专利名称：一种锻造成形工艺的优化方法
技术领域：
本发明属锻造技术领域，涉及一种锻造成形工艺优化的方法，具体涉及一种基于数值模拟分析技术对锻造工艺进行优化设计的方法。
背景技术：
锻造成形是一个复杂的过程，坯料的变形程度、模具承受的压应力及最大损伤值，工序的载荷峰值、润滑等都是工艺评估与优化过程不可忽略的因素。如果采用传统的数学近似公式来计算各个影响因素，不仅工作量大，而且精度低，很难保证工艺方案的最佳合理性。随着有限元理论的不断完善以及计算效率的日益提高，使得数值模拟技术在锻造工艺设计中得到广泛的应用，并已成为评估工艺成形性的重要手段。数值模拟方法能够比较精确地模拟金属塑性变形的整个流动过程，而且能够精确地给出载荷——行程曲线和应力场、应变场、温度场等场量的定量值，还能预测填充不满等缺陷。
产品制造成本的高低、质量的优劣、开发周期长短是决定生产者能否在竞争中取胜的关键，这一趋势要求锻造生产在工艺设计阶段就应兼顾成本、质量及开发周期，优化生产过程中涉及的各项工艺参数。锻造工艺的工序、工步较多，在工艺设计过程中往往存在多种可供选择的工艺方案，每一工序、工步较优不能说明整体工艺就优。优化是一个相对概念，一般人们所说对某工艺进行了优化，其实质是对其一工序或工步的改进，整体工艺不一定达到优化。
在文章《锻造过程优化设计目标的研究》(作者赵新海；赵国群等，2004(1)《CMET.锻压装备与制造技术》)中，通过以锻造过程为研究对象，对锻造过程优化设计常用的目标函数进行了分析与综合，给出了包括材料消耗、终锻力、变形能、锻件质量等研究指标的目标函数，并对锻造过程的多目标优化设计的目标函数的组合形式进行了研究，提出了一个同时以获得净形锻造和变形均匀锻件为目标的多目标优化设计的目标函数的表示形式，给出了一个以实现净形锻造为优化设计目标的预成形模具形状优化设计的实例，但对锻造工艺的优化分析没有具体量化。
在专利JP20000189625 20000623《锻造工艺分析方法》(公开号JP20000189625 20000623，公布日期2002年1月8日)文本中，采用计算机进行锻件工艺分析，公开了一种应用有限元分析锻造工艺的方法，但未考虑到锻件锻造过程中工艺的优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锻造成形工艺的优化方法，基于数值模拟分析技术，充分考虑了锻件锻造过程中多目标因素的影响，解决了现有锻造工艺优化准确性差、优化分析没有具体量化的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种锻造成形工艺的优化方法，包括确定毛坯、模具、设备、润滑四个目标，使上述四个目标的选择满足一定的规则，再确定出上述四个目标优化的权重值，使锻造成形工艺的综合指标C值的范围满足0.9≤C＜1.0，使毛坯、模具、设备、润滑四个目标的选择满足一定的规则是指使毛坯的选择满足毛坯0.85＜a≤0.95，a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，Md-锻件质量，Mp-毛坯质量，δ-烧损率；使模具的选择满足α＝0.95～1.0，P＝(1/α)Pmin，Pmin-模具飞边桥所受的最小压应力值，P-模具设计时飞边桥部压应力值，P＝2σsb/h，其中σs-材料屈服应力，b-飞边桥宽度，h-飞边桥高度；使设备的选择满足β＝0.9～1.0，Fd＝βFe，Fe-选用设备的公称压力，Fd-锻件模拟的最大变形力；使润滑满足μp＝0.9～1.0，μp＝1.06～0.533μ，热锻时摩擦系数μ选择为0.15～0.50；所述确定出毛坯、模具、设备、润滑的权重值W分别为毛坯指标权重值W1＝0.49模具指标权重值W2＝0.33设备选用指标权重值W3＝0.10润滑指标权重值W4＝0.08，将上述标权重值W1、W2、W3、W4代入综合指标评定公式C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4即可其中，C为综合指标值，W1、W2、W3、W4分别为毛坯、模具、设备选用、润滑各参数的权重值，E1、E2、E3、E4分别为毛坯、模具、设备选用、润滑各参数的独立优化选择值a、α、β、μp。
本发明具有如下优点1、本发明在锻件锻造过程计算中采用多因素综合考虑整体最优锻造工艺的设计，能够准确预测锻造工艺的优劣，为锻造工艺优化设计提供一种预测方法，从而为优化锻造工艺优化设计提供支撑，以指导工艺实践。
2、本发明采用数值模拟技术与多目标优化技术相结合的方法，获得了锻造工艺优化设计的准则，较常用的目标优化技术能够更好的描述锻件成形工艺设计的内在规律，从而更加准确的评价出最优工艺。
