近年來，隨著計算機技術和數值模擬分析技術在塑性加工中的應用和發展，人們相應提出了數字化精鍛成形的概念。數字化精鍛的內涵主要包括精密塑性加工工藝、數值模擬仿真(CAE)技術，精密塑性加工模具CAD/CAM 技術和精密測量技術。

數字化精鍛成形技術的兩種形式及其實施步驟與方法

基于數值模擬技術為平臺的思路，現將數字化精鍛成形技術分為正向模擬為平臺的數字化精鍛成形技術和逆向模擬為平臺的數字化精鍛成形技術，相應的程序框圖如圖1 所示。

正向模擬及其實施步驟與方法

圖1(a)所示為以正向模擬CAE 為平臺的數字化精鍛成形的基本思路和步驟大致為：

圖1 數字化精鍛成形CAE 框圖

⑴采用UG 或PRO/E 軟件對需要加工的零件進行三維造型。

⑵針對零件的幾何形狀特點和材料特性，基于傳統的塑性加工工藝和經驗提出若干個鍛造工藝方案。

⑶針對所要加工的零件建立數值模擬模型，如有限元模型。

⑷選擇合適的模擬軟件分別對所提工藝方案進行模擬分析，并根據分析結果，從中選擇較優的工藝方案和工藝參數。

⑸以上述工作為基礎，選擇合適的CAD/CAM 軟件實現模具的結構設計，數字化建模與數字化制造即數控加工。

⑹采用數控塑性加工設備和模具實現零件產品的精鍛生產。

⑺采用三坐標測量儀或其他測量儀器對所生產的零件進行尺寸精度與表面粗糙度的精密測量，并將測量結果反饋到入口處，是保持既定的工藝方案和工藝參數還是需要修改工藝方案和工藝參數。

逆向模擬及其實施步驟與方法

圖1(b)所示為以CAE 為平臺的逆向模擬數字化精鍛成形的基本思路。下面按照框圖的順序就如何實現精鍛成形的優化步驟與方法作出較為深入的闡述。

⑴獲得合格精密鍛件的優化設計。主要目標有三點：1)所得到的鍛件余量和公差達到相應的國標中精密級技術指標，主要靠鍛模的精度來保證；2)所得精密鍛件的晶粒度及微觀組織和力學性能指標達到零件的性能指標，主要靠工藝參數的優化來保證；3)模鍛成形力最小，主要靠終鍛時金屬流動距離短和流動順序合理來保證，進而通過預鍛件的優化設計來實現，而對于閉式精鍛則依靠采用分流鍛造技術來保證。

⑵預鍛件的優化設計。主要目標有兩點：1)所設計的預鍛件在終鍛時成形順利，其設計方法是預鍛件的形狀要同終鍛件形狀相似，加大過渡圓角和模鍛斜度，對于帶工字形斷面的鍛件和枝叉類鍛件應遵循前面所論述的原則，這樣的設計也兼顧了制坯工件的設計；2)預鍛成形力最小，仍然是以金屬流動距離短和流動順序合理來實現，當預鍛為開式模鍛時很容易保證，但為閉式預鍛時也應采取分流鍛造技術來保證。鍛件

⑶制坯工件的優化設計。主要目標有兩點：1)所設計的制坯工件預鍛時成形順利；2)制坯成形力最小。其設計方法是，應使制坯工件放入預鍛模膛中定位準確、外輪廓與預鍛模膛內壁間的間隙均勻；盡可能設計成以鐓粗的方式成形。

⑷坯料的優化設計。主要目標是，坯料的形狀及尺寸的合理配置。如前所述，制坯主要有開式鐓粗及閉式鐓粗、輥鍛及楔橫軋、正向擠壓等方式，只要遵循相應的工藝準則及計算方法得到原毛坯即坯料尺寸即可。

按照這種逆向模擬得到優化的精鍛工藝方案，進行工藝試驗及實際生產的工藝順序是：坯料→加熱→制坯→預鍛→終鍛→切邊、沖孔。通過應用實例表明，所得鍛件成形飽滿，輪廓清晰。進而表明，其優化工藝方案實現了鍛件幾何形狀的準確控制即所謂的控形。

