大锻件锻压工艺参数化的研究

齐作玉

(外资企业独立撰稿人，上海200240)

1 大锻件锻压工艺参数化的意义

高水平的计算机辅助工艺编制CAPP (Computer Aided Process Planning)需要以工艺参数化为基础。有了工艺参数化才能实现CAPP的自动化，才能通过自动化工艺的生成来减少不必要的人机对话，才能提高工艺水平和编制工艺的效率。

参数化在CAPP上一直被一些人认为是技术上难以解决的问题。实际上，之所以现实工艺参数化的研究进展比较缓慢，成果不够丰富，尤其是大锻件锻压工艺参数化的研究进展比较缓慢，其主要原因还是人们对大锻件锻压工艺参数化研究的重要性认识不足或持有偏见。

参数化的成果的确是实现高水平CAPP的基础。但如果仅仅是为了CAPP，就容易把参数化的研究推托给纯粹的计算机编程人员或非重要岗位的工艺人员，其结果也就难以真正实现工艺参数化。

大锻件锻压工艺参数化的含义主要是，将大锻件锻压工艺的参数用科学的函数式来予以表达，对工艺参数进行系统化和实现公式化。

大锻件锻压工艺参数化是以业务需求为目标，以经验实验结果为依据，以数学力学方法为工具，经过系统性的推导和优化得出的。

大锻件锻压工艺参数化需要由具有复合型知识和经验的工艺研究者来完成。

大锻件锻压工艺参数化的意义可以归纳为如下几点：

(1)它是改进传统工艺和实现工艺创新的基础；

(2)它是实现先进生产管理信息化的基础；

(3)它是工艺试验研究和产品质量分析控制的基础；

(4)它具有工艺标准化的作用，即系统化和最优化的作用。

近些年来，我国的大锻件锻压生产技术有了很大的发展。但是，另一方面，国内企业却面临生产能力不平衡、经济发展环境起伏波动、市场价格激烈竞争、客户的产品质量和交货要求不断提升等等新的问题和挑战。在这种环境下，一个及时重视大锻件锻压工艺参数化的企业将会是战略上领先和成功的企业，一定会在未来更加激烈竞争的市场环境下脱颖而出。

本文介绍了大锻件锻压工艺参数化在工艺节约材料、工艺质量控制、工艺规范编制方面的应用。

2 参数化锻造工艺节材

为了实现精益生产、消除一切浪费、提高效率、不断改进流程，有大量的工作需要去完成。对于自由锻技术人员，尤其需要重视工艺方面的改进和系统化工作，需要进行精细化、参数化、定量化的分析研究，实现工艺节材。通过工艺方面的改进和系统化工作所产生的效果比生产流程的其它各个环节所产生的效果都显著。下面介绍两个自由锻工艺节材的实际例子，该实例不仅可以帮助节约材料，还可用于CAPP或管理信息系统。

(1)多件拼锻节材的最优化数学模型[1]

为了节材，大锻件生产常采用一锭多件拼锻。传统工艺上，一锭多件拼锻的选择比较粗略，满足于“可行”。多件拼锻节材的最优化数学模型将提供最优方案，对节材意义重大。

根据最优化设计的计算方法、物理模型，经过推导可以得出，多件拼锻节材的最优化数学模型如下：

目标，钢锭利用率最高：

约束条件，钢锭足可锻出拼锻的锻件：

式中，Wi是第i个钢锭的公称可用重量，mi是需要逐步试算的、可能的所需第i个钢锭的数目，n是钢锭系列的型号总数，ci是第i个锻件重量加上工艺废料，nci是第i个锻件的订货数量，k是所订的锻件品种数目。

当然这个模型还可以根据需要调整目标和约束条件。比如，为了质量控制、保证锻造比，需要增加约束条件；为了平衡设备能力，保证按约束理论设计的先进生产计划，也需要增加特殊约束条件。

(2)锻件斜面余块尺寸的精确确定节材[2]

一些自由锻锻件(比如锤头)机加工零件图上要求有一定角度的斜面。通常是没有专用工装的，生产中很难将斜面直接锻造出来。故锻造工艺上需要添加斜面余块。

传统上确定斜面余块尺寸往往凭个人经验，原则是要宁大勿小，比如直接把小台阶与过渡圆弧的切点视为台阶轴的位置来添加余块，以保证机加工尺寸的安全。因此，实际上会造成增加机加工的工时和材料的浪费，同时增加了生产企业与客户的成本。

经过几何推导，参见图1，可以得出精确确定锻件斜面余块尺寸的公式。

过渡圆弧圆心O距大台阶D点的水平距离：

P=tgα(b-a-R)+R/cosα

式中，α为斜面与垂直线的夹角，b为大台阶高度，a为小台阶高度，R为过渡圆弧半径。

余块尺寸：

X2=P-r+Δ(r≤R) 或

X2=P-R+Δ(r>R)

图1 锻件斜面余块计算简图Figure 1 The diagram for calculating the forging berel face spare block

式中，r为锻压砧子的圆角半径，Δ为机加工余量。

3 参数化锻造工艺质量控制

参数化锻造工艺的意义除了便于CAPP的开发应用，更重要的是便于系统化最优化控制锻件质量。这种参数化的过程是对国内外先进实用研究成果的消化吸收和推广应用，包括对实验和物理模拟成果的相似性验证、消化吸收和推广应用。为什么数值模拟技术在模锻或冲压都可以广泛应用而在自由锻却没被看好？其中一个重要原因是自由锻锻造工艺参数化比较薄弱。有了参数化的锻造工艺，也会对于建立验证或调整数值模拟技术的边界条件带来极大的方便。参数化锻造工艺包含但不局限于锻造变形参数的确定。下面只介绍两个锻造变形参数化的实例。

