基于成形过程的闭塞式冷锻工艺优化*

黄珍媛 章弦 郭雷 阮锋

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640)

锻造是一种非常重要的塑性加工方法，主要用于加工机械、航天航空、交通运输、桥梁建筑等行业中负载高、工作条件严峻的重要零部件.闭塞式冷锻是近年来发展十分迅速的一种精密锻造工艺［1-2］，具有高效率、高性能、低消耗等特点;其成形过程是先将可分凹模闭合，并对闭合的凹模施加足够的合模力，然后用一个冲头或多个冲头，从一个方向或多个方向对模膛内的坯料进行挤压成形［3］.金属填充性和成形力是衡量闭塞式锻造工艺质量的重要参数指标，优化工艺参数使两者均达到最优化是一个非常复杂的问题，其影响因素很多，传统的试错方法很难实现这种多目标的同时优化.近几年来，有限元仿真技术被广泛应用于锻造工艺参数的优化设计，取得了很好的效果［4-6］.

金属填充性和成形力是衡量闭塞式冷锻工艺成败的两个重要指标.闭塞式冷锻成形过程按照成形特点可以分为两个阶段.第1阶段是初始成形阶段，即金属由开始变形至金属基本充满模膛，金属的流动和填充主要发生在这个阶段，但是这个阶段的成形力相对较小，且增加相对较慢;第2阶段是充满阶段，即第1阶段结束到金属完全充满模膛，成形力在这个阶段的结束时刻达到最大，比第1阶段增大2～3倍，但是这个阶段金属的填充量很小［7］.因此，单纯在某个阶段同时考查和优化金属填充性和成形力无法使冷锻工艺参数达到最佳效果.很多学者采用多目标优化方法对锻造最终成形过程进行了研究［8-11］.文中将结合有限元模拟试验和多目标优化方法，针对锻造初始成形过程和最终成形过程两个不同阶段，分别优化金属填充性和成形力，使工艺参数达到最优值.

1 模具结构设计

本研究以某听筒零部件T形铁为例，其基本外形如图1所示，零件材料为低碳钢AISI1008，成份与国产08F相近，被广泛应用于手机听筒、耳麦、耳塞等小型电声设备.

图1 T形铁冷锻件(单位:mm)Fig.1 Cold forging part with T shape(Unit:mm)

考虑到零件尺寸小、形状简单、尺寸精度要求高、需求量很大等特点，实际生产中该类型的电子零部件常采用级进模精密冷锻的方式生产［12-15］.针对该听筒零件特点和级进模特点，设计了如图2所示的闭塞式冷锻模具结构.该模具结构是在小飞边模锻基础上改进而来的［16］，主要由凸模、凹模、阻力环组成;在阻力环与凹模之间形成了飞边槽高度h;成形过程中h保持恒定，能容纳多余金属［17-18］，从而起到分流槽或分流孔的作用.

图2 闭塞式冷锻模具结构Fig.2 Structure of block-type cold forging die

2 基于基本成形阶段的金属填充性优化

选取闭塞式冷锻工艺的主要工艺参数作为影响因子，构建了表1所示的5因素4 水平正交试验方案，进行了16组有限元模拟试验，以金属填充性(用充填入模膛的金属体积V表征)作为评价指标，获得初始的冷锻工艺优化参数.在有限元模拟中，设定凸模下压量为0.5 mm，保证模拟过程处在初始成形阶段，金属材料未充满模具型腔.

表1 正交试验方案1)Table 1 Orthogonal test plan

通过试验获得了保证填充性能最好的一组工艺参数:a为105°，r为0.8mm，h为0.2mm，μ1为0.08，μ2为0.08.

再次进行的模拟试验验证结果也表明，在凸模下压量约为0.453 mm时金属材料已经基本流入模膛，此时的成形力为181kN.

3 基于充满阶段的成形力优化

3.1 目标函数值拟合优化方法的提出

使用目标函数值拟合方法进行工艺参数优化的过程如下:在正交试验获取的优化工艺参数组的基础上，选择对成形力影响最为显著的工艺参数项m=xi作为优化对象，利用目标函数值拟合方法得出在保证填充效果的同时，使成形力达到最小的m值，从而得到一组最优参数组.

