外文翻譯--冷鍛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì).doc

附錄1:翻譯（漢）冷鍛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)摘要：冷鍛技術(shù)是一種精密塑性成形工藝，具有切削加工不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的制造。本文從冷鍛零件的形狀、材料、工藝革新、生產(chǎn)率、數(shù)值模擬技術(shù)和數(shù)字化/智能化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用、以及優(yōu)化技術(shù)幾個(gè)方面綜合論述了冷鍛技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：冷鍛，工藝/模具設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬，基于知識(shí)的工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)優(yōu)化。冷鍛工藝是一種精密塑性成形技術(shù)，具有切削加工無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如制品的機(jī)械性能好，生產(chǎn)率高和材料利用率高，特別適合于大批量生產(chǎn)，而且可以作為最終產(chǎn)品的制造方法（net-shapeforming），在交通運(yùn)輸工具、航空航天和機(jī)床工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前汽車(chē)工業(yè)、摩托車(chē)工業(yè)和機(jī)床工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛這一傳統(tǒng)的技術(shù)的發(fā)展提供了原動(dòng)力，例如，我國(guó)1999年摩托車(chē)的全國(guó)總產(chǎn)量就有1126萬(wàn)多輛，而根據(jù)2000年的初步估計(jì)，我國(guó)汽車(chē)的總需求量到2005年將達(dá)到330萬(wàn)輛，其中轎車(chē)130-140萬(wàn)輛，僅汽車(chē)行業(yè)的鍛件需求在50-60萬(wàn)噸以上。冷鍛技術(shù)在我國(guó)的起步雖然不算太晚，但發(fā)展速度與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大的差距。到目前為止，我國(guó)生產(chǎn)的轎車(chē)上的冷鍛件重量不足20Kg，相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家的一半，開(kāi)發(fā)潛力很大。加強(qiáng)冷鍛技術(shù)開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用是我國(guó)目前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。1、冷鍛件的形狀越來(lái)越復(fù)雜冷鍛零件的形狀越來(lái)越趨于復(fù)雜，由最初的階梯軸、螺釘/螺母和導(dǎo)管等，發(fā)展到形狀復(fù)雜的零件，如圖1所示為不同尺寸的摩托車(chē)花鍵軸與花鍵套，花鍵軸的典型工藝為：正擠壓桿部-鐓粗中間頭部分-擠壓花鍵；花鍵套的主要工藝為：反擠壓杯形件-沖底制成環(huán)型件-正擠壓軸套。如圖2所示為汽車(chē)輸出軸與輸入軸，以及其他冷鍛制品。如圖3所示為我國(guó)采用擺動(dòng)碾壓技術(shù)制成的各種汽車(chē)/摩托車(chē)用錐齒輪、螺旋錐齒輪和其他圓盤(pán)類(lèi)零件，如圖4所示為日本某公司生產(chǎn)的冷鍛零件，圖4所示的渦旋增壓器，我國(guó)已經(jīng)列入國(guó)家“十五”攻關(guān)項(xiàng)目。目前圓柱齒輪的冷擠壓技術(shù)也成功用于生產(chǎn)。除黑色金屬外，目前銅合金、鎂合金和鋁合金材料的冷擠壓應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。2、持續(xù)不斷的工藝革新冷精鍛是一種(近)凈形成形工藝。采用該方法成形的零件強(qiáng)度和精度高,表面質(zhì)量好。當(dāng)前國(guó)外一臺(tái)普通轎車(chē)采用的冷鍛件總量4045Kg,其中齒形類(lèi)零件總量達(dá)10Kg以上。冷鍛成形的齒輪單件重量可達(dá)1Kg以上、齒形精度可達(dá)7級(jí)。持續(xù)不斷的工藝創(chuàng)新推動(dòng)了冷擠壓技術(shù)的發(fā)展，80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外精密鍛造專(zhuān)家開(kāi)始將分流鍛造理論應(yīng)用于正齒輪和螺旋齒輪的冷鍛成形。分流鍛造的主要原理是在毛坯或模具的成形部分建立一個(gè)材料的分流腔或分流通道。鍛造過(guò)程中，材料在充滿(mǎn)型腔的同時(shí)，部分材料流向分流腔或分流通道。分流鍛造技術(shù)的應(yīng)用,使較高精度齒輪的少、無(wú)切削加工迅速達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。提出，對(duì)于長(zhǎng)徑比為5的擠壓件，如活塞銷(xiāo)，采用軸向余料塊的方法通過(guò)軸向分流可以實(shí)現(xiàn)冷擠壓一次成形，而且凸模的穩(wěn)定性很好；對(duì)于扁平類(lèi)的直齒輪成形，采用徑向余料塊也可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的冷擠壓成形。閉塞鍛造是在封閉凹模內(nèi)通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)沖頭單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形,獲得無(wú)飛邊的近凈形精鍛件。一些轎車(chē)精密零件如行星和半軸齒輪、星形套、十字軸等如果采用切削加工方法,不僅材料利用率很低(平均不到40%),而且耗費(fèi)工時(shí)多,生產(chǎn)成本極高。國(guó)外采用閉塞鍛造技術(shù)生產(chǎn)這些凈形鍛件,省去絕大部分切削加工,成本大幅度降低。冷鍛技術(shù)的發(fā)展主要是開(kāi)發(fā)高附加值的產(chǎn)品,降低生產(chǎn)成本,同時(shí),它還在不斷地向切削、粉末冶金、鑄造、熱鍛、板料成形工藝等領(lǐng)域滲透或取而代之,也可以和這些工藝相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合工藝。提出的熱鍛-冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)。熱鍛-冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)是將熱鍛和冷鍛結(jié)合起來(lái)的一種新的精密金屬成形工藝，它充分利用了熱鍛和冷鍛各自的優(yōu)點(diǎn)：熱態(tài)下金屬塑性好，流動(dòng)應(yīng)力低，因此主要的變形過(guò)程用熱鍛來(lái)完成；冷鍛件的精度高，因此零件的重要尺寸用冷鍛工藝來(lái)最終成形零件。熱鍛-冷鍛復(fù)合塑性成形技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，90年代以來(lái)取得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，用該技術(shù)制造的零件，已取得了精度提高、成本降低的良好效果。