齊作玉

(外資企業(yè)獨立撰稿人，上海200240)

1 大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的意義

高水平的計算機(jī)輔助工藝編制CAPP (Computer Aided Process Planning)需要以工藝參數(shù)化為基礎(chǔ)。有了工藝參數(shù)化才能實現(xiàn)CAPP的自動化，才能通過自動化工藝的生成來減少不必要的人機(jī)對話，才能提高工藝水平和編制工藝的效率。

參數(shù)化在CAPP上一直被一些人認(rèn)為是技術(shù)上難以解決的問題。實際上，之所以現(xiàn)實工藝參數(shù)化的研究進(jìn)展比較緩慢，成果不夠豐富，尤其是大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的研究進(jìn)展比較緩慢，其主要原因還是人們對大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化研究的重要性認(rèn)識不足或持有偏見。

參數(shù)化的成果的確是實現(xiàn)高水平CAPP的基礎(chǔ)。但如果僅僅是為了CAPP，就容易把參數(shù)化的研究推托給純粹的計算機(jī)編程人員或非重要崗位的工藝人員，其結(jié)果也就難以真正實現(xiàn)工藝參數(shù)化。

大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的含義主要是，將大鍛件鍛壓工藝的參數(shù)用科學(xué)的函數(shù)式來予以表達(dá)，對工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化和實現(xiàn)公式化。

大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化是以業(yè)務(wù)需求為目標(biāo)，以經(jīng)驗實驗結(jié)果為依據(jù)，以數(shù)學(xué)力學(xué)方法為工具，經(jīng)過系統(tǒng)性的推導(dǎo)和優(yōu)化得出的。

大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化需要由具有復(fù)合型知識和經(jīng)驗的工藝研究者來完成。

大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的意義可以歸納為如下幾點：

(1)它是改進(jìn)傳統(tǒng)工藝和實現(xiàn)工藝創(chuàng)新的基礎(chǔ)；

(2)它是實現(xiàn)先進(jìn)生產(chǎn)管理信息化的基礎(chǔ)；

(3)它是工藝試驗研究和產(chǎn)品質(zhì)量分析控制的基礎(chǔ)；

(4)它具有工藝標(biāo)準(zhǔn)化的作用，即系統(tǒng)化和最優(yōu)化的作用。

近些年來，我國的大鍛件鍛壓生產(chǎn)技術(shù)有了很大的發(fā)展。但是，另一方面，國內(nèi)企業(yè)卻面臨生產(chǎn)能力不平衡、經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境起伏波動、市場價格激烈競爭、客戶的產(chǎn)品質(zhì)量和交貨要求不斷提升等等新的問題和挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下，一個及時重視大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的企業(yè)將會是戰(zhàn)略上領(lǐng)先和成功的企業(yè)，一定會在未來更加激烈競爭的市場環(huán)境下脫穎而出。

本文介紹了大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化在工藝節(jié)約材料、工藝質(zhì)量控制、工藝規(guī)范編制方面的應(yīng)用。

2 參數(shù)化鍛造工藝節(jié)材

為了實現(xiàn)精益生產(chǎn)、消除一切浪費、提高效率、不斷改進(jìn)流程，有大量的工作需要去完成。對于自由鍛技術(shù)人員，尤其需要重視工藝方面的改進(jìn)和系統(tǒng)化工作，需要進(jìn)行精細(xì)化、參數(shù)化、定量化的分析研究，實現(xiàn)工藝節(jié)材。通過工藝方面的改進(jìn)和系統(tǒng)化工作所產(chǎn)生的效果比生產(chǎn)流程的其它各個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的效果都顯著。下面介紹兩個自由鍛工藝節(jié)材的實際例子，該實例不僅可以幫助節(jié)約材料，還可用于CAPP或管理信息系統(tǒng)。

(1)多件拼鍛節(jié)材的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[1]

為了節(jié)材，大鍛件生產(chǎn)常采用一錠多件拼鍛。傳統(tǒng)工藝上，一錠多件拼鍛的選擇比較粗略，滿足于“可行”。多件拼鍛節(jié)材的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型將提供最優(yōu)方案，對節(jié)材意義重大。

根據(jù)最優(yōu)化設(shè)計的計算方法、物理模型，經(jīng)過推導(dǎo)可以得出，多件拼鍛節(jié)材的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

目標(biāo)，鋼錠利用率最高：

約束條件，鋼錠足可鍛出拼鍛的鍛件：

式中，Wi是第i個鋼錠的公稱可用重量，mi是需要逐步試算的、可能的所需第i個鋼錠的數(shù)目，n是鋼錠系列的型號總數(shù)，ci是第i個鍛件重量加上工藝廢料，nci是第i個鍛件的訂貨數(shù)量，k是所訂的鍛件品種數(shù)目。

當(dāng)然這個模型還可以根據(jù)需要調(diào)整目標(biāo)和約束條件。比如，為了質(zhì)量控制、保證鍛造比，需要增加約束條件；為了平衡設(shè)備能力，保證按約束理論設(shè)計的先進(jìn)生產(chǎn)計劃，也需要增加特殊約束條件。

