5、精密鍛造工（gōng）藝優化

無論是正向模擬還是反向模擬，都可歸結為利用數值模擬技術進行設計結果驗證的試（shì）錯法。其基本思路（lù）仍與傳統的試錯法一（yī）樣，隻不過所（suǒ）用的驗（yàn）證手段不同，對不合理設計的修改還需要由設計者根（gēn）據經驗提出，設計過程的自動化程度還很低。為了提高精密鍛造設備工藝和模具設計的效率（lǜ）和可靠性，近年來國內外學者對精密鍛（duàn）造過程工藝（yì）與模具的（de）優化設計進行了大量研究，並取得了較（jiào）大進展（zhǎn）。

精密鍛造過程工藝與模具的優化設計，一般以工藝參數或模具的（de）形狀為設（shè）計變量，以工件的（de）形（xíng）狀或物（wù）理性能為目標函數，以（yǐ）有限元法方法為（wéi）目標函數的計算器。采用高效的優（yōu）化算法，實現工藝參數與模具形狀的自動優化。目前（qián），常用到的優化方法包括（kuò）：基於（yú）梯度的靈敏度分析優化算法，以及基於全局尋優的遺傳算法。

5.1靈敏度分析法

基於靈敏度分析的優化方法將精密鍛造設備過程的預成形設計和（hé）模具設（shè）計問（wèn）題處理為優化問題，用嚴（yán）密的（de）數學公式進行描述，將優化（huà）問題的目標函數定義為一組給定設計（jì）變量中（zhōng）所希望的最（zuì）終（zhōng）狀態和數值（zhí）計算狀態之間的誤（wù）差的某種程（chéng）度。

靈敏度分析（xī）的（de）方法需要計（jì）算（suàn）目標函數對預成形參數的靈敏度信（xìn）息(導數)，然後采用高效的優化算法進行優（yōu）化設計。Zabar as等對靈敏度方法在鍛造成形工藝優化中的應用（yòng）進行研究，采用該（gāi）方（fāng）法進行了預成型形狀、模具設計、零件的微觀組織等多個問題（tí）進行了研究。

趙國群等以實際終（zhōng）鍛件形狀與理想終鍛件形狀不重合區域的麵積作（zuò）為目標函數，以預成形（xíng）模具的B樣（yàng）條控製點作為優化設（shè）計變量，對（duì）預鍛設備模（mó）具的形狀進行了優化。將靈敏度分析法推廣到了鍛造過程的（de）微觀組（zǔ）織方麵，以減小整個鍛件上平均晶粒尺寸的平均值為目標，提（tí）出了一種基於靈敏度分析的用於優化鍛造過（guò）程中微觀組織的新算法（fǎ）。

靈（líng）敏度分析的優化方法效（xiào）率高、收斂快，在鍛造工藝和模（mó）具優化設計（jì）中得到了廣泛的（de）應用，並取得（dé）了很好的效果。由於靈敏（mǐn）度分析方法，需要用嚴密（mì）的數學公式對優化（huà）模型進行描述，並（bìng）求解計（jì）算目標函數對預成形（xíng）參數的靈敏度信（xìn）息。對（duì）於三（sān）維複雜的鍛造過程來（lái）說，計算過程異常複雜，給程序設計帶來困難，同時也降低了計算的效率。因此，目前靈（líng）敏度分析的優化方法主要應用於平麵和軸對（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化算法，它借鑒生物界自然選擇和進化機製發展起來的高度（dù）並行、隨機（jī）、自適應搜索算法，它通過自然選擇、遺傳、變異等作用（yòng）機製，實（shí）現了各個個體的適應性的提高（gāo），並逐步使種群進化到包含近似最優解的狀態。

遺傳算法仍屬隨機型（xíng）算法範疇，與多數隨機（jī）型（xíng）方法（fǎ）不（bú）同的是（shì），它僅搜索那些最有可能找（zhǎo）到優化方案的局部區域，效率較高。由於精密鍛造過程的優化的目標函數，通過有限元模擬進行求解，效率很低。因此，一般選（xuǎn）擇群體規（guī）模較少的微觀遺傳算法作為優化算法。

羅（luó）仁平等采用微觀遺傳算法對平麵應變方坯鐓（duì）粗和軸（zhóu）對稱H型截麵零件的鍛造進行了預成形優（yōu）化設計；管婧（jìng）以鍛件形狀和鍛件微（wēi）觀組織分布均勻性為優化目標，采用微（wēi）觀遺傳算法對鍛造（zào）成形過程進行多目標優化研究，取得（dé）了良（liáng）好的（de）效果。遺傳（chuán）算法穩定性、可收斂性強，對問（wèn）題的複雜程度不敏感，理論上可以用於任何的精密鍛造工藝（yì）與（yǔ）模（mó）具的優化設計。

由於其收斂速度（dù）慢，而優化的目標函數求解困難、效率低，造成了優化過程的計算（suàn）時間過長，影（yǐng）響了其在工程實踐中的應用。兩種算法的比較來看（kàn），基於靈敏度的優化方法比遺傳算法收斂快，但是程序設計複雜。靈（líng）敏（mǐn）度的優化方法對模型的複雜程度（dù）比較敏感，因此在模型簡單（dān）、明確時選用基於（yú）靈（líng）敏（mǐn）度的優化方法，模（mó）型複雜、不明確是選用遺傳算法。