圖1圖2圖3圖43、數(shù)值模擬技術(shù)用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性用冷鍛工藝成形零件時(shí)，由于金屬在冷態(tài)下發(fā)生塑性變形，其變形抗力很大，因此，零件的變形比較困難，變形過(guò)程中容易出現(xiàn)金屬充不滿(mǎn)、鍛件出現(xiàn)裂紋等缺陷。同時(shí)，過(guò)大的變形抗力會(huì)嚴(yán)重降低模具的使用壽命。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)金屬塑性成形的工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)一直采用傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)方法。這種設(shè)計(jì)方法難以滿(mǎn)足凈形制造工藝的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和70年代塑性有限元理論的發(fā)展，許多塑性成形過(guò)程中很難求解的問(wèn)題可以用有限元方法求解。在冷鍛成形工藝領(lǐng)域，通過(guò)建模和合適的邊界條件的確定,有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以很直觀地得到金屬流動(dòng)過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現(xiàn)的缺陷情況。這些重要信息的獲得對(duì)合理的模具結(jié)構(gòu),模具的選材、熱處理及成形工藝方案的最終確定有著重要的指導(dǎo)意義。目前的有效的數(shù)值模擬軟件是以剛塑性有限元法為基礎(chǔ)建立起來(lái)的,這些軟件有:DEFORM,QFORM，F(xiàn)ORGE，MSC/SUPERFORM等。運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)可用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性。如提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝:預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛,用三維有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,得到了鍛造載荷-行程曲線以及整個(gè)成形過(guò)程的應(yīng)力、應(yīng)變、速度分布等,并與傳統(tǒng)的閉式鐓擠工藝模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。分析表明,傳統(tǒng)的閉式鐓擠成形直齒圓柱齒輪,成形載荷大,不利于齒形的充填。采用預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛新工藝,可以大幅度降低成形載荷,并明顯改善材料的充填性,可以獲得齒形角部飽滿(mǎn)的齒輪。用三維大變形彈塑性有限元法對(duì)齒輪冷精鍛成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)以閉式模鍛為預(yù)鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值分析結(jié)果及工藝實(shí)驗(yàn)表明在終鍛中采取分流,尤其是約束孔分流措施對(duì)于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。4、數(shù)字化智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用4.1CAD/CAM技術(shù)在冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為了適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)鍛模開(kāi)發(fā)的短周期、高質(zhì)量、低成本要求，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論與方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是CAD技術(shù)的引入傳統(tǒng)的鍛模設(shè)計(jì)過(guò)程是鍛模設(shè)計(jì)領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。模具CAD技術(shù)以其高自動(dòng)化、高精度和高效益等優(yōu)勢(shì)正持續(xù)推動(dòng)著傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造方法的變革。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外許多單位開(kāi)始對(duì)鍛模CAD/CAM進(jìn)行了廣泛的研究，美國(guó)Ohio州的貝特爾哥倫布實(shí)驗(yàn)室的T.Altan等人首先開(kāi)發(fā)了軸對(duì)稱(chēng)鍛模CAD系統(tǒng)。前蘇聯(lián)的捷捷林等專(zhuān)家系統(tǒng)研究了模鍛設(shè)計(jì)自動(dòng)化和最優(yōu)化原理，從方法學(xué)、算法模型等方面提出了全套的理論，并開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)體類(lèi)鍛件的自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)在這方面的起步較晚，上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南昌大學(xué)等單位基于一定的平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了適用于不同種類(lèi)鍛件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但多數(shù)僅僅限于二維系統(tǒng)。到目前為止，雖然眾多的研究人員先后開(kāi)發(fā)了適用于不同零件的鍛模設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝和模具設(shè)計(jì)若干環(huán)節(jié)的自動(dòng)化和智能化，但是尚未有成熟的鍛模CAD/CAM系統(tǒng)推向市場(chǎng)，許多工程設(shè)計(jì)人員只能采用通用的機(jī)械CAD/CAM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。4.2基于知識(shí)的設(shè)計(jì)技術(shù)及其在冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用冷鍛成形工藝和模具設(shè)計(jì)是知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)密集型的過(guò)程，模具設(shè)計(jì)人員在長(zhǎng)期工作中積累的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)(Know-how)對(duì)模具設(shè)計(jì)有著十分重要的影響。傳統(tǒng)的CAD技術(shù)脫離了設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí),缺乏對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)的支持,難以勝任模具開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、短周期、低成本的要求。因此,需要將傳統(tǒng)的鍛模CAD技術(shù)提升到基于知識(shí)的設(shè)計(jì)層次。