机械制造工艺与设备

张琦，曹苗，张帅，等

机械制造工艺与设备

汽车轮毂铸锻一体化制造工艺

张琦，曹苗，张帅，等

目的：为了降低零件重量、提高零件质量，铝合金轻量化零件生产工艺得到广泛关注。本文以17英寸汽车轮毂为研究对象，提出铸锻一体化成形工艺生产汽车轮毂的新方法，建立铝合金A356汽车轮毂的有限元模型，分析工艺参数对零件质量的影响；对轮毂不同部位的金相组织及缩孔率进行分析，比较铸锻一体化轮毂锻造区域与铸造区域的性能。方法：利用Hyperworks软件的Optistruct模块进行拓扑优化分析，在保证零件使用性能的条件下，减少材料。优化区域为轮毂的7个轮辐区及轮毂中心区域，优化变量为优化区域离散单元的假想密度，优化目标为应变能最小。优化后的轮毂模型比优化前轮毂的质量减少了10%。铸锻一体化工艺是一种新工艺，兼具铸造和锻造工艺的优点，对于形状复杂、使用性能要求高的铝合金零件如汽车轮毂都可在同一套模具中完成铸造和锻造，改善铸造过程中的缺陷。铸锻一体化成形工艺的主要工作流程主要有4步：压射活塞将合金液压铸到型腔中；合金液在压射活塞的压力下结晶、凝固，可能会产生缩孔等缺陷，在壁厚处可能存在热效应；冲头对已凝固的工件进行锻造（锻造量通常较小）；开模、取件，锻造过程中产生的余料将通过推动压射活塞下移从进出料口处挤出。本文采用FORGE软件对铸锻一体化工艺成形过程中各参数对锻造力及见质量的影响规律进行分析。同时，利用SCV-2000立式挤压铸造机，采用压铸充型。依据有限元模拟结果将充型合金液浇注温度为700℃，模具温度300℃，锻造量为3 mm，锻造速度为0.12 mm/s，活塞压力为100吨，充型完8 s后开始锻造，成形出铝合金轮毂铸锻一体化成形件。对锻造部位和非锻造部位的金相组织和缩孔率进行分析。结果：根据优化结果对轮毂重新建模，相比较优化前，该轮毂质量减轻了10%，并以此模型作为铸锻一体化工艺的成形模型。模拟结果表明：待锻时间随着模具温度的升高而增加，锻造力随着模具温度的升高而降低；锻造区域的压力高于非锻造区域，零件的最大成形力和成形压力随着压射压力和压射速度的增加而增加。较佳的工艺参数如下：压射压力为100～150 MPa，锻造速度为0.1～0.15 mm/s，模具温度为150～300℃。材料流动、模具温度、压射压力和锻造速度对成形零件的质量具有重要影响。实验结果表明具有复杂形状、使用性能要求高的汽车轮毂可以通过ICFP生产。锻造区域的金相组织比非锻造区域的金相 更均匀、细小、密实。与低压铸造的汽车轮毂的机械性能相比有很大的提高。结论：拓扑优化设计方法可在保证零件使用性能的条件下减少材料，17英寸汽车轮毂 的重量可减轻10%。模具温度、压射压力、锻造速度和材料流动等工艺参数对铸锻一体化工零件质量具有重要影响。铸锻一体化成形工艺可以生产形状复杂的零件，锻造工序可改善铸造工序中产生的缺陷，提高零件的使用性能。

