工藝優(yōu)化的案例
大型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件夾雜缺陷預(yù)測與工藝優(yōu)化
大型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件夾雜缺陷預(yù)測與工藝優(yōu)化
沈 旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新
(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,湖南 長沙 430074)
摘 要：水輪機轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機的關(guān)鍵部件，是水流動能轉(zhuǎn)化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質(zhì)地制造水輪機轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件是高效、長效發(fā)電的基礎(chǔ)。本文以數(shù)值模擬為突破點，對水輪機轉(zhuǎn)輪用部件(上冠和下環(huán))鑄造過程的典型缺陷進行預(yù)測，結(jié)合缺陷結(jié)果對水輪機部件分別進行工藝優(yōu)化，以期獲得良好的鑄件。分析水輪機轉(zhuǎn)輪用下環(huán)鑄鋼件的典型缺陷，確定了夾雜為其主要缺陷。建立了夾雜粒子運動軌跡預(yù)測模型，對原始工藝水輪機轉(zhuǎn)輪用下環(huán)鑄鋼件進行充型過程流動分析及夾雜粒子運動軌跡預(yù)測，基于模擬分析手段，對下環(huán)鑄鋼件進行工藝優(yōu)化，對夾雜缺陷的消除與轉(zhuǎn)移具有良好的效果。通過對下環(huán)、上冠兩部分鑄件的鑄造工藝分析優(yōu)化，可以獲得質(zhì)量優(yōu)良的鑄件，為后續(xù)焊接成整個轉(zhuǎn)輪提供了強有力的方案支撐，對其他水輪機轉(zhuǎn)輪用鑄鋼件提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：缺陷預(yù)測；工藝優(yōu)化；鑄鋼件；
目前水力發(fā)電主要采用水電裝機將水力轉(zhuǎn)換為電力，這些水電裝機核心部件是水輪機。隨著水輪機容量增大，轉(zhuǎn)輪直徑變大，水輪機的制造也越來越困難。水輪機主要包括底環(huán)導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪體、支持蓋和受油器等，其中轉(zhuǎn)輪體是水輪機的主要運動部件，是控制水電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，同時也是易于摩損或損壞的關(guān)鍵部件。
水輪機輪轉(zhuǎn)體一般分為三個部分進行鑄造，分別為：上冠、葉片和下環(huán)，這三個部分鑄件鑄造的質(zhì)量決定了轉(zhuǎn)輪體的質(zhì)量，進而影響水輪機的運行效率與壽命。因此研究水輪機轉(zhuǎn)輪體部件鑄造工藝是保證水輪機質(zhì)量的前提。
水輪機部件鑄造過程中會產(chǎn)生多種缺陷，主要包括夾渣和縮松縮孔等。
展開 可視化公差分析在工藝優(yōu)化中的實際應(yīng)用
可視化公差分析在工藝優(yōu)化中的實際應(yīng)用從理論層面看，可視化公差分析并沒有擴充很多復(fù)雜的公式、指標，只是增加了一些新型的圖形化分析手段，比較典型的是“缺陷刻畫器”和“缺陷參數(shù)刻畫”，下面棣拓軟件將逐一介紹。
缺陷率
先看如圖三所示的“缺陷刻畫器”。圖中的橫軸代表某個工藝參數(shù)，縱軸代表流程最終的缺陷率，不同顏色（如藍色和紅色）的曲線代表該工藝參數(shù)對不同輸出規(guī)格限（如A和B）要求的影響規(guī)律。當然，我們最關(guān)注的還是那條黑色的曲線，它代表的是總體缺陷率，即所有超出各個輸出規(guī)格限的缺陷之和。這條黑色曲線的波谷位置就是最低總體缺陷率，與它對應(yīng)的工藝參數(shù)值往往就是最我們期望找到的最理想的工藝參數(shù)設(shè)定值。
