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精细化自由锻工艺及其专家软件的研究

摘要:本文针对精细化自由锻工艺发展的方向和需求,分析了现有精细化工艺技术及其存在的问题,提出了精细化拔长工艺及其软件方案,介绍了细化拔长工艺专家软件的雏形、特征和应用。该研究

对企业解决自由锻锻件质量不稳定问题和深入推广自由锻工艺质量精细化控制方法有重要的方向指导意义和实际应用价值。

 

关键词:自由锻  精细化工艺  稳定质量  专家软件  研究

1     引言

自由锻中,大锻件与小锻件相比,锻压工艺设计上,除了同样要保证产品成形,更多要考虑的是大锻件的内在质量。相比之下,大锻件的锻造工艺过程更为复杂、技术和质量要求更加高。一般情况下,掌握了大锻件的质量控制技术,也就掌握了中小锻件的质量控制技术。

近年来,中国大锻件制造能力水平上有了突飞猛进的发展,无论是大锻件单件的吨位还是总量吨位,都已名列世界前茅。但是,中国大锻件制造的质量水平上相对还不稳定,合格率也不高,稳定控制大锻件的质量一直是个难题。中国大锻件企业普遍存在这样的情况,一件干成功了,下一件就不一定成功。企业常常难以确切知道大锻件好是怎么好的,坏是怎么坏的。

大锻件造价昂贵,一件一旦报废,损失非常巨大。产品质量的废损直接影响到了企业的经济效益,也消耗了大量能源资源并恶化了现有的地球环境。为此,稳定控制自由锻质量,尤其是稳定控制大型自由锻的质量,就成了整个自由锻行业迫切需要解决的问题和不断研究的内容。

自由锻,尤其是大型自由锻,其生产特点是单件小批量,锻造中金属毛坯只部分表面与工具相接触,变化比较自由。因此,“自由”的概念除了变形比较自由外,其基本含义在实际生产中也常常被潜移默化地放大了。由于人的天性是向往“自由”,锻造工艺的灵活性和生产操作的个性化也就自然成了理所当然和天经地义的“自由”。就是因为这种“自由”给自由锻的生产带来了便利,同时也给产品质量的稳定控制带来了很大问题。

越来越多的企业和专家们正在认识到,用精细化工艺和非自由化工艺的概念是解决自由锻质量不稳定的必要措施和发展方向。

    实际上,国际上发达国家在精细化工艺的研究和应用上起步很早,甚至已经非常成熟。但是这些研究和技术成果是技术诀窍(Know how),不会轻易外传。比如,20世纪80年代我国部分重机厂(包括上重)引进了日本室兰自由锻工艺。其中WHF (wide flat anvil high temperature forging,宽砧高温强压)锻造法针对单次压下量和每次进砧量做出了详细和确切的规定,就是典型的精细化工艺方法。实践证明,这种细化工艺的WHF法为提高和稳定电站转子等大锻件的质量发挥了巨大作用,已经成为引进技术基础技术。这也进一步证明了用精细化工艺是解决自由锻锻件质量不稳定的必要措施和发展方向。

    关于大锻件科学定量和精细的控制方法,所能检索到的具体和可用的参考文献和资料极为有限。它方向虽然已经被认可,但其进一步的发展一直是步履艰难。然而,随着一系列大锻件相关边缘学科的研究、对工艺系统化和最优化的研究、对质量控制技术的深入研究,如大锻件小样本统计学的研究、大锻件工艺参数化的研究、新一代大锻件质量控制系统的研究等,进一步深入推广大锻件科学定量和精细的控制方法已经具备了一定的基础。

    本文针对精细化自由锻工艺发展的方向和需求,分析了现有精细化工艺技术及其存在的问题,研究并提出了精细化拔长工艺及其软件方案,介绍了细化拔长工艺专家软件的雏形、特征和应用。该研究对企业解决自由锻锻件质量不稳定问题和深入推广自由锻工艺质量精细化控制方法有重要的方向指导意义和实际应用价值。

2   现有细化工艺技术及其问题

2.1 引进国外工艺的精细化和现状

    二战时期及以前,德国就应用了精细化锻造技术,确保了那个时代德国的锻造技术在世界上绝对领先。就连1946年发表的《英国人智力目标》一书中也提出要学习德国锻造师锻造转子的精细化方法。

近代,国外著名的用拔长实现中心压实的主要方法有:JTS (Japanese Tateno and Sikano,差温硬壳锻造),WHF,SUF(Side Upset Forging,矩形截面侧镦粗锻造),FM (Free  from  Mannesmann Effect,无拉应力效应锻造)。这些方法都是由日本专家提出的,其主要特点也是精细化。其中JTS,WHF和SUF最早应用日本室兰工厂,FM应用于日本神户工厂。    I