(1)钢锭镦粗工艺条件[3]

镦粗是自由锻最基本的工序之一。钢锭镦粗锻造比对锻件内部质量和后续工序质量有很大影响。根据实验结果，推导出镦粗锻造比的计算公式：

直接锻合钢锭内部缺陷所需镦粗比的计算

式中，H0为钢锭锭身长，D0为钢锭锭身平均直径。

拔长前的预镦粗锻造比，即中间镦粗比的计算

式中，H0为钢锭锭身长，D0为钢锭锭身平均直径。

根据上面的结果，可以认为，传统上，有些工厂把所有钢锭的预镦粗锻造比λ都定为2，实际上是不合适的。

(2)坯料拔长工艺条件[4]

拔长是大型自由锻生产锻合内部缺陷最重要的工序之一。根据实验研究成果和数学推导，在相对送进量达到0.4，压下率20%的条件下，可以得出拔长工艺实现中心压实的必要条件：

拔长锻造比公式：

式中，D0为拔长前坯料的初始直径，L为进砧量。

4 参数化锻造加热规范

自由锻生产中，钢锭或钢坯锻前加热是十分重要的。它对提高生产率、保证质量和节约能源等都有直接影响。更新或修订加热规范是标准化的工作，很有必要。但标准化工作不能简单照抄以前的数据表，也不应当根据某些经验和条件的变化就简单调整几个加热数据。这样不仅不能得到科学稳定的改进，还可能会造成质量问题。加热规范的改进应当以系统化和最优化方式进行修正和调整，包括研究补充基准和计算公式、结合基准和计算公式来吸收和消化先进的知识和经验。

(1)冷锭加热[5]

以钢加热学为理论基础，以实际加热经验数据为计算参考修正因子，对冷锭加热规范的计算基准公式进行推导，就可以得出如下结果，用于钢锭锻前加热规范的编制，并为进一步系统化最优化更新或修正加热规范提供依据。

冷钢锭的钢种可按塑性和导热性分为三组，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。

I组钢加热的允许装炉温度tⅠ(℃)计算公式为：

tⅠ=1 350×(0.255/R)1/2-273

式中，R为钢锭的半径(m)。

II组钢加热的允许装炉温度tⅡ(℃)计算公式为：

tⅡ=(tI+273)×0.9-273

III组钢加热的允许装炉温度tⅢ(℃)计算公式为：

tⅢ=(tI+273)×0.9-273

目前许多大型自由锻生产厂都采用五段式加热，我们采用表1来表示加热时间的计算式。

表1 五段式加热计算式Table 1 The calculation for mula for five step forging heating

D为钢锭直径(m)，τ为时间(h)。

(2)半热锭加热[6]

半热锭是介于冷锭和热锭之间的一种钢锭，它不仅包括装炉前表面温度在400～550℃的热送钢锭，也包括在550～650℃下较长时间待料的热送钢锭。

对于半热锭，按冷锭加热则增加燃料消耗，降低生产率；按热锭加热则可能引起钢锭开裂，造成报废。

合理加热半热锭需要在700～750℃下进行均热，均热后方可按热锭加热升温。根据钢加热学和加热经验，可以推导出均热时间计算公式

τ=5.4·R2

式中，τ为均热时间(h)；R为钢锭半径(m)。

5 参数化在信息化上的应用举例[8]

“傻瓜”一词在许多场合并非贬义。比如傻瓜相机早已广为普及并深受大众喜爱。

我国从开始应用计算机编制大锻件锻压工艺到现在已经快有30年历史了。但是，CAPP并没有得到普及和发挥应有的作用。其主要原因之一是还不够“傻瓜”。

光轴类产品的锻压工艺傻瓜软件早在1995年就开发成功。其特点是，不需要专业的锻压工艺人员就可以使用，比如负责接订单的锻件销售人员，只要输入基本的需求信息，计算机就可打印出先进的工艺数据，绘图仪就会自动输出经过运算和优化的工艺卡片。

当时的锻压工艺傻瓜软件，在计算机方面充分综合运用了数据库、高级语言、绘图软件及其编程、绘图机硬件的设置，在工艺方面它灵活应用了前面的参数化锻造工艺节材及质量控制，它还给出如下启示：

锻压工艺傻瓜软件与非傻瓜软件的主要区别是：其应用对象不再局限于锻压工艺的专业人员，而是让外行人也能使用。其目的一方面是减轻锻压技术人员的工作量，就像会使用老式相机的人也都喜爱傻瓜相机一样；另一方面是非专业人员也可以使用它，比如销售人员和计划人员可以使用它，这样就可以提高整体运营方面的效率，实现业务流程改进。

锻压工艺软件要做到傻瓜，开发上离不开专家，需要具有复合型的知识和技术，能对工艺参数进行系统化和最优化的专家。

[1] 齐作玉.锻件多件拼锻节材的最优化数学模型.大型铸锻件，1994，(1)：13-44.

[2] 齐作玉.锻件斜面余块尺寸的精确确定法.热加工工艺，1990，(4)：57-58.

[3] 齐作玉.选择钢锭镦粗比的计算法.锻压机械，1990，(5)：46-47.

[4] 齐作玉，刘助柏.中心压实工艺的必要条件及其应用.锻压技术，1990，(5)：5-8.

[5] 齐作玉.冷锭加热规范计算基准的研究.大型铸锻件，1994，1. 6-9.

[6] 齐作玉.半热锭加热技术的研究.钢铁，1992，(5)：54-56.

[7] 齐作玉.电站转子锻件扩氢计算应用软件的研究.大型铸锻件，1995，(2)：26-27.

[8] 齐作玉，等.大锻件锻压工艺傻瓜软件的研究.大型铸锻件，1996，(2)：1-3.