再看如圖四所示的“缺陷參數(shù)刻畫”。同樣的是，圖中的橫軸代表某個工藝參數(shù)，縱軸代表流程最終的缺陷率。不同的是，四種不同顏色的曲線分別代表四種不同的工藝改進方法（調(diào)整平均值、縮小標準差、設(shè)定規(guī)格下限、設(shè)定規(guī)格上限）降低缺陷率的有效程度。實際工作中，調(diào)整平均值、縮小標準差這兩種方法用得較多。圖中一條紅色虛線代表工藝參數(shù)的當前平均值的所在位置，兩條藍色虛線代表當前的工藝參數(shù)加減一倍的當前標準差值后的位置。在該圖中可以看到，整個流程的最低缺陷率出現(xiàn)在“縮小標準差”曲線的波谷位置，說明當工藝優(yōu)化到一定程度后，通常縮小標準差是最能見效的工藝改進方法，當然其成本也很可能比其他幾種方法高，使用時應(yīng)當綜合考慮這些改進方法的利弊。
下面將結(jié)合一個案例分析（具體的計算分析還是通過專業(yè)統(tǒng)計分析軟件JMP實現(xiàn)），說明可視化公差分析在工藝優(yōu)化中的實際應(yīng)用。
在計算和檢驗回歸模型（過程略）之后，假定三種橡膠成分在生產(chǎn)過程中的變異服從正態(tài)分布，其均值等于上下公差的平均值，其標準差為公差范圍的1/6，則可以進行計算機模擬，得到與圖六類似的結(jié)果。
展開 汽車消聲器連結(jié)法蘭盤沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化
摘 要：選取了某企業(yè)生產(chǎn)的汽車消聲器連結(jié)法蘭盤零件為參數(shù)優(yōu)化對象。利用Dynaform軟件對零件沖壓過程進行有限元數(shù)值模擬并記錄27組實驗數(shù)據(jù)。建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練及測試，最后結(jié)合遺傳算法優(yōu)化工藝參數(shù)，得到最優(yōu)值的試驗條件為：壓邊力68kN,凸模圓角半徑12mm,摩擦系數(shù)0.12,凸凹模間隙2.5mm。經(jīng)過沖壓試驗，觀察該零件，成形質(zhì)量完好，孔口處未見明顯的開裂。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合優(yōu)化法蘭盤沖壓成形工藝參數(shù)的方法尋優(yōu)范圍更大，獲取的最優(yōu)值也更加準確。
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);遺傳算法;參數(shù)優(yōu)化;法蘭盤;沖壓成形;
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合可以解決很多參數(shù)優(yōu)化類的問題，在機械行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。利用有限元軟件Dynaform對汽車消聲器連結(jié)法蘭盤的圓孔翻邊過程進行模擬分析，影響其成形質(zhì)量的因素主要有凸模圓角半徑、壓邊力、摩擦系數(shù)和凸凹模間隙[1]。從理論上建立起成形質(zhì)量影響因素與試驗結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系是非常復(fù)雜的，準確描述兩者之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型是很難建立的。在這種情況下，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近非線性函數(shù)的特點，首先進行法蘭盤沖壓成形工藝參數(shù)對成形結(jié)果的預(yù)測，再結(jié)合遺傳算法尋找最優(yōu)的沖壓成形工藝參數(shù)。