    在20世纪80年代第二重型机器厂、上海重型机器厂向日本室兰制钢所引进了冷热轧辊、火电汽轮机和发电机、核电压力壳等锻件的生产技术。锻造技术上主要是WHF和JTS。尤其是引进了WHF压下量表。该表对每一趟拔长的压下量都给出了具体的控制要求。这些技术至今仍然是中国大锻件关键锻造技术基础的重要部分,继续为中国大锻件的生产发挥着重要的作用。

    日本引进技术快30年了,许多技术已经被透露、扩散、流传和公布到了网络上。除了详细的WHF压下量表,在网络上我们还可以轻而易举地从文库中搜索到WHF文章。其中介绍早期日本室兰关于展宽系数的计算公式:

a=0.78-0.14Ho

镦粗后的第一、二趟的a为(JSW推荐第一、二趟均为0.36)。

    然而,30年来,锻件产品尺寸在增加、工具尺寸在更新、人员新老交替在变化。一些年轻的工艺人员在编制工艺时,只是根据开始尺寸和目标尺寸把几十年前引进的WHF压下量表直接拷贝到工艺上。他们只知其然,不知其所以然。这种条件下,应用引进技术的压下量表,或许让初始尺寸匹配上了,但若缺少基本应用原理指导,很容易忽略工具条件、进砧操作条件和有效拔长趟数。这样会导致达不到用拔长来实现中心压实的目的,甚至可能会恶化锻件内部原有的缺陷。年轻一代的工艺人员和操作者在精细化工艺的设计和实施过程中,比较容易出现偏离本来的精细化工艺原理、出现盲目“拷贝走样”而导致的质量不稳定问题。

2.2国内工艺精细化研究和现状

2.2.1刘助柏教授的研究

    刘助柏教授研究出了平砧拔长矩形截面的新理论和新FM锻造法,在传统砧宽比(砧子宽度w/坯料高度H)的基础上提出了料宽比(坯料宽度B/坯料高度H)的概念。强调只有同时控制这两个参数在一定范围内,才能有效地控制锻件的质量。为此,还给出了定义:

压下率:∩=(H。-H) /H。 

式中,H。为变形前坯料高度(或直径),H为变形后坯料高度

展宽率:∮= (B-B。)/B。

式中,B。为变形前坯料宽度(或直径),B为变形后坯料宽度

B=(1+∮)B。

对于平砧拔长矩形截面的新理论和新FM锻造法,是假定一定的砧宽比、送进量与料宽,用理论推导加实验方法,确定出展宽率与压下率的关系式,并给出展宽率与压下率对应的数值表。通过所介绍的原理和针对性计算,可以导出细化的工艺。

刘助柏教授把他的细化工艺方法在齐齐哈尔钢厂和陕西重型机器厂进行了试验和应用,大大提高了锻件产品的探伤合格率。

    该研究虽然给出了确保自由锻质量的精细化锻造方法的力学原理,但是,对于普通技术人员,若想根据上述理论直接得到可实用的精细化锻造方法并编制出具体的锻造工艺还不是一件容易的事。

2.2.2任猛博士的研究

    任猛傅士也是根据实验方法加理论推导,研究出了细化工艺的大型压机工艺手册。尽管试验和应用条件不同,但有与从日本室兰引进的压下量表计算公式有异曲同工的妙用。

    对于展宽系数,任猛博士针对平砧拔长研究的结果是:

第一趟:a1=0.473(W。/H);

第二趟:a2=0.43(W。/H)

其它趟:a3=0.782-0.182 (H/ W。)   

    由于民营企业较多使用上平砧下大平台的设备工装进行拔长,决定了民营企业在条件普遍都易于应用FM锻造法。

    任猛博士注意到了民营企业设备工装特点,专门针对亚洲重工集团的实际情况,把他在上下平砧上研究的结果直接应用到编制FM工艺手册当中,并举例给出了部分计算结果。

    该研究为在自由锻企业中自主研究推广应用大锻件质量控制细化工艺技术做出了表率,是企业应有的发展方向。但是,(1)研究者承认,将上下平砧试验和计算出的展宽系数直接用于FM锻造会导致坯料的截面尺寸稍微大一点,即会产生一些偏差;(2)该手册是针对一个特定企业编制的,对于其它企业,即使你得到全部手册的内容,也未必适合应用。

2.3问题归纳

    现有精细化锻造工艺的主要发展是在拔长工艺上。但是目前主要存在如下问题:

2.3.1.引进的国外技术,缺少对原理的紧密捆绑匹配。简单直接应用引进技术的压下量表,或许初始尺寸匹配上了,但因为缺少应用原理指导,容易造成工具条件、进砧操作条件和有效拔长趟数等条件不匹配,这样会导致达不到中心压实的目的,甚至还可能恶化锻件的内部缺陷;

2.3.2.国内细化工艺的原理方法也已经研究出来,但对具体实施上所需要的数据表,通常还需要聘请专家到一个企业,根据实际情况编制专用的手册。否则,抄来的技术数据毫无意义,应用起来还很可能会弄巧成拙、恶化锻件的内部缺陷;

2.3.3.国内外对拔长坯料的展宽计算方法有很多种研究,本文就提到了三种。究竟哪个方法准确?哪个方法更适合自己的企业?这需要通过实践来验证。但是,你即使获得任何一种方法的应用都需要聘请专家来帮助,如何能有机会对三种方法进行对比?

