外文翻譯--冷鍛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.doc

附錄1:翻譯（漢）冷鍛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢摘要：冷鍛技術(shù)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械產(chǎn)品關(guān)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(shù)和數(shù)字化/智能化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用、以及優(yōu)化技術(shù)幾個方面綜合論述了冷鍛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。關(guān)鍵詞：冷鍛，工藝/模具設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬，基于知識的工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)優(yōu)化。冷鍛工藝是一種精密塑性成形技術(shù)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如制品的機(jī)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(yùn)輸工具、航空航天和機(jī)床工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前汽車工業(yè)、摩托車工業(yè)和機(jī)床工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛這一傳統(tǒng)的技術(shù)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(jì)，我國汽車的總需求量到2005年將達(dá)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(shù)在我國的起步雖然不算太晚，但發(fā)展速度與發(fā)達(dá)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(dāng)于發(fā)達(dá)國家的一半，開發(fā)潛力很大。加強(qiáng)冷鍛技術(shù)開發(fā)與推廣應(yīng)用是我國目前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。1、冷鍛件的形狀越來越復(fù)雜冷鍛零件的形狀越來越趨于復(fù)雜，由最初的階梯軸、螺釘/螺母和導(dǎo)管等，發(fā)展到形狀復(fù)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(shù)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(guān)項(xiàng)目。目前圓柱齒輪的冷擠壓技術(shù)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(yīng)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(qiáng)度和精度高,表面質(zhì)量好。當(dāng)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(dá)10Kg以上。冷鍛成形的齒輪單件重量可達(dá)1Kg以上、齒形精度可達(dá)7級。持續(xù)不斷的工藝創(chuàng)新推動了冷擠壓技術(shù)的發(fā)展，80年代以來，國內(nèi)外精密鍛造專家開始將分流鍛造理論應(yīng)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(shù)的應(yīng)用,使較高精度齒輪的少、無切削加工迅速達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的冷擠壓成形。閉塞鍛造是在封閉凹模內(nèi)通過一個或兩個沖頭單向或?qū)ο驍D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(fèi)工時多,生產(chǎn)成本極高。國外采用閉塞鍛造技術(shù)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(shù)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(lǐng)域滲透或取而代之,也可以和這些工藝相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合工藝。提出的熱鍛-冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)。熱鍛-冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)是將熱鍛和冷鍛結(jié)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(diǎn)：熱態(tài)下金屬塑性好，流動應(yīng)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(fù)合塑性成形技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，90年代以來取得了越來越廣泛的應(yīng)用，用該技術(shù)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(shù)用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)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(yán)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(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)一直采用傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)方法。這種設(shè)計(jì)方法難以滿足凈形制造工藝的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(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。這些重要信息的獲得對合理的模具結(jié)構(gòu),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(dǎo)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(chǔ)建立起來的,這些軟件有:DEFORM,QFORM，F(xiàn)ORGE，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。如提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝:預(yù)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(jìn)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(yīng)力、應(yīng)變、速度分布等,并與傳統(tǒng)的閉式鐓擠工藝模擬的結(jié)果進(jìn)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(yù)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(jìn)行了數(shù)值模擬,對以閉式模鍛為預(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情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值分析結(jié)果及工藝實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用4.1CAD/CAM技術(shù)在冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為了適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)對鍛模開發(fā)的短周期、高質(zhì)量、低成本要求，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論與方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是CAD技術(shù)的引入傳統(tǒng)的鍛模設(shè)計(jì)過程是鍛模設(shè)計(jì)領(lǐng)域的必然趨勢。模具CAD技術(shù)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(shè)計(jì)與制造方法的變革。自20世紀(jì)70年代以來，國外許多單位開始對鍛模CAD/CAM進(jìn)行了廣泛的研究，美國Ohio州的貝特爾哥倫布實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)自動化和最優(yōu)化原理，從方法學(xué)、算法模型等方面提出了全套的理論，并開發(fā)了回轉(zhuǎn)體類鍛件的自動化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。國內(nèi)在這方面的起步較晚，上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南昌大學(xué)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝和模具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員只能采用通用的機(jī)械CAD/CAM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。4.2基于知識的設(shè)計(jì)技術(shù)及其在冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用冷鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)是知識和經(jīng)驗(yàn)密集型的過程，模具設(shè)計(jì)人員在長期工作中積累的經(jīng)驗(yàn)與知識(Know-how)對模具設(shè)計(jì)有著十分重要的影響。傳統(tǒng)的CAD技術(shù)脫離了設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識,缺乏對設(shè)計(jì)過程知識的支持,難以勝任模具開發(fā)高質(zhì)量、短周期、低成本的要求。因此,需要將傳統(tǒng)的鍛模CAD技術(shù)提升到基于知識的設(shè)計(jì)層次。而實(shí)現(xiàn)這一飛躍的途徑是將人工智能（ArtificialIntelligence,AI）技術(shù)、基于知識的工程（Knowledge-basedEngineering,KBE）技術(shù)引入冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的CAX技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)基于知識的設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)?；谥R的工程（KnowledgeBasedEngineering,KBE）主要指應(yīng)用知識來解決各種工程問題，是人工智能技術(shù)在工程中的應(yīng)用。由于冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)是一個包含了對知識的繼承、集成、創(chuàng)新和管理的復(fù)雜過程，引入基于知識的設(shè)計(jì)方法以后，跨領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)與知識共享能夠使得設(shè)計(jì)更加富有創(chuàng)造性和預(yù)見性，而且領(lǐng)域?qū)＜抑R在整個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)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(shè)計(jì)質(zhì)量。從而使整個設(shè)計(jì)模式從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。美國哥倫布貝特爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出基于知識的預(yù)鍛幾何尺寸的設(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(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?；谥R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)人員個人經(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)知識庫中提取合適的知識指導(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)研究的一個熱點(diǎn)課題。5、優(yōu)化技術(shù)的引入隨著競爭的日益加劇，低成本、高質(zhì)量和高效率是制造業(yè)所追求的目標(biāo)。在鍛造行業(yè)，為提高設(shè)計(jì)效率、降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須對鍛造工藝過程中影響鍛件質(zhì)量的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于鍛造變形是一個十分復(fù)雜的問題，對于其工藝參數(shù)的優(yōu)化采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難達(dá)到預(yù)期的效果，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和塑性有限元理論和技術(shù)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(yīng)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(shè)計(jì)方法在冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅是可能的，也是一種必然趨勢。從實(shí)際應(yīng)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(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法兩種?；陟`敏度分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法屬于梯度型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法在具體實(shí)施時，首先確定目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量，然后找出它們之間的關(guān)系，推導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計(jì)變量的靈敏度導(dǎo)數(shù)公式，根據(jù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)變量的最優(yōu)搜索方向，得到更優(yōu)的設(shè)計(jì)變量，再求解靈敏度信息，如此反復(fù)，直到優(yōu)化迭代收斂?；谀繕?biāo)函數(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(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系，通過求解這個近似函數(shù)的極值點(diǎn)來逼近真實(shí)函數(shù)的極值點(diǎn)。該方法用在鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化時，目標(biāo)函數(shù)值是通過有限元程序來實(shí)現(xiàn)的。目前，一些通用的有限元分析軟件如(DEFORM、Marc)已廣泛應(yīng)用于鍛造成形過程的數(shù)值模擬，可十分方便地計(jì)算出應(yīng)力、應(yīng)變等信息，因此，基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)