(2)鍛件斜面余塊尺寸的精確確定節(jié)材[2]

一些自由鍛鍛件(比如錘頭)機(jī)加工零件圖上要求有一定角度的斜面。通常是沒有專用工裝的，生產(chǎn)中很難將斜面直接鍛造出來。故鍛造工藝上需要添加斜面余塊。

傳統(tǒng)上確定斜面余塊尺寸往往憑個人經(jīng)驗，原則是要寧大勿小，比如直接把小臺階與過渡圓弧的切點視為臺階軸的位置來添加余塊，以保證機(jī)加工尺寸的安全。因此，實際上會造成增加機(jī)加工的工時和材料的浪費，同時增加了生產(chǎn)企業(yè)與客戶的成本。

經(jīng)過幾何推導(dǎo)，參見圖1，可以得出精確確定鍛件斜面余塊尺寸的公式。

過渡圓弧圓心O距大臺階D點的水平距離：

P=tgα(b-a-R)+R/cosα

式中，α為斜面與垂直線的夾角，b為大臺階高度，a為小臺階高度，R為過渡圓弧半徑。

余塊尺寸：

X2=P-r+Δ(r≤R) 或

X2=P-R+Δ(r>R)

圖1 鍛件斜面余塊計算簡圖Figure 1 The diagram for calculating the forging berel face spare block

式中，r為鍛壓砧子的圓角半徑，Δ為機(jī)加工余量。

3 參數(shù)化鍛造工藝質(zhì)量控制

參數(shù)化鍛造工藝的意義除了便于CAPP的開發(fā)應(yīng)用，更重要的是便于系統(tǒng)化最優(yōu)化控制鍛件質(zhì)量。這種參數(shù)化的過程是對國內(nèi)外先進(jìn)實用研究成果的消化吸收和推廣應(yīng)用，包括對實驗和物理模擬成果的相似性驗證、消化吸收和推廣應(yīng)用。為什么數(shù)值模擬技術(shù)在模鍛或沖壓都可以廣泛應(yīng)用而在自由鍛卻沒被看好？其中一個重要原因是自由鍛鍛造工藝參數(shù)化比較薄弱。有了參數(shù)化的鍛造工藝，也會對于建立驗證或調(diào)整數(shù)值模擬技術(shù)的邊界條件帶來極大的方便。參數(shù)化鍛造工藝包含但不局限于鍛造變形參數(shù)的確定。下面只介紹兩個鍛造變形參數(shù)化的實例。

(1)鋼錠鐓粗工藝條件[3]

鐓粗是自由鍛最基本的工序之一。鋼錠鐓粗鍛造比對鍛件內(nèi)部質(zhì)量和后續(xù)工序質(zhì)量有很大影響。根據(jù)實驗結(jié)果，推導(dǎo)出鐓粗鍛造比的計算公式：

直接鍛合鋼錠內(nèi)部缺陷所需鐓粗比的計算

式中，H0為鋼錠錠身長，D0為鋼錠錠身平均直徑。

拔長前的預(yù)鐓粗鍛造比，即中間鐓粗比的計算

式中，H0為鋼錠錠身長，D0為鋼錠錠身平均直徑。

根據(jù)上面的結(jié)果，可以認(rèn)為，傳統(tǒng)上，有些工廠把所有鋼錠的預(yù)鐓粗鍛造比λ都定為2，實際上是不合適的。

(2)坯料拔長工藝條件[4]

拔長是大型自由鍛生產(chǎn)鍛合內(nèi)部缺陷最重要的工序之一。根據(jù)實驗研究成果和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在相對送進(jìn)量達(dá)到0.4，壓下率20%的條件下，可以得出拔長工藝實現(xiàn)中心壓實的必要條件：

拔長鍛造比公式：

式中，D0為拔長前坯料的初始直徑，L為進(jìn)砧量。

4 參數(shù)化鍛造加熱規(guī)范

自由鍛生產(chǎn)中，鋼錠或鋼坯鍛前加熱是十分重要的。它對提高生產(chǎn)率、保證質(zhì)量和節(jié)約能源等都有直接影響。更新或修訂加熱規(guī)范是標(biāo)準(zhǔn)化的工作，很有必要。但標(biāo)準(zhǔn)化工作不能簡單照抄以前的數(shù)據(jù)表，也不應(yīng)當(dāng)根據(jù)某些經(jīng)驗和條件的變化就簡單調(diào)整幾個加熱數(shù)據(jù)。這樣不僅不能得到科學(xué)穩(wěn)定的改進(jìn)，還可能會造成質(zhì)量問題。加熱規(guī)范的改進(jìn)應(yīng)當(dāng)以系統(tǒng)化和最優(yōu)化方式進(jìn)行修正和調(diào)整，包括研究補(bǔ)充基準(zhǔn)和計算公式、結(jié)合基準(zhǔn)和計算公式來吸收和消化先進(jìn)的知識和經(jīng)驗。

(1)冷錠加熱[5]