    精细化拔长工艺专家方案和软件将能帮你解决上述三个问题。

3    精细化拔长工艺专家软件的设计方案

3.1专家软件的设计方案

首先,选择锻造方法:比如,选WHF法,则工具条件为上下平砧;选FM法,则工具条件为上平砧下大平台。

    其次,考虑中心压实的工艺条件,选择输入两个初始参数:比如,对于上下平砧拔长,有实现中心压实的必要性条件:在相对送进量≥0.4,压下率≥20%。由此条件下可推导出拔长锻造比公式:

     1. 71(2D0 /5L)2    (L/ D0 <O.4)

Q={

      1.71       (L/ Do≥0.4)

    式中,D0为拔长前坯料的初始直径或高度,L为进砧量。

    进砧量L,拔长前坯料的初始直径或高度D0为两个需要输入的初始参数。要针对自己的情况选择性输入。

    完整考虑中心压实的工艺条件,还需要选择输入必要的过程目标参数:(a)对变形过程选择有:方变方,圆变方、方变圆、圆变圆;(b)对目标类型选择有:最低中心压实条件、指定拔长比、指定目标尺寸。若选择了指定目标尺寸,还需要输入具体的目标尺寸。对于所输入的指定目标尺寸,系统还会进行自动工艺专家经验和智能的判断及报警:太大时将提醒达不到中心压实条件;太小时将提醒拔长比太大,有可能造成显微组织引起的各向异性。

    对于坯料尺寸变化控制,需要应用展宽算法。软件将设计三种方法供选择。三种算法为:JSW算法;划助柏算法;任猛算法。这三种方法同时存在,以便在以后实际应用中对比它们的效果,最后获得最满意的算法。

    在输出格式方面:可以纵向输出,也可以纵向加横向输出,以便在工艺卡片上合理安排排版。

    另外,根据方法特点和专家经验,自动处理拔长压下量、拔长翻转顺序、角度等输出。

3.2问题的解决

(l)通过必要的条件输入,输出完全匹配的压下量控制表和必要的拔长趟数,解决了引进技术缺少原理捆绑一体的问题。

(2)通过专家经验和软件智能计算,相当于把专家请来服务很多天编制很厚的手册表格;该软件还能立刻按你的格式和目标需要输出细化、优化的工艺计算表,相当于专家手把手教你如何快速选择和拷贝表格数据;减少了必须请专家到自己企业根据实际情况编制手册表格并现场应用指导的问题。

(3)软件提供了三种展宽计算方法供任意选择,解决了传统难以选择对比三种展宽计算方法的问题。

专家软件雏形展示

专家软件的雏形是用EXCELL VBA编制的。在一家企业中试用,用户反映效果良好。其界面见图1。

锻压工艺专家软件系列    2014-3-16版本号:FMO1

自动输出保证中心压实压下量表的软件

                            C:\

图1 专家软件雏形界面

图1中:

l一选择工艺方法:有FM,WHF供选择,雏形软件的FM已经可用;

2一输入进砧量:进砧量的大小对中心压实的效果至关重要;一般情况下,一个火次的进砧量要稳定,这样才可以根据中心压实的条件,计算出合理的压下量表;

3一输入初始尺寸:即拔长开始尺寸;

4一选择变形过程:有方变方、圆变方、方变圆、圆变圆供选择,雏形软件的方变方已经可用;

5一选择目标类型:有最低中心压实条件、指定拔长比、指定目标尺寸供选择,雏形软件的三种选择均已经可用:

6一锻件目标值:在选择目标类型时选择了指定目标尺寸时需要输入;

7一选择输出格式:为了让输出的表格能在拷贝到工艺卡上时有适当的位置摆放,有竖排、横排供选择,雏形软件的竖排已经可用;

8一分割数:输入l表示竖排到底,如图1显示的14趟;如果输入2,则先竖排7趟,右侧再竖排7趟;

9一选择展宽算法:有日本室兰展宽计算、刘助柏展宽算法、任猛展宽算法供选择,雏形软件的刘助柏展宽算法已经可用;

10一点击运行:刷新输出结果,如图l中的计算输出下的表格数据。

讨论和结论

以上研究表明,该细化拔长工艺专家软件的雏形,充分考虑了工艺原理,站在工艺质量控制专家的角度、根据实际情况对工艺进行了细化计算,同时给出了自动化的应用输出,同时解决了工艺简单失控和对中心压实工艺错误理解和照搬的问题,对企业解决自由锻锻件质量不稳定问题和深入推广自由锻工艺质量精细化控制方法有重要的方向指导意义和实际应用价值。

当然,细化工艺专家软件目前还只是雏形,仍处在起步阶段,它将会不断得到改进和提高。



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