表2列出了金属填充性和成形力的极差分析值表，结果表明飞边槽高度h对金属填充性和成形力的影响最显著，明显超出其他因素的影响.飞边槽高度增加，金属填充性降低，成形力将大大下降，因此以下将选择飞边槽高度作为优化对象.

表2 极差分析值Table 2 Range value analysis

3.2 优化过程和结果

在第一次优化工艺参数组其他参数项设置不变的情况下，选取5个飞边槽高度值进行有限元模拟试验.测量各试验中型腔充满时的凸模下压量s，可以得到试验数据如表3所示.

表3 飞边槽高度与凸模下压量关系Table 3 Relationship between flash-slot height and reduction of punch moving

对表3中的试验数据进行二次多项式拟合，可以得到型腔充满时的凸模下压量s与飞边槽高度h之间的函数关系:

拟合曲线如图3所示.

图3 飞边槽高度和凸模下压量的拟合曲线Fig.3 Fitting curve of flash-slot height versus reduction of punch

本模具结构所设定的凸模最大下压量为0.65mm，但为了保证更好的充满效果，预留一定余量，取s=0.6 mm.根据式(1)可以解得保证型腔充满的飞边槽最大高度为0.38 mm.此时可以得到闭塞式模锻工艺方案的一组新的优化参数组，为a=105°，r=0.8mm，h=0.375mm，μ1=0.08，μ2=0.08.

采用以上工艺参数进行有限元模拟试验.当凸模下压量达到0.6mm时的速度场如图4所示，结果显示此时型腔中的材料基本不再流动，型腔达到充满状态.凸模下压量与成形力的关系如图5所示.从图形中可以看出最大成形力为133 kN，与之前的成形结果相比，此时充满阶段的最大成形力下降了26.5%.

图4 s=0.6mm时的速度场Fig.4 Velocity field when s=0.6mm

图5 最终优化工艺参数条件下的成形力曲线Fig.5 Forming load curve related to the final optimum process parameters

4 工艺试验

为了验证文中优化方法的正确性，设计了工艺试验对最终优化工艺参数组进行物理试验.试验用坯料如图6所示，坯料采用线切割加工.根据文献［19］建议，试验中采用油+石墨的润滑方式，以保证摩擦系数在0.08～0.10的范围.试验采用不同的凸模下压量，将零件头部的成形高度与有限元模拟结果进行了对比.

图6 试验坯料Fig.6 Blank for test

图7为不同凸模下压量下零件的实际成形效果.试验零件头部的成形高度与有限元模拟结果的对比如图8所示.结果显示，有限元模拟结果与工艺试验结果基本吻合.因为阻力环上的连接桥让位槽在一定程度上减小了飞边槽的阻力，使得当凸模下压量超过0.30mm时，试验中的成形高度略小于模拟结果.

图7 试验样品Fig.7 Test samples

图8 试验结果与模拟结果的对比Fig.8 Contrast between experimental results and simulated ones

5 结语

文中提出了一种基于成形过程的闭塞式冷锻工艺参数优化方法.该方法首先结合有限元模拟和正交试验方法，以金属填充性为优化目标对基本填充阶段的闭塞式冷锻成形工艺参数进行优化;然后在此基础上，以成形力为优化目标继续对飞边槽高度进行优化，得出一组工程上容易实现的优化工艺参数.试验结果显示，采用优化的工艺参数后，某听筒T形铁零件的闭塞式冷锻工艺在保证填充性的基础上，成形力大大降低.研究结果表明，该优化方法不仅准确合理，而且简单易行，值得在实际生产中推广.

［1］陈学文，陈军，赵震，等.冷锻技术的发展现状与趋势［J］.金属成形工艺，2005，21(5):9-11.Chen Xue-jun，Chen Jun，Zhao Zhen，et al.State of the art and advance of cold forging technology［J］.Metal Forming Technology，2005，21(5):9-11.