来源出版物：塑性工程学报, 2014, 21(2): 42741

入选年份：2014

鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述

刘宝胜，吴为，曾元松

摘要：目的：鲨鱼体表盾鳞由非光滑的鳞棘和深埋在真皮中的基板构成。这种肋条结构能够优化鲨鱼体表流体边界层的流体结构，抑制和延迟紊流的发生，从而有效地减小水体阻力。有效地减小材料与流体间的摩擦阻力，对于设计和制造飞行器等交通工具以及流体输送管道等至关重要。肋条结构仿生减阻材料应用于航运工具，可显著减少燃油消耗、提高航速、延长航程与航时。基于该结构的显著减阻效果，针对沟槽结构形式与鲨鱼盾鳞仿真结构形式，对其制造技术进行了综述。方法：综述了减阻结构在航空、舰艇、汽车、管路运输、风力发电等领域的应用。鲨鱼皮仿生制造主要为两种方式：沟槽结构形式和生物仿真盾鳞结构形式。沟槽结构形式，典型代表为刀刃型、锯齿形、半圆形等结构形式，常见制造方法如LIGA（Lithographic，Galvanogormung，Abformung）技术、微细电火花加工、金刚石切削、微沟槽滚压制备技术、飞秒激光加工等。在生物仿真盾鳞结构形式方面，采用直接复制制造（又称生物约束成形）方法，制备方法有微热压印法、微塑铸法、微电铸法、软刻技术等。结果：在沟槽结构形式制造技术方面，德国亚琛工业大学Hirt等提出的钢丝缠绕工艺制备辊轴的微沟槽滚压制备技术为沟槽制备的新工艺，滚压了宽度20 mm×厚度2.0 mm的Al99.5和AlMg3沟槽板条。德国莱布尼茨-汉诺威大学的Denkena等提出磨削轮沟槽结构制备的新工艺-多轮廓磨削法，对压气机叶片微沟槽进行磨削，沟槽宽度一般位于20～120 μm。汉诺威激光研究中心Siegel等采用飞秒激光加工技术对叶片沟槽结构进行加工，加工的沟槽深度为20 μm，加工后的压气机叶片在TFD进行风洞试验，减阻效果大于7.2%。在生物仿生结构直接复制方面，北京航空航天大学张德远等采用真空微热压印法直接生物仿生复制鲨鱼皮，最大减阻率达到8.25%。大连海洋大学的汪静等采用固化法直接仿生制备了具有和鲨鱼皮盾鳞一致的肋条结构薄膜。张德远等将软刻技术与接枝共聚技术结合，成形出一种兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌的复合减阻鲨鱼，在测试速度范围内最高减阻率达到24.6%。张德远等还采用微纳米滚压成形法制备仿生盾鳞结构。结论：工程领域实现应用的多为沟槽结构形式，如锯齿形、半圆形、刃型等，涉及的材料可以是金属、聚合物、陶瓷等。工程实际应用性强且易于实现，但减阻效果比盾鳞仿真结构形式差。盾鳞仿真结构直接复制的各种方法（如微热压印法、微塑铸法、微电铸法、软刻技术等）中均采用高聚物材料，未能实现盾鳞仿生减阻表面结构复制从非金属材料到金属材料的转变。这些制造方法并不适合在实验室之外的环境中应用，尽管高聚物材料沟槽可以展现相当好的减阻效果，可在真实物理环境中由于磨损，上述模型的减阻效果会很快消失殆尽。针对两种结构形式，典型的微尺度制造技术均需要特殊的加工手段，成本通常会随着尺度的减小而大幅增加，工程应用难以推广。进一步优化两种结构形式的制造方法，提高精度及效率、降低成本，尽量利用现有成熟技术的配套设施，寻求金属基盾鳞仿真结构直接复制的工艺方法，扩大工程应用。

