5、精密鍛造工藝優(yōu)化

無論是正向模擬還是反向模擬，都可歸結(jié)為利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證的試錯(cuò)法。其基本思路仍與傳統(tǒng)的試錯(cuò)法一樣，只不過所用的驗(yàn)證手段不同，對(duì)不合理設(shè)計(jì)的修改還需要由設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出，設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化程度還很低。為了提高精密鍛造設(shè)備工藝和模具設(shè)計(jì)的效率和可靠性，近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)精密鍛造過程工藝與模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，并取得了較大進(jìn)展。

精密鍛造過程工藝與模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般以工藝參數(shù)或模具的形狀為設(shè)計(jì)變量，以工件的形狀或物理性能為目標(biāo)函數(shù)，以有限元法方法為目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算器。采用高效的優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)與模具形狀的自動(dòng)優(yōu)化。目前，常用到的優(yōu)化方法包括：基于梯度的靈敏度分析優(yōu)化算法，以及基于全局尋優(yōu)的遺傳算法。

5.1靈敏度分析法

基于靈敏度分析的優(yōu)化方法將精密鍛造設(shè)備過程的預(yù)成形設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)問題處理為優(yōu)化問題，用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，將優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)定義為一組給定設(shè)計(jì)變量中所希望的最終狀態(tài)和數(shù)值計(jì)算狀態(tài)之間的誤差的某種程度。

靈敏度分析的方法需要計(jì)算目標(biāo)函數(shù)對(duì)預(yù)成形參數(shù)的靈敏度信息(導(dǎo)數(shù))，然后采用高效的優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Zabar as等對(duì)靈敏度方法在鍛造成形工藝優(yōu)化中的應(yīng)用進(jìn)行研究，采用該方法進(jìn)行了預(yù)成型形狀、模具設(shè)計(jì)、零件的微觀組織等多個(gè)問題進(jìn)行了研究。

趙國群等以實(shí)際終鍛件形狀與理想終鍛件形狀不重合區(qū)域的面積作為目標(biāo)函數(shù)，以預(yù)成形模具的B樣條控制點(diǎn)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，對(duì)預(yù)鍛設(shè)備模具的形狀進(jìn)行了優(yōu)化。將靈敏度分析法推廣到了鍛造過程的微觀組織方面，以減小整個(gè)鍛件上平均晶粒尺寸的平均值為目標(biāo)，提出了一種基于靈敏度分析的用于優(yōu)化鍛造過程中微觀組織的新算法。

靈敏度分析的優(yōu)化方法效率高、收斂快，在鍛造工藝和模具優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的效果。由于靈敏度分析方法，需要用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行描述，并求解計(jì)算目標(biāo)函數(shù)對(duì)預(yù)成形參數(shù)的靈敏度信息。對(duì)于三維復(fù)雜的鍛造過程來說，計(jì)算過程異常復(fù)雜，給程序設(shè)計(jì)帶來困難，同時(shí)也降低了計(jì)算的效率。因此，目前靈敏度分析的優(yōu)化方法主要應(yīng)用于平面和軸對(duì)稱問題的分析。

5.2微觀遺傳算法

遺傳算法是一種全局優(yōu)化算法，它借鑒生物界自然選擇和進(jìn)化機(jī)制發(fā)展起來的高度并行、隨機(jī)、自適應(yīng)搜索算法，它通過自然選擇、遺傳、變異等作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)性的提高，并逐步使種群進(jìn)化到包含近似最優(yōu)解的狀態(tài)。

遺傳算法仍屬隨機(jī)型算法范疇，與多數(shù)隨機(jī)型方法不同的是，它僅搜索那些最有可能找到優(yōu)化方案的局部區(qū)域，效率較高。由于精密鍛造過程的優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，通過有限元模擬進(jìn)行求解，效率很低。因此，一般選擇群體規(guī)模較少的微觀遺傳算法作為優(yōu)化算法。

羅仁平等采用微觀遺傳算法對(duì)平面應(yīng)變方坯鐓粗和軸對(duì)稱H型截面零件的鍛造進(jìn)行了預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)；管婧以鍛件形狀和鍛件微觀組織分布均勻性為優(yōu)化目標(biāo)，采用微觀遺傳算法對(duì)鍛造成形過程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，取得了良好的效果。遺傳算法穩(wěn)定性、可收斂性強(qiáng)，對(duì)問題的復(fù)雜程度不敏感，理論上可以用于任何的精密鍛造工藝與模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于其收斂速度慢，而優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)求解困難、效率低，造成了優(yōu)化過程的計(jì)算時(shí)間過長，影響了其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。兩種算法的比較來看，基于靈敏度的優(yōu)化方法比遺傳算法收斂快，但是程序設(shè)計(jì)復(fù)雜。靈敏度的優(yōu)化方法對(duì)模型的復(fù)雜程度比較敏感，因此在模型簡單、明確時(shí)選用基于靈敏度的優(yōu)化方法，模型復(fù)雜、不明確是選用遺傳算法。

6精密鍛造發(fā)展趨勢的展望

精密鍛造成形作為一種高效、節(jié)材的加工方法受到越來越多企業(yè)的重視，隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，以及制造業(yè)企業(yè)市場競爭的日趨劇烈，企業(yè)對(duì)于精密鍛造設(shè)備工藝的要求越來越高，也對(duì)精密鍛造成形技術(shù)的研究提出了新的挑戰(zhàn)，未來對(duì)于精密鍛造成形的研究主要包括如下幾個(gè)方面。