［2］Tamotsu Nakamura，Kozo Osakada.Research and development on precision forging technology in Japan ［J］.Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers，2005，26(4):339-346.

［3］吕炎.精密塑性体积成形技术［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［4］Zadshakoyan M，Abdi Sobbouhi E，Jafarzadeh H.Investigation of precision forging process of spur gears:Numerical analysis and experiments［J］.Advanced Materials Research，2012，341/342:265-270.

［5］Wang W W，Song J L，Han F，et al.Numerical analysis on precision forging of 7A09 aluminum impeller［J］.Materials Science Forum，2009，628/629:535-540.

［6］陈学文，陈军，左四雨，等.基于有限元分析的锻造工艺优化技术研究现状与趋势［J］.锻压装备与锻造技术，2004(5):14-18.Chen Xue-wen，Chen Jun，Zuo Si-yu，et al.Research ＆development of forging optimization technique based on finite element analysis［J］.China Metal Forming Equipment＆ Manufacturing Technology，2004(5):14-18.

［7］吕炎.锻造工艺学［M］.北京:机械工业出版社，1995.

［8］赵新海，赵国群，王广春，等.锻造预成形多目标优化设计的研究［J］.机械工程学报，2002，38(4):62-65.Zhao Xin-hai，Zhao Guo-qun，Wang Guang-chun，et al.Multiple objective optimal perform die shape design in metal forging［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2002，38(4):62-65.

［9］WeiFeng，Lin Hua.Multi-objectiveoptimization of process parameters for the helical gear precision forging by using taguchi method ［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2011，25(6):1519-1527.

［10］贺小明，来新民，于忠奇.控制微观组织和材料损伤的锻造工艺多目标优化［J］.上海交通大学学报，2007，41(10):1603-1607.He Xiao-ming，Lai Xin-ming，Yu Zhong-qi.Multi-objecitve optimization of forging process to control the mi-crostructure and damage of material［J］.Journal of Shang Hai Jiao Tong University，2007，41(10):1603-1607.

［11］Roy S，Ghosh S，Shivpuri R.A new approach to optimal design of multistage metal forming processes with micro genetic algorithms［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，1997，37(1):29-44.

［12］Park K.Precision forging design and analysis in electronics part manufacturing［J］.Journal of Engineering Manufacture，1999，213(B1):11-20.

［13］Tsai Sheng-chi.The precision cold forging of the strip material in the progressive die process［J］.Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers，2005(4):397-400.

［14］Tai C W，Tsai H C，Tsai S C.The development of cold forging progressive die technology for the case of slim type spindle motor［J］.Advance Meterial Research，2005，6/7/8:337-342.

［15］阮锋，黄珍媛，周驰，等.IT制件高速精密级进模的研究［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2007，35(10):44-48.Ruan Feng，Huang Zhen-yuan，Zhou Chi，et al.Review of high-speed＆precise progressive dies of IT products［J］.Journal of South China University of Technology.:Natural Science Edition，2007，35(10):44-48.

［16］张永亮.锻上小飞边模锻工艺的研究与应用［J］.锻压技术，1987(6):41-44.Zhang Yong-liang.Research and application of the die forging with small flash on the forging hammer［J］.Forging ＆ Stamping Technology，1987(6):41-44.

［17］黄珍媛，郭雷，阮锋.听筒T铁级进模冷锻工艺研究［J］.锻压技术，2009，34(5):80-84.Huang Zhen-yuan，Guo Lei，Ruan Feng.Research on cold forging process of progressive die of T iron for telephone receiver［J］.Forging ＆ Stamping Technology，2009，34(5):80-84.

［18］黄珍媛，郭雷，阮锋.听筒T铁精密冷锻级进模开发［J］.模具工业，2009，35(4):30-33.Huang Zhen-yuan，Guo Lei，Ruan Feng.Development of precision cold forging progressive die for T-iron of telephone receiver［J］.Die ＆ Mold Industry，2009，35(4):30-33.

［19］闫洪，周天瑞.塑性成形原理［M］.北京:清华大学出版社，2006.