工藝參數(shù)的優(yōu)化常采用的方法是對正交實驗獲得數(shù)據(jù)進行分析，選擇結(jié)果最好的實驗數(shù)據(jù)作為最優(yōu)的工藝參數(shù)。但是這種方法需要做大量的實驗，還要確保加工條件不能改變。目前關(guān)于沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化的研究主要有：李雷等[2]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對封頭成形工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到質(zhì)量優(yōu)異的封頭構(gòu)件。王泌寶[3]依據(jù)Autoform有限元軟件得到實驗值，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合工藝參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)之間的關(guān)系，并依據(jù)預(yù)測均方根誤差驗證了擬合的精確性。
展開 HPDC工藝優(yōu)化與成本降低
客戶案例研究：Project Engineering GmbH 實現(xiàn)鑄造工藝優(yōu)化并降低成本
Andreas Harborth, Project Engineering GmbH
Project Engineering GmbH 成功應(yīng)用 FLOW-3D CAST 在壓鑄工藝中生產(chǎn)最佳的油底殼蓋。
初始狀態(tài)：
? 年產(chǎn)量：60,000 件/年
? 沖頭直徑 100 mm
? 機臺噸位：1600噸
? 合金：EN AC-AlSi9Cu3(Fe)
? 毛坯重量：2885克
? 充型和凝固時間：26.5秒
最終客戶目標是在維持或提升產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)化工藝流程，實現(xiàn)成本下降 3%。
初始設(shè)計方案的鑄件
優(yōu)化目標：
? 提高鑄造效率
? 減少回收材料的重量（如流道和排氣系統(tǒng)）
? 縮短成型節(jié)拍時間
? 最大限度地降低廢品率，提高制程穩(wěn)定性
初步設(shè)計中確定的關(guān)鍵問題
? 通過評估初始方案發(fā)現(xiàn)以下特定領(lǐng)域需要改進：低填充率（23%）—低填充率和沖頭速度（0.15 m/s）導(dǎo)致第一階段循環(huán)時間較長。
? 鑄件與產(chǎn)品重量比高（2.2:1）－表示流道和多余材料占比較大，不僅增加材料回收成本，也對鎖模力和凝固時間提出更高要求。
? 廢品率高－由于空氣滯留，導(dǎo)致鑄件中孔隙率過高，暴露出當前排氣策略存在不足，急需優(yōu)化。
原始方案（氣體粒子）
原始方案（凝固順序）
使用 FLOW-3D CAST 進行優(yōu)化
通過重新設(shè)計澆鑄系統(tǒng)和填充策略，實現(xiàn)了性能與經(jīng)濟層面的顯著提升：
最終優(yōu)化后鑄件
? 收入增加 165% – 提高工藝效率使總收益從每年約€38,000 增加至 €100,000。
展開 
設(shè)計仿真 | Cradle CFD助力金屬3D打印工藝優(yōu)化
案例總結(jié)
應(yīng)用突破
? 量化溫度影響：建立粘結(jié)劑粘度-溫度-滲透行為的數(shù)學(xué)模型，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)；
? 工藝參數(shù)優(yōu)化：指導(dǎo)企業(yè)設(shè)定最佳溫度區(qū)間，平衡滲透深度與鋪展均勻性；
? 復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印：通過仿真預(yù)測液滴融合行為，避免層間粘結(jié)不足或過度滲透導(dǎo)致的缺陷；
? 成本與效率提升：減少試錯實驗次數(shù)，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。
未來展望
金屬粘結(jié)劑噴射技術(shù)的成熟，離不開CFD仿真工具的賦能。Cradle CFD憑借其多物理場耦合能力、高精度界面捕捉技術(shù)和高效計算性能，正在成為增材制造領(lǐng)域的核心研究工具。
這項研究不僅為金屬BJ工藝提供了科學(xué)指導(dǎo)，更彰顯了仿真技術(shù)從“輔助工具”向“決策引擎”的進化。在智能制造的時代浪潮下，Cradle CFD或?qū)⒊蔀橥苿庸I(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)工具。