⑸工藝參數的優化。主要目標是實現溫度T、成形速度v、變形程度εA 三個關鍵模鍛工藝參數的合理選擇及配置即優化。通過工藝參數的優化可確保鋁合金精密鍛件微觀組織及力學性能達到零件的相應技術要求，即實現鍛件質量的控制，即控質。

⑹采用有限元方法及DEFORM-3D 軟件，按照坯料至精密鍛件的順序，對所分析設計的工藝方案進行模擬，模擬時以前述工序模擬的結果作為后一道工序模擬的輸入信息。以此，對所設計的優化方案進行驗證。

新型鋁合金精鍛設備的研制及應用

直驅式數控電動螺旋壓力機

直驅式電動螺旋壓力機是電動螺旋壓力機的最新發展，其基本結構及原理如圖2所示，它由冷卻電機1、主電機定子2、轉子3、螺桿4、上橫梁5、推力軸承6 和拉桿7 等主要零部件組成。主電機定子2 固定在上橫梁5 的上面，主電機轉子3 固定在飛輪外圓柱面上，帶有轉子3 的飛輪與螺桿4 固定為一體，其余結構與非直驅式電動螺旋壓力機相同。主電機2、3 正反通電時，與飛輪為一體的轉子3 在磁場作用下作正反快速旋轉，帶動螺桿4 以相同的速度正反旋轉，進而帶動滑塊向下與向上往復運動，從而實現模鍛成形功能。

圖2 直驅式電動螺旋壓力機驅動系統

基于上述原理，武漢新威奇科技有限公司于2016 年研制成公稱壓力為5MN 的J58ZK-500 型直驅式電動螺旋壓力機，其樣機如圖3 所示。

圖3 J58ZK-500 型直驅式電動螺旋壓力機樣機

直驅式電動螺旋壓力機與非直驅式電動螺旋壓力機比較，因傳動鏈更短，所以結構更加緊湊，傳動效率更高，節能省電效果更好；滑塊行程次數和生產效率更高，總體性能更加先進。鍛件

伺服液壓機

針對鋁合金鍛造溫度范圍窄，通常不超過100℃的特點，采用成形速度即工進速度較快且可在一定的范圍內可變的伺服液壓機最為合適。根據這一需求，武漢新威奇科技有限公司開始研制Y68SK 型高性能精鍛伺服液壓機，使用液壓站采用泵控伺服技術，通過對泵的轉矩與轉速的精確控制，實現流量和壓力精確控制，克服了傳統閥控伺服系統高壓節流產生的油溫升高過快的問題，達到節能省電的效果，同時降低系統油溫，最高節能率達70%，平均節能率達30%。

典型應用實例

HS7 后上控制臂零件三維實體造型如圖4 所示。

圖4 HS7 后上控制臂零件三維造型

制定的后上控制臂小飛邊精鍛工藝流程為：下料→加熱→彎曲→小飛邊精鍛終成形→切邊→沖孔→校正。

由直棒料彎曲成形所需制坯工件(目標件)的彎曲貼模情況、彎曲件與目標件的對比情況如圖5 所示。實際成形工件與目標件有一定的差別，但差別很小，不影響終鍛成形。彎曲工件上的溫度范圍約為450 ～500℃，僅與模具接觸部分表面溫度降低了約50℃，工件溫度仍處在合理的模鍛溫度范圍以內。

圖5 彎曲成形模擬結果

圖6 所示為小飛邊精鍛終成形結束狀態，鍛件典型截面的充滿情況。可以看出，終鍛成形良好，這正是小飛邊即平面薄飛邊橋部增大了金屬橫向流入飛邊槽的阻力，而提高其縱向充滿模膛的效果，由圖6（a）所形成的飛邊也可以看出其飛邊很小，有利于提高材料利用率。模擬結果驗證了所設計的小飛邊精鍛工藝方案是合理的。

圖6 終鍛成形過程模擬結果

圖7 已切邊的鍛件

精鍛技術開發小組按照所設計的工藝流程，將制造好的彎曲、終鍛和切邊模具分別安裝在400 噸液壓機、630 噸摩擦壓力機和200 噸液壓機上進行了試驗，所試驗出的HS7 后上控制臂鍛件如圖7 所示。可以看出，鍛件成形飽滿，輪廊清晰，飛邊小。表明所設計的工藝方案切實可行。