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复杂零部件数字化无模制造技术研究

发表时间：2021/4/6 来源：《建筑科技》2021年1月上作者：李兴武

[导读] 目前，各行各业建设的发展迅速，将铸造技术与数字化制造技术相结合，与基于二维图纸和铸造经验的传统铸造不同，数字化制造全流程基于三维CAD数字模型。同时，将计算机模拟分析技术与铸型加工技术相结合，实现了全流程数字化设计、数字化模拟分析以及数字化加工成型。

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摘要：目前，各行各业建设的发展迅速，将铸造技术与数字化制造技术相结合，与基于二维图纸和铸造经验的传统铸造不同，数字化制造全流程基于三维CAD数字模型。同时，将计算机模拟分析技术与铸型加工技术相结合，实现了全流程数字化设计、数字化模拟分析以及数字化加工成型。结果表明，通过其集成应用，成功开发了六缸发动机缸盖，为复杂零部件快速开发提供了一种新的制造方法。
关键词：复杂零部件；数字化；无模制造技术研究
        引言
        零部件加工是制造的关键环节，零部件的加工精度，直接决定着的整体质量。在零部件加工中，如果精度不能达到要求，不仅会直接影响生产加工，还会导致存在安全隐患问题，可能造成严重后果。因此，加强零部件加工精度，是制造产业发展的首要前提。在零部件加工过程中，机械加工工艺对其加工精度产生直接影响。在当前制造业转型升级发展背景下，不断提高机械加工工艺水平，降低机械加工工艺对零部件精度的影响，对于保障零部件加工精度达标，促进制造业发展具有重要作用。
        1.机械加工工艺对零部件精度的影响
        1.1加工工艺系统的几何误差影响
        机械加工工艺是一个具有系统性的产品操作流程，在工艺流程全过程中，设备、人员等各方面因素均对产品生产操作质量具有直接关系，从而直接影响加工工艺质量。在零部件加工中，加工工艺系统的几何误差对其精度影响是非常大的，几何误差的产生主要是由于机床主轴回转而造成的导轨与传统系统、进给精度等方面的直接联系。在零部件加工过程中，机床主轴是其加工动力的主要来源，通过主轴的旋转对刀具与加工零件相对位置的控制，并且对零部件外表加工的平整度也具有直接影响。在加工过程中，如果主轴回转出现误差，那么就可能造成主轴的回转线与设定的标准的中心轴线相偏离，从而直接导致零部件加工出现较大的误差。此外，在零部件加工中，转轴装配的标准度也影响主轴回转精度，如果转轴转配没有达到要求，或日常养护不到位，导致主轴润滑度不足，也会扩大主轴回转误差。在零部件加工中，机床导轨主要负责零部件的位置移动，确保零部件在移动过程中始终在轨道上，才能够保障刀具切割、进退等操作的精准度。机床导轨在长期运行中，必然会出现磨损情况而造成导轨误差的发生，并且随着磨损程度的增加，误差也会随之增大。因此，在机械加工中，导轨磨损误差也是影响零部件精度的重要原因之一。机床传动系统中，联系传动链中原件相对运动过程中产生的误差，也会对零部件精度产生影响。零部件加工工艺系统中，加工刀具的精度也直接影响零部件的精度，并且在一些特殊零部件加工中，刀具精度发挥决定性作用，是主要影响因素。刀具的作用是对零部件进行切削，在这一过程中，生产零部件与刀具之间会产生强烈的摩擦，导致刀具磨损随着使用频率也不断增加。在刀具磨损程度达到一定水平，就会造成零部件切削面粗糙等情况，从而对其精度产生影响。
        1.2加工工艺系统受热、受力变形影响
        零部件加工过程中，零部件与设备之间会产生摩擦生热的情况，并且随着机械化运行速度加快，生产工具和社会的受热、受力程度不断增加，从而导致其发生变形的情况，进而直接造成零部件生产的精度误差存在。在生产设备中，刀具由于受热、受力影响发生变形之后，会直接造成刀具在切削零部件过程中尺寸发生误差，进而影响其精度。在实际生产中，刀具材质不同，其受热受力产生变形的程度也具有差异性，因此，在零部件加工中，需要重视对刀具材质的选择，有效控制其变形程度，确保切削质量，从而保障零部件加工精度。在机械加工工艺中，零部件加工完成需要设备包括机床、刀具同零部件的有效配合。在零部件加工过程中，机床在受热受力之后发生变形，会直接影响机床主轴的回转线发生偏离，导致各部件位置随之发生偏移。