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關(guān)于河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院
機械工程學(xué)院前身是始建于1903年的北洋工藝學(xué)堂機器科，是創(chuàng)建最早的系所之一，1958年更名機械系，1998年更名為機械工程學(xué)院。學(xué)院擁有機械工程、力學(xué)、儀器科學(xué)與技術(shù)3個一級學(xué)科。機械工程、機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程、車輛工程4個河北省重點學(xué)科。同時，學(xué)院建有機械工程、力學(xué)、儀器科學(xué)與技術(shù)3個一級學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點；機械工程、車輛工程、儀器儀表工程3個專業(yè)學(xué)位授權(quán)領(lǐng)域。機械工程學(xué)科為國家“211工程”重點建設(shè)學(xué)科和河北省強勢特色學(xué)科，同時被確定為世界一流學(xué)科“裝備工程與技術(shù)”學(xué)科群建設(shè)主要依托學(xué)科。
研究團隊：河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院楊偉東教授團隊
技術(shù)支持：海克斯康工業(yè)軟件Cradle CFD團隊
展開 高牌號球墨鑄鐵前蓋鑄造缺陷分析及工藝優(yōu)化
取消法蘭環(huán)冷鐵后，前蓋內(nèi)腔只有油槽處需要使用砂芯，其余部位可以通過吊砂工藝實現(xiàn)。因此重新對該產(chǎn)品進行工藝設(shè)計，分型面仍然選擇在法蘭面，鑄件全部置于下箱，鑄件內(nèi)腔通過吊砂形成，局部油槽放置一處小砂芯。這種設(shè)計，使砂芯重量從33 kg降低至0.5 kg，大大降低了制芯成本。
經(jīng)工藝優(yōu)化后，通過生產(chǎn)驗證，較好的解決了鑄件縮松問題，產(chǎn)品的砂孔、氣孔等廢品也顯著降低。產(chǎn)品批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，很好滿足了顧客的需要。
圖7 優(yōu)化工藝
4 結(jié)論
（1）內(nèi)冷鐵采用手工方式下入型腔時，不適用于大批量生產(chǎn)。內(nèi)冷鐵在解決鑄件縮松問題時，其對插入型腔的深度和垂直度都有很高的要求，僅適用于單件或小批量的生產(chǎn)驗證。在大批量生產(chǎn)中，內(nèi)冷鐵容易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)偏斜、氣孔、砂孔等廢品。
（2）外冷鐵的使用會降低產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，因此，在進行鑄件防縮設(shè)計時，盡可能采用熱冒口補縮，可大幅提高生產(chǎn)效率。
作者：高鳴，劉軍暉，陳闖，高存貞
單位：第一拖拉機股份有限公司 制造工程中心
來源：《鑄造》雜志202305期
展開 FLOW-3D亮相Formnext Asia深圳展，助力增材智造工藝優(yōu)化
# 一起回顧展會精彩瞬間 #
FLOW-3D AM
本屆展會，F(xiàn)LOW-3D 中國重點展出 FLOW-3D AM 增材智造工藝優(yōu)化仿真解決方案。
展會現(xiàn)場，F(xiàn)LOW-3D 中國通過LED大屏分享公司介紹、產(chǎn)品亮點和先進的增材制造仿真應(yīng)用案例，直觀展示 FLOW-3D AM 在增材制造流體仿真領(lǐng)域的領(lǐng)先實力。FLOW-3D 工程師與國內(nèi)外業(yè)界同仁友好交流，深入探討激光技術(shù)與增材制造工藝的前沿應(yīng)用。
FLOW-3D AM 軟件基于離散元方法（DEM）和計算流體動力學(xué)（CFD）為各種增材制造過程提供建模平臺，包括粉末床熔融、定向能量沉積、黏結(jié)劑噴射以及材料擠出等。
FLOW-3D AM 的自由液面跟蹤算法和多物理場建模功能可高精度模擬鋪粉、熔池動力學(xué)、孔隙形成、滲透和擴散，分析和優(yōu)化工藝參數(shù)。