3、本发明采用模糊层次分析法确定出多目标优化的权重值，并应用在锻造工艺优化设计的多个优化目标中，提出了定量化的评价公式，大大提高优化精度，为锻造工艺分析节约时间，缩短锻造工艺设计周期。
图1是层次分析结构图；图2是锻造变形力曲线图，其中，横坐标是锻打一次的工作时间，纵坐标是变形力；图3是下模最大压应力云纹图；图4是摇臂变形受力云纹图；图5是摇臂锻造变形力曲线图，其中，横坐标是锻打一次的工作时间，纵坐标是变形力，底层为锻造的摇臂锻件。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
本发明的锻造成形工艺的优化方法，包括确定毛坯、模具、设备、润滑四个目标，使上述四个目标的选择满足一定的规则，应用模糊层次分析法综合考虑质量、成本、周期确定出上述四个目标优化的权重值，使锻造成形工艺的综合指标C值满足
的范围，最终优选出最优工艺的方案用于实际锻造成形，使毛坯、模具、设备、润滑四个目标的选择分别满足1、锻造过程是要保证材料完全充满模腔的前提下，尽量减少飞边，以实现少无飞边锻造。中速柴油机连杆的锻造常采用开式模锻，为了保证材料完全充满而采用飞边桥，通过材料流经飞边时产生的阻力迫使材料充满模腔，这样造成材料浪费且需切边工序。使毛坯的选取满足0.85＜a≤0.95，a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，Md-锻件质量，Mp-毛坯质量，δ-烧损率。
2、模具寿命受载荷分布不均匀性以及型腔圆角应力集中的影响，载荷过大，会加剧模具磨损，导致模具寿命降低，应尽量使载荷均匀分布，避免载荷过度集中，避免应力集中。在计算机CAD工艺设计中，影响锻模寿命的主要因素是模膛相对深度，模锻斜度，圆角半径，飞边槽桥部宽高比。对于连杆，模膛深度已定，且压力机锻造时，又有顶件装置，模膛深度对锻模寿命影响不大。对模锻斜度和圆角半径依国家标准设计，各工艺方案对应确定的取值范围。毛边桥结构尺寸是影响锻模寿命最敏感的因素，锻模负荷增加，毛边桥部磨损相应加剧。
在选定设备下，保证锻件完全充满时模具飞边桥所受的最小压应力Pmin为模具评价指标，使模具选择满足α＝0.95～1.0，P＝(1/α)Pmin，P-模具设计时飞边桥部压应力值，P＝2σsb/h，其中σs-材料屈服应力，b-飞边桥宽度，h-飞边桥高度。
3、设备选用锻件的最大变形力直接决定了设备吨位的选择。通过优化使变形力较小，从而选择较小吨位的设备来锻造。较小的变形力可以减小设备和模具的磨损，延长模具的使用寿命，从而降低锻件成本。使设备选择满足Fd＝βFe，β＝0.9～1.0，其中，Fe-选用设备的公称压力，Fd-锻件模拟的最大变形力。
4、润滑以μp为评价指标，使μp的范围满足0.9～1.0，μp＝1.06～0.533μ，热锻时摩擦系数选择范围为μ＝0.15～0.50。
本发明的方法还采用了模糊层次分析法确定出毛坯、模具、设备、润滑各指标的评价权重值。层次分析法是一种定性分析和定量分析相结合的评价与决策方法。它将评价主体对评价对象进行评价的思维过程数学化，为选择较优设计方案提供依据。通过对行业开展大量的调研，建立如下的评价系统的层次分析结构，见图1，第一层次只有一个要素K，即锻件工艺综合参数；第二层次有三个要素即锻件质量C1、成本C2、周期C3；第三层次有四个要素即锻坯I1、模具I2、设备I3，润滑I4。同时建立判断矩阵，确定各层要素的权重Wi。判断尺度(见表一)对同一层次的要素，以上一层次要素Hs为准则，进行两两比较，以判定各要素的相对重要程度，最终确定权重结果。
建立判断矩阵后，可求得毛坯、模具、设备、润滑各部分的指标权重值，见表一。
表一各部分指标权重值
综合指标评定公式C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4其中，C为综合指标值，W1、E1；W2、E2；W3、E3；W4、E4分别为毛坯、模具、设备选用、润滑各参数的权重值和独立优化选择值，E1＝a，E2＝α，E3＝β，E4＝μp。
当综合指标值0.9≤C＜1.0即
时，行业中认为整体工艺方案较优，C越接近1.0，工艺方案理论上越优。
将本发明对毛坯、模具、设备选用、润滑分别使满足的范围0.85＜a≤0.95、α＝0.95～1.0、β＝0.9～1.0、μp＝0.9～1.0和表一得出的各指标权重值带入上述综合指标评定公式中，可得出C值满足在
的范围内，因此，利用本发明的方法可得到锻造整体工艺方案较优。
以下提供应用本发明方法对连杆、摇臂锻件进行验证的实例。
实施例1某柴油机连杆锻造工艺优化设计
1、锻坯设计取连杆Md＝153Kg，Mp＝177Kg，δ取3.75％，根据a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，得出a＝0.898。