来源出版物：塑性工程学报, 2014, 21(4): 56-62

入选年份：2014

军用飞机腐蚀防护与日历寿命研究

陈群志，康献海，刘健光，等

摘要：目的：腐蚀是飞机最普遍、最严重的损伤形式之一。飞机日历寿命与环境腐蚀密切相关，影响飞机腐蚀和日历寿命的因素众多，错综复杂。如何科学合理地确定和延长飞机的日历寿命已成为飞机寿命研究领域关注的难点和热点问题。方法：军用飞机使用寿命主要包含以飞行小时表示的疲劳寿命和以日历年表示的日历寿命两项指标。本文简要介绍了军用飞机日历寿命的定位与重要作用。列举了近年来国内外飞机发生的典型腐蚀故障案例。阐述了环境腐蚀对飞机的危害，腐蚀不仅会严重影响飞机的正常使用与维护，大幅度增加修理费用和难度，而且会增加飞行安全隐患，甚至引发重大事故。通过分析典型飞机的服役环境特点和使用维护情况，强调开展飞机结构腐蚀防护和日历寿命研究的重要性和紧迫性。就当前情况而言，确定和延长现役飞机日历寿命是亟待研究的重要课题，也是一个复杂的系统工程。结果：对现役飞机腐蚀防护和日历寿命存在的主要问题及原因进行了较全面的分析和梳理，基本上可概括为6方面：（1）现役飞机结构抗腐蚀设计技术与防腐措施的水平较低，结构抗腐蚀品质存在“先天不足”，加上缺少有效的腐蚀维修技术措施是导致飞机服役期间发生严重腐蚀问题的主要原因。（2）现役飞机疲劳定寿结论基本上是针对一般环境而言，未充分考虑环境腐蚀与疲劳载荷的综合作用，因而不适用于腐蚀环境下使用的飞机。（3）现役飞机的日历寿命主要凭经验或靠领先使用逐步给出，缺少科学合理的日历寿命定寿与延寿技术体系。（4）有相当多的飞机年平均飞行强度较低，当到达日历寿命时疲劳寿命还有很大余量，日历寿命与疲劳寿命不匹配的矛盾凸显。（5）日历寿命评定及抗腐蚀品质的有效性验证是新研制飞机一项不可或缺的重要内容，但目前还缺少较为成熟的方法。（6）非关键承力构件和机载成附件的腐蚀、老化问题是影响飞机日历寿命的重要因素，还缺少行之有效的技术措施予以解决。结论：重点阐述了当前应着力研究解决的5项关键技术。一是，将先进的防腐技术应用于飞机结构防腐改进中是提高现役飞机结构抗腐蚀品质，抑制或延缓腐蚀快速发展的主要措施。二是，完善飞机结构腐蚀维护与修理技术措施，编制配套的修理技术指南是提高现役飞机腐蚀修理质量的重要保证。三是，开展军用飞机结构腐蚀防护与日历寿命研究，离不开大量的环境腐蚀试验数据的支撑，建立科学的加速腐蚀试验方法及评定技术是一项非常重要的基础性工作。四是，建立合理的飞机结构腐蚀损伤等级与腐蚀损伤容限评估方法，是飞机结构安全使用和经济修理的可靠保证。五是，采用飞机腐蚀监（检）测技术与定期腐蚀检查相结合的方法，分析腐蚀原因、影响因素和规律，有利于及时发现腐蚀问题和苗头，预测腐蚀发展趋势。这是对军用飞机采取有针对性腐蚀预防措施的前提条件。

来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(4): 42741

入选年份：2015

基于RS-TOPSIS的再制造曲轴毛坯质量评价方法

温海骏，刘长义，刘从虎

摘要：目的：在全球能源日益紧张、自然环境持续恶化的情况下，再制造已成为促进节能减排、发展循环经济的有效途径和必然选择。再制造“毛坯”质量差异是造成再制造工艺路线和工艺时间具有高度不确定性的直接原因。本文针对再制造发动机曲轴，采用粗糙集属性约简方法及逼近理想解的排序法，探索再制造“毛坯”质量等级划分方法以便于最优控制策略的制定。方法：通过粗糙集属性约简，以去除与决策目标无关或相关性较小的冗余信息，首先对输入的连续变化的属性值，采用基于信息熵的粗糙集离散化算法将m维空间划分成有限个区域，从而进行离散化处理。进而找到不含多余属性并保证正确分类的最小属性集，得到离散化的决策表S及属性Pk的重要度SGF（Pk，D），并求解出各特征属性的权重。其次，在属性约简的基础上，建立了曲轴检测指标特征属性评价矩阵，并进行归一化处理，消除不同属性指标之间的量纲与数量级影响。再结合特征属性权重值和标准化决策矩阵计算加权标准化决策矩阵。确定了加权标准化决策矩阵V的正理想解和负理想解，并计算评价对象到理想解的距离。接着进行再制造曲轴质量指标相对贴近度的计算，通过对评价对象进行贴近度降序排列，获得再制造曲轴毛坯的质量等级评价结果。结果：从再制造曲轴“毛坯”质量的RS-TOPSIS模型评价结果可以看出，对于曲轴质量检测指标值C＝（s1，s2，…，s10），决策属性D＝（1，2，3，4）的研究实例，根据属性权重值分析可知，主轴颈最大磨损量、连杆颈最大磨损量、裂纹程度、径向跳动、主轴颈圆柱度对再制造曲轴质量等级划分的影响权重较大，轴向间距和扭曲度影响次之，主轴颈圆度，粗糙度，烧蚀程度属于冗余属性，基于这个结果获得了三级分层等级指标，各层特征属性按权重依次降低。根据指标分类区间上限构造的4个不同等级的典型样本和200组再制造曲轴检测学习样本，建立TOPSIS再制造曲轴质量等级评价模 型，并对检测样本进行回检，误判率最大为2.1%。模型判别结果与实际判断结果比较吻合，并且该方法具有较好的继承性。结论：针对再制造过程中影响废旧曲轴质量的不确定因素，确定以主轴颈最大磨损量、连杆颈最大磨损量等指标作为影响曲轴的质量因素，引入粗糙集理论的离散和约简算法实现对特征属性的约简和属性权重的计算，消除了冗余信息，实现了决策系统的 简化；结合多目标决策理论中的逼近理想解排序法，建立了RS-TOPSIS再制造曲轴质量评价模型，通过对3×200组样本数据进行学习，得到回收曲轴的质量分类贴近度区间，进而对学习样本进行回检，结果表明评价模型所得值能够与实测类别有效吻合，体现了评价模型的稳定性与高效性。该方法可以应用于再制造曲轴的质量评定，为再制造毛坯质量评价提供了快速有效的解决方法。