圖片集錦
展開 直播預(yù)告-增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計-切片-工藝優(yōu)化仿真全流程解決方案
精彩直播預(yù)告
近年來增材制造廣泛應(yīng)用于航空、汽車、醫(yī)療、電子等眾多行業(yè)，但增材制造工藝過程中存在零件變形難以控制；殘余應(yīng)力難以測量和評估，極易造成開裂、刮刀碰撞、收縮線等風險；增材制造缺陷（球化，孔隙度等）普遍的問題。傳統(tǒng)的工藝改進和優(yōu)化主要依靠工藝試驗和人員經(jīng)驗，不僅對人員技術(shù)要求高而且試驗成本也很高。除此之外還有燒結(jié)模型的非線性補償難度較大、數(shù)據(jù)準備流程復(fù)雜、數(shù)據(jù)文件太大等問題存在。
針對以上問題，海克斯康工業(yè)軟件重磅推出增材制造工藝全流程解決方案，從前端高自由度、輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、多類型支撐創(chuàng)建、打印件定向，到中端工藝分析與優(yōu)化（鋪粉工藝分析、送絲送粉工藝分析、缺陷分析、粘結(jié)劑噴射成型分析、機加分析），至后端的數(shù)據(jù)準備（切片、填充等），都有海克斯康專業(yè)、高效、可靠的軟件方案為客戶解決實際問題。
本期海克斯康直播講堂請到了技術(shù)專家徐蕾為我們帶來增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計-切片-工藝優(yōu)化仿真全流程解決方案，從功能介紹到軟件操作到實際案例，逐一為我們講解海克斯康解決方案如何為客戶解決實際問題，歡迎預(yù)約報名！
展開 汽車橫梁管式內(nèi)高壓成形工藝優(yōu)化
根據(jù)現(xiàn)場情況制定出了優(yōu)化方案：模擬現(xiàn)場情況→與現(xiàn)場實物對比→優(yōu)化預(yù)成形型面→現(xiàn)場做零件驗證優(yōu)化工藝→對比總結(jié)。
圖 1 數(shù)模形狀
圖 2 工藝路線
圖 3 現(xiàn)場問題
按現(xiàn)場工藝用有限元軟件模擬
首先利用三維建模軟件提取出現(xiàn)場預(yù)成形、終成形模具的型面，導(dǎo)入有限元仿真軟件，再把現(xiàn)場正在用的工藝參數(shù)設(shè)置導(dǎo)入到有限元仿真軟件里，經(jīng)過計算機模擬預(yù)成形、終成形，計算得出現(xiàn)場型面和工藝下的零件模擬結(jié)果如圖4 所示。
圖 4 型面模擬結(jié)果
通過比較模擬結(jié)果和實際做出來零件，可以看出在零件端頭V 形面與平面過渡的地方都有起皺現(xiàn)象， 模擬貼模度為 2.2mm，實際零件貼模度為 3.1mm。所以有限元仿真軟件模擬的準確度還是比較高的，用它模擬出來的結(jié)果還是比較可信的。
分析并提出優(yōu)化方案
經(jīng)過仔細分析模擬成形的過程，發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵出在預(yù)成形階段。預(yù)成形階段形成的起皺是一個死皺， 在第二序有限的內(nèi)高壓脹形力下，很難達到預(yù)期的平面。零件端頭 V形面與平面過渡的地方起皺主要是因為凸模下行時，V 形面先接觸管料，此時未接觸的部分也因為帶料的原因，向管內(nèi)凹陷，但此時凹陷不是很多，僅僅是凹陷了很有限的一小段，而且凹陷的曲率比較大。隨著凸模繼續(xù)下行，端頭的平面部分也開始接觸管料，整個凸模長度上都有地方作用在管料上，此時之前凹陷的管端徹底沒有了支撐，直接凹陷下去，一直到管端。
并且在凸模平面沒有接觸到管料之前，雖有帶料凹陷，但凹陷不是很嚴重，可以在終成形的內(nèi)高壓下脹成平面。此時之所以凹陷不是很嚴重，是因為管端平面還沒有接觸到管料，管端圓形的結(jié)構(gòu)對凸模V 形部分的帶料有一個很好的支撐效果，一定程度上抑制了凹陷的進一步擴張。
展開 浙大伍廣朋研究員課題組《應(yīng)用化學(xué)》封面論文：聚碳酸環(huán)己撐酯光刻膠顯影工藝優(yōu)化
