件總量4045Kg,其中齒形類零件總量達10Kg以上。冷鍛成形的齒輪單件重量可達1Kg以上、齒形精度可達7級。持續(xù)不斷的工藝創(chuàng)新推動了冷擠壓技術的發(fā)展，80年代以來，國內外精密鍛造專家開始將分流鍛造理論應用于正齒輪和螺旋齒輪的冷鍛成形。分流鍛造的主要原理是在毛坯或模具的成形部分建立一個材料的分流腔或分流通道。鍛造過程中，材料在充滿型腔的同時，部分材料流向分流腔或分流通道。分流鍛造技術的應用,使較高精度齒輪的少、無切削加工迅速達到了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。提出，對于長徑比為5的擠壓件，如活塞銷，采用軸向余料塊的方法通過軸向分流可以實現(xiàn)冷擠壓一次成形，而且凸模的穩(wěn)定性很好；對于扁平類的直齒輪成形，采用徑向余料塊也可以實現(xiàn)產(chǎn)品的冷擠壓成形。閉塞鍛造是在封閉凹模內通過一個或兩個沖頭單向或對向擠壓金屬一次成形,獲得無飛邊的近凈形精鍛件。一些轎車精密零件如行星和半軸齒輪、星形套、十字軸等如果采用切削加工方法,不僅材料利用率很低(平均不到40%),而且耗費工時多,生產(chǎn)成本極高。國外采用閉塞鍛造技術生產(chǎn)這些凈形鍛件,省去絕大部分切削加工,成本大幅度降低。冷鍛技術的發(fā)展主要是開發(fā)高附加值的產(chǎn)品,降低生產(chǎn)成本,同時,它還在不斷地向切削、粉末冶金、鑄造、熱鍛、板料成形工藝等領域滲透或取而代之,也可以和這些工藝相結合構成復合工藝。提出的熱鍛-冷鍛復合塑性成形技術。熱鍛-冷鍛復合塑性成形技術是將熱鍛和冷鍛結合起來的一種新的精密金屬成形工藝，它充分利用了熱鍛和冷鍛各自的優(yōu)點：熱態(tài)下金屬塑性好，流動應力低，因此主要的變形過程用熱鍛來完成；冷鍛件的精度高，因此零件的重要尺寸用冷鍛工藝來最終成形零件。熱鍛-冷鍛復合塑性成形技術出現(xiàn)于20世紀80年代，90年代以來取得了越來越廣泛的應用，用該技術制造的零件，已取得了精度提高、成本降低的良好效果。圖1圖2圖3圖43、數(shù)值模擬技術用于檢驗工藝和模具設計的合理性用冷鍛工藝成形零件時，由于金屬在冷態(tài)下發(fā)生塑性變形，其變形抗力很大，因此，零件的變形比較困難，變形過程中容易出現(xiàn)金屬充不滿、鍛件出現(xiàn)裂紋等缺陷。同時，過大的變形抗力會嚴重降低模具的使用壽命。長期以來,我國金屬塑性成形的工藝設計和模具設計一直采用傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗、實驗方法。這種設計方法難以滿足凈形制造工藝的要求。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和70年代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。在冷鍛成形工藝領域，通過建模和合適的邊界條件的確定,有限元數(shù)值模擬技術可以很直觀地得到金屬流動過程的應力、應變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現(xiàn)的缺陷情況。這些重要信息的獲得對合理的模具結構,模具的選材、熱處理及成形工藝方案的最終確定有著重要的指導意義。目前的有效的數(shù)值模擬軟件是以剛塑性有限元法為基礎建立起來的,這些軟件有:DEFORM,QFORM，F(xiàn)ORGE，MSC/SUPERFORM等。運用有限元數(shù)值模擬技術可用于檢驗工藝和模具設計的合理性。如提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝:預鍛分流區(qū)-分流終鍛,用三維有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D進行了數(shù)值模擬研究,得到了鍛造載荷-行程曲線以及整個成形過程的應力、應變、速度分布等,并與傳統(tǒng)的閉式鐓擠工藝模擬的結果進行了比較。分析表明,傳統(tǒng)的閉式鐓擠成形直齒圓柱齒輪,成形載荷大,不利于齒形的充填。采用預鍛分流區(qū)-分流終鍛新工藝,可以大幅度降低成形載荷,并明顯改善材料的充填性,可以獲得齒形角部飽滿的齒輪。用三維大變形彈塑性有限元法對齒輪冷精鍛成形過程進行了數(shù)值模擬,對以閉式模鍛為預鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動情況進行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值分析結果及工藝實驗表明在終鍛中采取分流,尤其是約束孔分流措施對于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。4、數(shù)字化智能設計系統(tǒng)的應用4.1CAD/CAM技術在冷鍛成形工藝/模具設計中的應用為了適應現(xiàn)代生產(chǎn)對鍛模開發(fā)的短周期、高質量、低成本要求，將先進的設計理論與方法以及計算機技術，尤其是CAD技術的引入傳統(tǒng)的鍛模設計過程是鍛模設計領域的必然趨勢。模具CAD技術以其高自動化、高精度和高效益等優(yōu)勢正持續(xù)推動著傳統(tǒng)的模具設計與制造方法的變革。自20世紀70年代以來，國外許多單位開始對鍛模CAD/CAM進行了廣泛的研究，美國Ohio州的貝特爾哥倫布實驗室的T.Altan等人首先開發(fā)了軸對稱鍛模CAD系統(tǒng)。