以鋼加熱學(xué)為理論基礎(chǔ)，以實際加熱經(jīng)驗數(shù)據(jù)為計算參考修正因子，對冷錠加熱規(guī)范的計算基準(zhǔn)公式進(jìn)行推導(dǎo)，就可以得出如下結(jié)果，用于鋼錠鍛前加熱規(guī)范的編制，并為進(jìn)一步系統(tǒng)化最優(yōu)化更新或修正加熱規(guī)范提供依據(jù)。

冷鋼錠的鋼種可按塑性和導(dǎo)熱性分為三組，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。

I組鋼加熱的允許裝爐溫度tⅠ(℃)計算公式為：

tⅠ=1 350×(0.255/R)1/2-273

式中，R為鋼錠的半徑(m)。

II組鋼加熱的允許裝爐溫度tⅡ(℃)計算公式為：

tⅡ=(tI+273)×0.9-273

III組鋼加熱的允許裝爐溫度tⅢ(℃)計算公式為：

tⅢ=(tI+273)×0.9-273

目前許多大型自由鍛生產(chǎn)廠都采用五段式加熱，我們采用表1來表示加熱時間的計算式。

表1 五段式加熱計算式Table 1 The calculation for mula for five step forging heating

D為鋼錠直徑(m)，τ為時間(h)。

(2)半熱錠加熱[6]

半熱錠是介于冷錠和熱錠之間的一種鋼錠，它不僅包括裝爐前表面溫度在400～550℃的熱送鋼錠，也包括在550～650℃下較長時間待料的熱送鋼錠。

對于半熱錠，按冷錠加熱則增加燃料消耗，降低生產(chǎn)率；按熱錠加熱則可能引起鋼錠開裂，造成報廢。

合理加熱半熱錠需要在700～750℃下進(jìn)行均熱，均熱后方可按熱錠加熱升溫。根據(jù)鋼加熱學(xué)和加熱經(jīng)驗，可以推導(dǎo)出均熱時間計算公式

τ=5.4·R2

式中，τ為均熱時間(h)；R為鋼錠半徑(m)。

5 參數(shù)化在信息化上的應(yīng)用舉例[8]

“傻瓜”一詞在許多場合并非貶義。比如傻瓜相機(jī)早已廣為普及并深受大眾喜愛。

我國從開始應(yīng)用計算機(jī)編制大鍛件鍛壓工藝到現(xiàn)在已經(jīng)快有30年歷史了。但是，CAPP并沒有得到普及和發(fā)揮應(yīng)有的作用。其主要原因之一是還不夠“傻瓜”。

光軸類產(chǎn)品的鍛壓工藝傻瓜軟件早在1995年就開發(fā)成功。其特點是，不需要專業(yè)的鍛壓工藝人員就可以使用，比如負(fù)責(zé)接訂單的鍛件銷售人員，只要輸入基本的需求信息，計算機(jī)就可打印出先進(jìn)的工藝數(shù)據(jù)，繪圖儀就會自動輸出經(jīng)過運算和優(yōu)化的工藝卡片。

當(dāng)時的鍛壓工藝傻瓜軟件，在計算機(jī)方面充分綜合運用了數(shù)據(jù)庫、高級語言、繪圖軟件及其編程、繪圖機(jī)硬件的設(shè)置，在工藝方面它靈活應(yīng)用了前面的參數(shù)化鍛造工藝節(jié)材及質(zhì)量控制，它還給出如下啟示：

鍛壓工藝傻瓜軟件與非傻瓜軟件的主要區(qū)別是：其應(yīng)用對象不再局限于鍛壓工藝的專業(yè)人員，而是讓外行人也能使用。其目的一方面是減輕鍛壓技術(shù)人員的工作量，就像會使用老式相機(jī)的人也都喜愛傻瓜相機(jī)一樣；另一方面是非專業(yè)人員也可以使用它，比如銷售人員和計劃人員可以使用它，這樣就可以提高整體運營方面的效率，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程改進(jìn)。

鍛壓工藝軟件要做到傻瓜，開發(fā)上離不開專家，需要具有復(fù)合型的知識和技術(shù)，能對工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化和最優(yōu)化的專家。

[1] 齊作玉.鍛件多件拼鍛節(jié)材的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.大型鑄鍛件，1994，(1)：13-44.

[2] 齊作玉.鍛件斜面余塊尺寸的精確確定法.熱加工工藝，1990，(4)：57-58.

[3] 齊作玉.選擇鋼錠鐓粗比的計算法.鍛壓機(jī)械，1990，(5)：46-47.

[4] 齊作玉，劉助柏.中心壓實工藝的必要條件及其應(yīng)用.鍛壓技術(shù)，1990，(5)：5-8.

[5] 齊作玉.冷錠加熱規(guī)范計算基準(zhǔn)的研究.大型鑄鍛件，1994，1. 6-9.

[6] 齊作玉.半熱錠加熱技術(shù)的研究.鋼鐵，1992，(5)：54-56.

[7] 齊作玉.電站轉(zhuǎn)子鍛件擴(kuò)氫計算應(yīng)用軟件的研究.大型鑄鍛件，1995，(2)：26-27.

[8] 齊作玉，等.大鍛件鍛壓工藝傻瓜軟件的研究.大型鑄鍛件，1996，(2)：1-3.