6.1工件質(zhì)量的進(jìn)一步提高

為了進(jìn)一步降低成本，目前精密鍛造成形已經(jīng)由精化毛坯的準(zhǔn)凈成形向直接生產(chǎn)零件的凈成形發(fā)展。提高工件的尺寸精度是精密鍛造成形工藝研究的重點(diǎn)方向，研究的內(nèi)容主要包括如下幾個(gè)方面。

1)鍛造系統(tǒng)的彈性補(bǔ)償。精密鍛造過程中，變形抗力較大，模具、鍛造設(shè)備和以及工件本身不可避免的發(fā)生彈性變形，并直接影響鍛件的精度。對(duì)整個(gè)鍛造系統(tǒng)的彈性補(bǔ)償是進(jìn)一步提高精密鍛造成形精度的關(guān)鍵問題，也是一個(gè)難點(diǎn)問題。

2)復(fù)合工藝方法的開發(fā)。隨著成形零件工藝要求的不斷提高，單一的精密鍛造很難滿足要求，這就需要開發(fā)復(fù)合成形工藝，將不同溫度或不同工藝方法的精密成形工藝結(jié)合起來，取長補(bǔ)短共同完成一個(gè)零件的加工制造，提高精密成形工藝的加工精度和應(yīng)用范圍。

6.2多元化材料的應(yīng)用

隨著制造業(yè)的發(fā)展，材料應(yīng)用由傳統(tǒng)的黑色金屬向多元化材料發(fā)展。例如在汽車、航天、能源領(lǐng)域大量應(yīng)用各種高強(qiáng)度的合金鋼和特殊材料，如鈦合金等；在高速列車、大型飛機(jī)等制造領(lǐng)域，大量應(yīng)用性能質(zhì)量比較高的輕質(zhì)合金，如鋁合金、鎂合金等。特種材料的精密成形是今后精密鍛造成形的研究熱點(diǎn)。

6.3多尺度工件的加工

隨著制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械零件向著極端化方向發(fā)展。例如近年來，以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機(jī)電系統(tǒng)，受到人們的高度重視，精密儀器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而由于“尺寸效應(yīng)”的影響，關(guān)于微塑性成形技術(shù)的研究已經(jīng)成為各國學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)和學(xué)科的前沿。同樣由于國家建設(shè)的需要，近年來出現(xiàn)了大量的大型機(jī)械零件，它們的精密鍛造成形也是研究的熱點(diǎn)問題。

6.4設(shè)計(jì)周期的縮短

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)一步發(fā)展，制造業(yè)企業(yè)的競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，要求企業(yè)縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造周期，對(duì)于精密鍛造成形也是一樣。提高精密成形工藝的設(shè)計(jì)效率主要依靠先進(jìn)的CAD， CAM， CAE系統(tǒng)， 以及智能化的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。CAD， CAM， CAE技術(shù)及其在精密鍛造成形中的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，而智能化的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，目前處于研究和探索階段，是今后研究的主要方向。

加工變形，拉伸強(qiáng)度會(huì)大幅提高、沖擊值會(huì)大大降低。奧氏體不銹鋼在冷加工時(shí)容易產(chǎn)生上述缺陷。有晶間腐蝕的鋼，稍受力即沿晶界開裂或粉碎開裂，晶間腐蝕后進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，彎曲部分未出現(xiàn)上述現(xiàn)象，說明熱煨后的組織結(jié)構(gòu)得到充分軟化，并具有很好的延展性，其應(yīng)力也得到了很好的消除。

在感應(yīng)熱煨過程中，由于在碳化鉻最容易產(chǎn)生的450~870℃范圍內(nèi)加熱、冷卻時(shí)保持的時(shí)間非常短，使處于固溶狀態(tài)的不銹鋼組織來不及析出碳化鉻。另外，加熱溫度達(dá)到了1050~1150℃，加熱后急速冷卻，和固溶處理的條件相似，不會(huì)發(fā)生晶間腐蝕現(xiàn)象，上述結(jié)果也證明了這一結(jié)論。

3結(jié)論

采用感應(yīng)加熱技術(shù)彎曲變形加工，在極短的時(shí)間(約幾十秒左右)內(nèi)將處于固溶狀態(tài)的奧氏體不銹鋼加熱到1050~1150℃，并急速冷卻，各項(xiàng)力學(xué)性能和組織沒有發(fā)生太大的變化，直接使用不會(huì)發(fā)生晶間腐蝕或者晶界斷裂現(xiàn)象，可以不進(jìn)行固溶或消除應(yīng)力等處理。

由于感應(yīng)加熱時(shí)間非常短，致使感應(yīng)熱煨加工的彎管表面氧化層很薄，非常容易進(jìn)行酸洗。而且由于感應(yīng)加熱徑向加熱溫度均勻，使熱煨后彎管各部分的性能相差很小。采用感應(yīng)加熱技術(shù)，管內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)由于填沙等造成的異物附著現(xiàn)象，具有良好的外觀和形狀。

作者：王忠雷 趙國群(1.山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南250061；2.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南250101)

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