而實(shí)現(xiàn)這一飛躍的途徑是將人工智能（ArtificialIntelligence,AI）技術(shù)、基于知識(shí)的工程（Knowledge-basedEngineering,KBE）技術(shù)引入冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的CAX技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)基于知識(shí)的設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)?；谥R(shí)的工程（KnowledgeBasedEngineering,KBE）主要指應(yīng)用知識(shí)來(lái)解決各種工程問(wèn)題，是人工智能技術(shù)在工程中的應(yīng)用。由于冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)是一個(gè)包含了對(duì)知識(shí)的繼承、集成、創(chuàng)新和管理的復(fù)雜過(guò)程，引入基于知識(shí)的設(shè)計(jì)方法以后，跨領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)與知識(shí)共享能夠使得設(shè)計(jì)更加富有創(chuàng)造性和預(yù)見(jiàn)性，而且領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)的一致性保證了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率，大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。從而使整個(gè)設(shè)計(jì)模式從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。美國(guó)哥倫布貝特爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出基于知識(shí)的預(yù)鍛幾何尺寸的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，因設(shè)計(jì)預(yù)鍛件的形狀為空間幾何體，須對(duì)其幾何形狀進(jìn)行操作，故不能單純地用一般語(yǔ)言來(lái)描述推理過(guò)程。對(duì)于零件的幾何信息，采用框架方法表示，在框架中用不同的槽，定義出組成零件的基本成分和它們之間的拓?fù)潢P(guān)系。設(shè)計(jì)規(guī)則是用產(chǎn)生式規(guī)則表示，用OPS工具進(jìn)行推理。J.C.Choi和C.Kim開(kāi)發(fā)了基于知識(shí)的冷鍛件和熱鍛件集成工序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并分別建立了冷、熱鍛件工藝設(shè)計(jì)規(guī)則?；谥R(shí)設(shè)計(jì)方法在冷鍛成形工藝及模具的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，將徹底改變塑性成形傳統(tǒng)的依靠設(shè)計(jì)人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)修改、設(shè)計(jì)效率不高的狀態(tài)。它使用人工智能、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中從系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中提取合適的知識(shí)指導(dǎo)冷鍛成形工藝及模具設(shè)計(jì)。目前，該項(xiàng)技術(shù)正在進(jìn)一步發(fā)展之中，近年來(lái)，基于知識(shí)設(shè)計(jì)方法已成為鍛造成形工藝/模具設(shè)計(jì)智能化技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。5、優(yōu)化技術(shù)的引入隨著競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，低成本、高質(zhì)量和高效率是制造業(yè)所追求的目標(biāo)。在鍛造行業(yè)，為提高設(shè)計(jì)效率、降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須對(duì)鍛造工藝過(guò)程中影響鍛件質(zhì)量的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于鍛造變形是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)于其工藝參數(shù)的優(yōu)化采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難達(dá)到預(yù)期的效果，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和塑性有限元理論和技術(shù)的不斷發(fā)展和日益完善，以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用于各種金屬成形問(wèn)題的求解分析。因此，基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅是可能的，也是一種必然趨勢(shì)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，基于有限元分析的優(yōu)化方法中最具代表性的方法有基于靈敏度分析的優(yōu)化方法和基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法兩種。基于靈敏度分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法屬于梯度型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法在具體實(shí)施時(shí)，首先確定目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量，然后找出它們之間的關(guān)系，推導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度導(dǎo)數(shù)公式，根據(jù)設(shè)計(jì)變量的現(xiàn)有值求解出這些靈敏度信息，再利用優(yōu)化算法確定設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)搜索方向，得到更優(yōu)的設(shè)計(jì)變量，再求解靈敏度信息，如此反復(fù)，直到優(yōu)化迭代收斂?；谀繕?biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法來(lái)源于外推法。這種方法用簡(jiǎn)單的插值函數(shù)來(lái)近似逼近目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)求解這個(gè)近似函數(shù)的極值點(diǎn)來(lái)逼近真實(shí)函數(shù)的極值點(diǎn)。該方法用在鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值是通過(guò)有限元程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，一些通用的有限元分析軟件如(DEFORM、Marc)已廣泛應(yīng)用于鍛造成形過(guò)程的數(shù)值模擬，可十分方便地計(jì)算出應(yīng)力、應(yīng)變等信息，因此，基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)