2017年，他們設(shè)計了聚苯乙烯-聚碳酸丙撐酯嵌段共聚物，利用工業(yè)界青睞的熱退火工藝在化學(xué)圖案上快速實現(xiàn)導(dǎo)向光刻，適用于7 nm節(jié)點處理器的制作（Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239）。2020年，他們進一步設(shè)計合成了半節(jié)距6納米的ABA型聚碳酸丙撐酯嵌段共聚物，實現(xiàn)了集成電路常用基本圖形的蝕刻(Nat. Commun., 2020, 11, 4151)。在此基礎(chǔ)上，他們與國內(nèi)外的多位研究者合作，開發(fā)出了具有高靈敏度的正性和負性二氧化碳基聚碳酸酯電子束光刻膠（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007417)。
眾所周知，顯影是光刻工藝流程中最為關(guān)鍵的步驟之一，在不同的顯影條件下，靈敏度、分辨率和粗糙度等參數(shù)會顯示出巨大差異，甚至出現(xiàn)正負性的反轉(zhuǎn)，從而對光刻結(jié)果和芯片良品率產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。雖然在之前的工作中，他們利用不同結(jié)構(gòu)的二氧化碳基聚碳酸酯得到了具有不同蝕刻性能光刻膠材料，但對于此類新型光刻膠材料的顯影條件和工藝優(yōu)化尚未全面深入。
針對這一問題，浙江大學(xué)伍廣朋課題組與光電科學(xué)與工程學(xué)院李強教授課題組再度合作，對聚碳酸環(huán)己撐酯電子束光刻膠的顯影工藝首次進行了系統(tǒng)的探究，優(yōu)化篩選出了最優(yōu)顯影劑正己烷，最佳顯影溫度0度，最佳顯影時間30 s。在該條件下，PCHC的靈敏度和對比度分別為208 μC/cm2和3.06，并實現(xiàn)了53 nm的分辨率，超過了廣泛使用的PMMA-950k電子束光刻膠，具有實用化前景。
圖1 聚碳酸環(huán)己撐酯(PCHC)的合成方法及其表征
研究者首先通過他們課題組近年開發(fā)的高活性無金屬催化劑合成了高分子量PCHC（J. Am. Chem.
展開 案例 | 汽車結(jié)構(gòu)件減震塔的鋁合金壓鑄工藝優(yōu)化
設(shè)計、優(yōu)化選出大型、復(fù)雜汽車結(jié)構(gòu)件——鋁合金減震塔的壓鑄澆注系統(tǒng)及溢流和排氣系統(tǒng)。
2. 利用數(shù)值模擬方法分析了減震塔零件的卷氣發(fā)生部位和區(qū)域，預(yù)測了壓鑄缺陷的種類及位置，以此為基礎(chǔ)更改了澆注系統(tǒng)的設(shè)計。
3. 在壁厚尺寸較大圓形結(jié)構(gòu)處容易發(fā)生卷氣現(xiàn)象和縮孔缺陷，采用局部冷卻方法等工藝措施，消除了缺陷，獲得整體質(zhì)量良好的鋁合金減震塔壓鑄件。
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大型支座鍛件工藝開發(fā)及優(yōu)化提高
圖8 鍛件優(yōu)化后模鍛工藝方案
結(jié)束語
針對大型鍛件模鍛工藝開發(fā)設(shè)計，借助DEFORM有限元模擬分析軟件，通過模擬分析整個鍛件成形過程，可以提前發(fā)現(xiàn)鍛件質(zhì)量隱患并進行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，找出最佳的模鍛工藝設(shè)計方案，縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本，使鍛件產(chǎn)品質(zhì)量得到可靠保證。
工藝設(shè)計優(yōu)化對汽車整車材料利用率提升的影響
隨著汽車行業(yè)競爭不斷加劇，現(xiàn)階段主要通過技術(shù)創(chuàng)新的手段提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時以工藝優(yōu)化的方式，實現(xiàn)降本增效。本文分析改變成形方式、落料排樣、廢料再利用、合模工藝、套件成形以及部分沖壓件板材選用激拼焊板等工藝設(shè)計優(yōu)化中材料利用率提升的方案，運用其工藝方法，有效的提升整車材料利用率，從而降低了產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。