6精密鍛造發展趨勢的展望

精密鍛造成形作為一種高效、節材的加工方法（fǎ）受到越來越多企業的重視，隨著製造（zào）業的飛速發展，以及製造業企業市（shì）場競爭的日趨劇烈，企業（yè）對於精密鍛造設備工藝的要求越來越高，也對精密鍛造成形技術的研究提出了新的（de）挑戰（zhàn），未來對於精密鍛造（zào）成形的研究主要包括如下幾個方麵。

6.1工件質量的進一步提高

為了進一步降低成本（běn），目前精密鍛造成形已經由精化毛坯的準淨成形向直接（jiē）生產零件的淨成形發展。提高工件（jiàn）的（de）尺寸精度是精密鍛造成形工藝研究的重點方（fāng）向，研（yán）究的內（nèi）容主（zhǔ）要包（bāo）括如下幾個方麵。

1)鍛（duàn）造係統的彈性補償。精密鍛（duàn）造過程（chéng）中，變形抗力較大，模具、鍛（duàn）造（zào）設備和以及工件本身不可避免的發生彈性變形，並直接影響鍛件的精度。對整個鍛造係統的（de）彈性（xìng）補償是進一步提高（gāo）精密鍛造成形精度（dù）的關鍵問題，也是一個難點問題。

2)複合工藝方法的開發（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，這就需要開發複合成形工藝，將不同溫度或（huò）不同工藝方法的精（jīng）密成形工藝（yì）結合起來，取長補短共同完成一個零件的加（jiā）工製造，提（tí）高精密成形工藝的加工精度和應用範圍。

6.2多元化材料的應用

隨著製（zhì）造業的發（fā）展，材料應用由傳統的黑色金屬向（xiàng）多元化材料發展（zhǎn）。例（lì）如（rú）在汽車、航天、能源領域（yù）大量（liàng）應用（yòng）各種高強度的合金鋼和（hé）特殊材（cái）料，如鈦合金等；在高速列車、大型飛機等製造（zào）領域，大量應用性能質量比較高的（de）輕質合金，如鋁合金（jīn）、鎂合（hé）金等。特種材料的精密成形是（shì）今後精密鍛造成形的研究熱點。

6.3多尺度工件的加工

隨著製造（zào）業的發（fā）展，機械零件向著極端化方向發展（zhǎn）。例（lì）如近年來，以形狀尺寸微小或操作尺度（dù）極小為特征的微機電係統，受到（dào）人們的高度重視，精密儀器、生物醫療等（děng）領域廣泛應（yīng）用，而（ér）由於“尺寸效應”的影（yǐng）響，關（guān）於微塑性成形技術的研究已經成為各（gè）國學者關注的焦點和學科的前沿。同樣由於國家（jiā）建設的需要，近（jìn）年來出現了大量的大型機械零件，它們的精密鍛造成形也是研究的熱（rè）點問題。

6.4設計周（zhōu）期的縮短

隨著經濟全球化的進一步發展，製（zhì）造業企業的競爭日趨激烈，產品更新換代速度加（jiā）快，要求企業縮短產品的設計、製造周期，對於精密鍛造成形也是一樣。提高精密成形工藝的設計效率主（zhǔ）要依靠先進的CAD， CAM， CAE係統， 以及智能化的工藝優化（huà）設（shè）計係統。CAD， CAM， CAE技術（shù）及其在精密鍛造成形中的應用已經相對成熟，而智（zhì）能化的工藝優（yōu）化設（shè）計係（xì）統，目前處（chù）於（yú）研究和探索階段，是今後研究的主要方向。

加工變形，拉（lā）伸強度會大幅提高、衝擊值會大大降低。奧氏體不鏽鋼在冷加工時容易產生上述缺陷。有晶間腐蝕的鋼（gāng），稍受力（lì）即沿晶界開裂或粉碎開裂，晶間（jiān）腐蝕後進行了彎曲試驗，彎曲部分未出現上述現（xiàn）象，說明熱煨後的組織結構得到充分軟化（huà），並具有很好的延展性，其應力也（yě）得到了很好（hǎo）的消除。

在感應熱煨過程中，由於在碳化鉻最容易產生的450~870℃範圍內加熱、冷卻（què）時保持的時間非（fēi）常短，使處於固（gù）溶狀態的不鏽鋼組織來不及（jí）析出（chū）碳化鉻。另外，加熱溫度達到了1050~1150℃，加熱後急速冷卻，和固溶處理的條（tiáo）件相似，不會發生晶（jīng）間（jiān）腐蝕現象，上述結果也證明了這一結論。

3結論（lùn）

采用感（gǎn）應加熱技術彎曲（qǔ）變形加（jiā）工，在極短的時間(約幾十秒左右)內將處於固溶狀態的奧氏體不鏽鋼（gāng）加（jiā）熱到1050~1150℃，並急（jí）速冷卻，各項力學性（xìng）能和組（zǔ）織沒有發生太大的變化，直接使用不會發生晶間腐蝕或者（zhě）晶界（jiè）斷裂現象，可以不進行固溶或（huò）消除應力等處理。

由於感應加熱時間非常短，致使感應熱煨加工的彎管表麵氧化層很薄，非常容易進行酸洗。而且由於感（gǎn）應加（jiā）熱徑向加熱溫度均勻（yún），使熱煨後彎管（guǎn）各（gè）部分的性能相差很小。采用感應加熱技術（shù），管內不會出現由於填沙等（děng）造成的異物附著現象，具有良好的外（wài）觀和形狀。

作者：王忠雷 趙國群(1.山東大學模具工程技術研究（jiū）中心（xīn），濟（jì）南250061；2.山東建築大學機電工程學院，濟南250101)

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