前蘇聯(lián)的捷捷林等專家系統(tǒng)研究了模鍛設計自動化和最優(yōu)化原理，從方法學、算法模型等方面提出了全套的理論，并開發(fā)了回轉體類鍛件的自動化設計系統(tǒng)。國內在這方面的起步較晚，上海交通大學、清華大學、華中理工大學、哈爾濱工業(yè)大學和南昌大學等單位基于一定的平臺，開發(fā)了適用于不同種類鍛件的設計系統(tǒng)，但多數(shù)僅僅限于二維系統(tǒng)。到目前為止，雖然眾多的研究人員先后開發(fā)了適用于不同零件的鍛模設計系統(tǒng)，實現(xiàn)了工藝和模具設計若干環(huán)節(jié)的自動化和智能化，但是尚未有成熟的鍛模CAD/CAM系統(tǒng)推向市場，許多工程設計人員只能采用通用的機械CAD/CAM軟件進行結構的詳細設計。4.2基于知識的設計技術及其在冷鍛成形工藝/模具設計中的應用冷鍛成形工藝和模具設計是知識和經(jīng)驗密集型的過程，模具設計人員在長期工作中積累的經(jīng)驗與知識(Know-how)對模具設計有著十分重要的影響。傳統(tǒng)的CAD技術脫離了設計領域知識,缺乏對設計過程知識的支持,難以勝任模具開發(fā)高質量、短周期、低成本的要求。因此,需要將傳統(tǒng)的鍛模CAD技術提升到基于知識的設計層次。而實現(xiàn)這一飛躍的途徑是將人工智能（ArtificialIntelligence,AI）技術、基于知識的工程（Knowledge-basedEngineering,KBE）技術引入冷鍛成形工藝/模具設計領域，與傳統(tǒng)的CAX技術相結合，開發(fā)基于知識的設計支持系統(tǒng)。基于知識的工程（KnowledgeBasedEngineering,KBE）主要指應用知識來解決各種工程問題，是人工智能技術在工程中的應用。由于冷鍛成形工藝/模具設計是一個包含了對知識的繼承、集成、創(chuàng)新和管理的復雜過程，引入基于知識的設計方法以后，跨領域專家的經(jīng)驗與知識共享能夠使得設計更加富有創(chuàng)造性和預見性，而且領域專家知識在整個產(chǎn)品的設計生命周期內的一致性保證了產(chǎn)品開發(fā)的成功率，大大節(jié)省了開發(fā)時間，提高了設計質量。從而使整個設計模式從經(jīng)驗設計向科學設計轉變。美國哥倫布貝特爾實驗室開發(fā)出基于知識的預鍛幾何尺寸的設計系統(tǒng)，因設計預鍛件的形狀為空間幾何體，須對其幾何形狀進行操作，故不能單純地用一般語言來描述推理過程。對于零件的幾何信息，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撲關系。設計規(guī)則是用產(chǎn)生式規(guī)則表示，用OPS工具進行推理。J.C.Choi和C.Kim開發(fā)了基于知識的冷鍛件和熱鍛件集成工序設計系統(tǒng)，并分別建立了冷、熱鍛件工藝設計規(guī)則?；谥R設計方法在冷鍛成形工藝及模具的設計中的應用，將徹底改變塑性成形傳統(tǒng)的依靠設計人員個人經(jīng)驗，設計過程中反復修改、設計效率不高的狀態(tài)。它使用人工智能、模式識別、機器學習等技術在設計過程中從系統(tǒng)知識庫中提取合適的知識指導冷鍛成形工藝及模具設計。目前，該項技術正在進一步發(fā)展之中，近年來，基于知識設計方法已成為鍛造成形工藝/模具設計智能化技術研究的一個熱點課題。5、優(yōu)化技術的引入隨著競爭的日益加劇，低成本、高質量和高效率是制造業(yè)所追求的目標。在鍛造行業(yè)，為提高設計效率、降低制造成本和提高產(chǎn)品質量，必須對鍛造工藝過程中影響鍛件質量的各項工藝參數(shù)進行優(yōu)化。由于鍛造變形是一個十分復雜的問題，對于其工藝參數(shù)的優(yōu)化采用傳統(tǒng)的設計方法很難達到預期的效果，隨著計算機技術和塑性有限元理論和技術的不斷發(fā)展和日益完善，以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法已廣泛應用于各種金屬成形問題的求解分析。因此，基于有限元分析的優(yōu)化設計方法在冷鍛成形工藝/模具設計中的應用不僅是可能的，也是一種必然趨勢。從實際應用的角度來看，基于有限元分析的優(yōu)化方法中最具代表性的方法有基于靈敏度分析的優(yōu)化方法和基于目標函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法兩種?；陟`敏度分析的優(yōu)化設計方法屬于梯度型優(yōu)化設計方法。該方法在具體實施時，首先確定目標函數(shù)和設計變量，然后找出它們之間的關系，推導目標函數(shù)對設計變量的靈敏度導數(shù)公式，根據(jù)設計變量的現(xiàn)有值求解出這些靈敏度信息，再利用優(yōu)化算法確定設計變量的最優(yōu)搜索方向，得到更優(yōu)的設計變量，再求解靈敏度信息，如此反復，直到優(yōu)化迭代收斂?；谀繕撕瘮?shù)值的擬合優(yōu)化方法來源于外推法。這種方法用簡單的插值函數(shù)來近似逼近目標函數(shù)和設計變量之間的函數(shù)關系，通過求解這個近似函數(shù)的極值點來逼近真實函數(shù)的極值點。該方法用在鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化時，目標函數(shù)值是通過有限元程序來實現(xiàn)的。目前，一些通用的有限元分析軟件如(DEFORM、Marc)已廣泛應用于鍛造成形過程的數(shù)值模擬，可十分方便地計算出應力、應變等信息，因此，基于目標函數(shù)值的擬合優(yōu)