来源出版物：中国表面工程, 2015, 28(1): 101-108

入选年份：2015

大型铝合金曲面零件电磁渐进成形线圈结构优化设计

汪志强，黄亮，李建军，等

摘要：目的：随着汽车、航空、航天等领域制造业轻量化的发展要求，以铝合金为代表的轻金属材料应用日益增加。室温下铝合金具有密度小，比强度、比刚度高，优良的导电性、导热性和抗蚀等优点，可用于成形为汽车、航空、航天领域常用的大型曲面零件，但是在传统冲压成形工艺中，铝合金弹性模量较低，断裂延伸率小，均匀塑性变形延伸率低，成形性能较差。电磁成形具有加工能量易于精确控制、成形速度快、成形工件精度及表面质量高、模具简单等优点，此外变形速率的增加，体积力的作用效果更加显著，板坯极限变形能力提高，可克服铝合金在上述传统冲压工艺中的不足，为大型铝合金曲面零件的精确塑性成形提供了一种新方法。在大型铝合金曲面零件电磁成形工艺中，每一步成形过程都要求板料发生局部的均匀塑性变形，从而保证在下一步成形过程中，电磁成形线圈与板料能够紧密贴合且提高能量利用率、增大电磁力，从而使得板料发生连续渐进的塑性变形。线圈是电磁成形的核心部件之一，为材料发生塑性变形提供成形驱动力，线圈的结构显著影响电磁成形驱动力和电磁场的大小、分布。因此，针对大型铝合金曲面零件电磁渐进成形工艺方法和工件高速变形中板料不均匀塑性变形的特点，确定合理的电磁成形线圈是电磁成形工艺应用的关键技术。方法：采用有限元模拟和实验相结合的方法，研究线圈结构参数对大型铝合金曲面零件均匀塑性变形的影响，以及提出了一种非均匀截面的电磁成形线圈结构。结果：线圈层数增加，板料变形均匀性降低，而板料的变形量增大，多层线圈有利于提高线圈的强度和使用寿命；线圈匝间距与导线的宽度越接近，板料均匀变形效果越好；矩形导线截面的线圈相对圆形导线截面的线圈使板料变形更加均匀；线圈层间距和导线截面积对板料均匀变形影响不大，但是合理的结构参数可以提高线圈强度。提出了一种非等间距线圈结构，非等间距线圈产生的电磁场和电磁力是不均匀的，在板料半径1/3处受到的成形驱动力较大，而这种不均匀的变形力，进一步改善了电磁成形中板料的变形不均匀性，电磁成形平板线圈能与变形后的板料较好的贴合，使大型铝合金曲面零件电磁渐进成形能通过多次放电连续均匀塑性变形。通过实验验证了线圈结构优化设计的可靠性，实验结果与模拟结果基本一致，误差在12%以内。结论：为了确定能产生连续渐进的均匀塑性变形的电磁成形线圈，本文研究了线圈层数、线圈匝间距、线圈层间距、导线截面积和导线截面形状等线圈结构参数对大型铝合金曲面零件均匀塑性变形的影响，并对平板电磁成形线圈进行了结构优化设计，为大型铝合金曲面零件的电磁渐进成形工艺提供了理论和技术参考。

来源出版物：塑性工程学报, 2015, 22(6): 71-77

入选年份：2015

编辑：张宁宁