2、设备选用设备选用5600T螺旋压力机，锻件实际所需变形力曲线如图2所示，根据Fd＝βFe，Fe＝5600T，Fd＝5300T，得出β＝0.95。
3、润滑和加热工艺连杆热锻时，采用水剂石墨，均匀喷涂，润滑系数μ取0.3，按μp＝1.06～0.533μ计算，得出μp＝0.9。
4、模具通过计算机数值模拟，确定锻件完全充满时模具的最小压应力pmin，图3为模具受力图，用色斑代表应力等级，显示数值712MPa，下模表面最大压应力亦为712MPa，pmin＝712Mpa，设计计算值p＝735Mpa，则α＝0.969。
将上述分别得到的锻坯、模具、设备选用、润滑的选择值以及各指标的权重值带入综合指标评定公式，得出某柴油机连杆锻造工艺优化综合指标值C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4＝0.49×0.898+0.33×0.969+0.10×0.95+0.08×0.90＝0.92679C值在
的区域范围之内。
所以，本发明的方法可以实现该连杆模锻工艺整体方案为较优工艺。
实施例2某柴油机摇臂锻造工艺优化设计1、锻坯设计取摇臂Md＝16.5Kg，Mp＝20Kg，δ取3.75％，根据a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，得出a＝0.857。
2、设备选用设备选用3500T压力机，锻件实际所需变形力曲线如图4所示，用色斑代表应力等级，显示数值700MPa，下模表面最大压应力亦为700MPa，根据Fd＝βFe，Fe＝3500T，Fd＝3315T，得出β＝0.95。
3、润滑和加热工艺摇臂热锻时，采用水剂石墨，均匀喷涂，润滑系数μ取0.3，按μp＝1.06～0.533μ计算，得出μp＝0.9。
4、模具通过计算机数值模拟，确定锻件完全充满时模具的最小压应力pmin，图5为模具受力图，从图中可以得出pmin＝700Mpa，设计计算值p＝721Mpa，则α＝0.971。
将上述分别得到的锻坯、模具、设备选用、润滑的选择值以及各指标的权重值代入综合指标评定公式，得出某柴油机摇臂锻造工艺优化综合指标值C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4＝0.49×0.857+0.33×0.971+0.10×0.95+0.08×0.90＝0.90736C值在[0.90，1.0)的区域范围之内。
所以，本发明的方法可以实现该摇臂模锻工艺整体方案为较优工艺。
权利要求
1.一种锻造成形工艺的优化方法，包括确定毛坯、模具、设备、润滑四个目标，使上述四个目标的选择满足一定的规则，再确定出上述四个目标优化的权重值，使锻造成形工艺的综合指标C值的范围满足0.9≤C＜1.0，其特征在于，所述使毛坯、模具、设备、润滑四个目标的选择满足一定的规则是指使毛坯的选择满足毛坯0.85＜a≤0.95，a＝Md/〔(1-δ)Mp〕，Md-锻件质量，Mp-毛坯质量，δ-烧损率；使模具的选择满足α＝0.95～1.0，P＝(1/α)Pmin，Pmin-模具飞边桥所受的最小压应力值，P-模具设计时飞边桥部压应力值，P＝2σsb/h，其中σs-材料屈服应力，b-飞边桥宽度，h-飞边桥高度；使设备的选择满足β＝0.9～1.0，Fd＝βFe，Fe-选用设备的公称压力，Fd-锻件模拟的最大变形力；使润滑满足μp＝0.9～1.0，μp＝1.06～0.533μ，热锻时摩擦系数μ选择为0.15～0.50；所述确定出毛坯、模具、设备、润滑的权重值W分别为毛坯指标权重值W1＝0.49模具指标权重值W2＝0.33设备选用指标权重值W3＝0.10润滑指标权重值W4＝0.08，将上述标权重值W1、W2、W3、W4代入综合指标评定公式C＝∑WiEj＝W1E1+W2E2+W3E3+W4E4即可其中，C为综合指标值，W1、W2、W3、W4分别为毛坯、模具、设备选用、润滑各参数的权重值，E1、E2、E3、E4分别为毛坯、模具、设备选用、润滑各参数的独立优化选择值a、α、β、μp。
全文摘要
本发明公开了一种锻造成形工艺的优化方法，通过使毛坯、模具、设备、润滑的选择分别满足一定的优化值和设定各指标的权重值，采用数值模拟技术与多目标优化技术相结合来处理锻造工艺分析过程中的有限元数据，在锻造工艺优化过程中采用模糊层次分析法确定出多目标优化的权重值，并应用在锻造工艺优化设计的多个优化目标中，提出了定量化的评价方法。本发明的方法大大提高了优化精度，为锻造工艺分析节约了时间，缩短了锻造工艺设计周期。
文档编号G06F17/50GK1928879SQ20061010456
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者赵勐舟, 雍艺龙, 宇文建鹏, 陈鹏波, 马敏团, 黄引平, 武剑, 郝炜 申请人:中国船舶重工集团公司第十二研究所