隨著汽車行業(yè)競爭日益加劇，影響汽車競爭力的因素更加廣泛。除了汽車品牌、產(chǎn)品質(zhì)量、售后服務(wù)等因素外，成本和利潤也是影響汽車在行業(yè)競爭力的一個重要指標。在車身成本中，白車身成本占據(jù)重要的地位。沖壓作為汽車生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在工藝設(shè)計階段，通過工藝設(shè)計優(yōu)化和新技術(shù)的應(yīng)用，可以提高沖壓材料利用率，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，從而控制整車成本，提高產(chǎn)品收益。目前沖壓材料利用率提升技術(shù)的研究是眾多主機廠在產(chǎn)品開發(fā)中重要工作內(nèi)容之一。
材料利用率提升可通過多種工藝方法實現(xiàn)，如圖1 所示。本文通過分析產(chǎn)品工藝性，在產(chǎn)品設(shè)計階段及模具工藝設(shè)計階段，制定應(yīng)用新工藝技術(shù)，提高材料利用率。
零件形狀和分塊
在進行材料利用率分析之前需要了解沖壓件的初期工藝規(guī)劃，分析各工序的工作內(nèi)容，對模面和坯料形狀有基礎(chǔ)的構(gòu)思。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)階段可以從產(chǎn)品零件的分塊、產(chǎn)品局部特征的優(yōu)化修改和廢料再利用等角度考慮，如圖2(a)中所示沖壓件，檢查產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分塊是否有利于廢料的減少和材料利用率的提升。圖2(a)中結(jié)構(gòu)分塊不合理，因形狀的特殊性，會產(chǎn)生較多的廢料。圖2(b)中修改零件的分塊特征，將圖2(a)的一個零件分為兩個零件，分件后兩種零件的形狀都相對比較規(guī)則，可以使材料利用率有較大提高。
圖1 材料利用率提升相關(guān)工藝方法
圖2 零件分塊
成形方式的選擇
零件特有的形狀和特征，是通過模具凸凹模型面來獲得的。
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TA15 小鍛件沖擊性能提升鍛造工藝方案優(yōu)化
圖2 工藝試驗件A、B、C、D 制坯尺寸圖
⑶鍛件E、F，下料尺寸φ50mm×120mm，其余按現(xiàn)有工藝進行鍛造，其工藝試驗鍛造工序為加熱(T
β-45 ℃保溫40min)→制坯→空冷→加熱(T
β-45℃保溫40min)→模鍛一火(保留4mm 欠壓)→空冷→加熱(T
β-45℃保溫45min)→模鍛二火(保留1mm 欠壓)→空冷，坯料尺寸如圖3 所示。
圖3 工藝試驗件 E、F 制坯尺寸圖
工藝優(yōu)化思路
延長鍛造過程中的加熱保溫時間
根據(jù)621 所研究成果《熱處理工藝對TA15 鈦合金沖擊性能的影響》，當片層α 較厚時可提高鍛件沖擊性能。延長鍛造過程中的加熱保溫時間，可增加鍛件片層α 中的厚度，有利于提高鍛件沖擊性能。
減小坯料尺寸
該鍛件下料偏大，制坯和模鍛過程中金屬沿縱向流動量不足，沿橫向流出量過多，易導(dǎo)致取樣位置處沖擊試樣的實際流線轉(zhuǎn)變方向。經(jīng)咨詢原材料廠家，TA15 小規(guī)格棒材的橫向沖擊較縱向沖擊低10%～20%，當金屬流線轉(zhuǎn)變方向后，沖擊性能可能發(fā)生較大衰減。
減小坯料尺寸后，制坯過程中金屬沿縱向流動量增加，沿橫向流出量減少，可有效減少金屬流線轉(zhuǎn)向程度，進而提高沖擊性能。
試驗結(jié)果分析
對各個鍛件檢測一個拉伸性能和兩個沖擊性能，并在沖擊試樣的斷口上檢測高倍，其性能結(jié)果見表1，高倍組織圖片如圖4 所示。
對比工藝試驗件性能和高倍組織，得到以下結(jié)論：
⑴從A ～F 鍛件，同一高倍視場中次生α 的形態(tài)更細更長；同一高倍視場中的等軸α 越來越少，次生α 和β 相越來越多。
分析：每一火次中，鍛件出爐的順序是A ～F，即從A ～F 鍛件總加熱保溫時間越來越長。加熱保溫時間越長，初生α 的溶解度越高，鍛后等軸α 殘留越少，次生α 和β 相越多。
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