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在零部件加工中，通过降温手段，在主要受力部位增强设备强度与刚度的方式，来有效控制刀具、机床设备的变形，从而降低其对零部件加工精度的影响。
        2成形过程和结果分析讨论
        2.1缩孔现象
        通过有限元模拟获得的金属材料流动矢量图可以观察到，毛坯中心轴附近的材料流动速度要快于远离中心轴区域的材料流动。因此，随着变形的进行，中心轴区域的坯料会逐渐脱离挤压凸模，形成缩孔现象。
        2.2裂纹缺陷
        当挤压深度达到3.3mm时，有限元模拟的工件在成形凸台侧壁与挤压凹模圆角区域产生了裂纹缺陷，当挤压进一步进行，凸台在该处断裂与毛坯分离。精冲挤压复合成形工艺在该处容易产生裂纹缺陷的原因主要包括两点，一是因为材料与挤压凹模壁之间的摩擦，致使该区域的材料流动慢于中心轴附近的材料流动，导致产生拉应力；二是因为坯料变薄，材料流动能力减弱，导致毛坯上的材料越来越难绕过挤压凹模刃口来补充该区域。该裂纹的产生会影响成形工件凸台的强度，在工艺设计时，需要进行有效地预防。对比二者可以发现模拟和实验获得的缺陷位置和趋势一致。
        2.3反压力的影响分析
        在精冲挤压复合成形中可以在成形凸台底部位设计反压凸模，对工件施加一定的反压力，用于减小成形工件缩孔的深度。在挤压比为定值的情况下，设计五组不同的反压力分别为0KN，10KN，20KN，30KN，40KN进行模拟分析研究。对缩孔的深度进行测量提取获知，当不施加反压力时，成形工件的缩孔深度最大；而当反压力为40KN时，缩孔深度趋近于消失。因此，增大反压力，可以有效地减小缩孔的深度。但是，增大反压力一方面会导致挤压载荷增大，另一方面过大的反压力会迫使材料由挤压取向精冲区流动，影响精冲工艺的正常进行。所以，工艺设计时要综合考虑精冲挤压工艺可以顺利进行的力学条件要求。
        2.4提高对零部件加工材料的严格把控
        在零部件加工中，如果加工材料不能达到标准要求，即使严格控制机械加工工艺，也难以充分保证零部件加工精度。因此，零部件加工原材料是机械加工制造工艺的根本，提高零部件精度，还需要对其加工材料进行严格把控。事实上，在机械加工工艺中，零部件原材料的质量选择，才是确保其加工精度达到标准要求的核心关键环节。在零部件加工制造中，加工企业可能会受利益驱使，在原材料选择中选择质量较低的材料进行生产，这就导致在实际零部件加工制造过程中，加工质量问题较多，且零部件加工精度难以充分保障，反而会损害企业经济效益。因此，加工企业在选择零部件原材料时，不能只考虑材料成本，更要重视材料质量。对于零部件来说，其完整性是非常重要的。因此，加工企业在进行原材料的选择过程中，需要注意材料质量，从而在运用机械加工工艺技术进行零部件加工过程中，能够合理降低原材料的消耗程度，实现生产成本的节约，从而保障零部件加工生产效益，同时也确保零部件加工精度能够达到相应的标准要求。总之，在零部件加工中，加工企业要重视材料质量的选择，通过提高材料质量，以确保机械加工工艺生产中的零部件完整性，提高零部件加工精度。
        结语
        整个制造过程都是在三维CAD模型驱动下实现，新的数字化制造手段彻底摒弃了二维图纸，采用三维数字模型作为设计制造过程流转的介质，更加直观便捷。基于数值模拟和铸型数控切削加工的数字化制造方法，为缸盖等复杂零部件的试制开发提供了更加先进的和更加柔性的快速制造方法。
参考文献
[1]李魁盛，李国禄，李日.铸造成型技术入门与精通[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]中国机械工程学会铸造分会组编，张伯明.铸造手册[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3]中国机械工程学会铸造分会组编，李新亚.铸造手册[M].北京：机械工业出版社，2011.