李建偉，劉 瀏，鄒宗樹

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819)(2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

0 引 言

隨著能源消耗和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，節(jié)能已成為國(guó)際共識(shí)[1]，而裝備零部件輕量化則是節(jié)能的一個(gè)重要手段。鈦合金、鈦鋁合金及鈦基、鋁基復(fù)合材料等由于密度低、比強(qiáng)度度高、耐蝕性能優(yōu)異等，正逐漸作為輕量化材料被應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域中，不僅可以有效減輕裝備重量，而且可以提高部件的結(jié)構(gòu)性能和服役性能[2]。但鈦合金、鈦鋁合金及鈦基、鋁基復(fù)合材料等變形抗力高、塑性低，屬于難成形材料，很難用普通鍛造工藝成形。同時(shí)，由于航空航天的特殊需要，成形件性能必須均勻、穩(wěn)定，普通鍛造工藝很難實(shí)現(xiàn)這樣的高要求，因此優(yōu)先選擇等溫超塑成形工藝。相對(duì)于普通鍛造成形，等溫超塑成形具有以下優(yōu)勢(shì)[3]：①可以提高和優(yōu)化鍛件的性能；②鍛件性能精確可控，重復(fù)性、穩(wěn)定性好；③可以大幅提高材料的利用率；④鍛件表面質(zhì)量高；⑤可利用小型設(shè)備生產(chǎn)出大鍛件；⑥流程短；⑦容易成形空心件、管類件；⑧可降低或消除鍛件的殘余應(yīng)力；⑨同一鍛件可實(shí)現(xiàn)雙性能成形[4]。但是，等溫超塑成形還存在生產(chǎn)效率低、熱效率低、模具材料選擇范圍小和模具成形困難等問(wèn)題，尤其是大型、特大型模具制造技術(shù)亟待突破。為此就提高等溫超塑成形效率和熱效率及大型模具制造方法展開討論，并就等溫超塑成形的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，提出了數(shù)字化等溫鍛造實(shí)現(xiàn)的途徑，為實(shí)現(xiàn)高效化等溫鍛造生產(chǎn)提供有效的解決措施。

1 提高超塑成形的生產(chǎn)效率

1.1 提高模具的制造和使用效率

模具效率體現(xiàn)為模具制造效率、使用效率和壽命。K9等鑄造高溫合金模具鑄造成形難度大，機(jī)加工困難，制造效率很低，尤其大型、特大型模具，由于鑄造難度的增加而制造效率更低。此外，超塑成形模具往往是一件一模，甚至一件一套模具，隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，該套模具會(huì)被淘汰或閑置，導(dǎo)致模具使用效率極低。

等溫超塑成形模具必須具有使用溫度高、熱強(qiáng)度高及抗氧化等特點(diǎn)，而鑄造高溫合金模具的高溫力學(xué)性能受原材料的狀態(tài)、熔煉方法、造型工藝和澆鑄方法等影響很大。大型模具只能選擇砂型造型，但砂型模易松散，澆鑄時(shí)易形成隔砂。同時(shí)，砂型模焙燒溫度低，脫水效果差，澆鑄時(shí)產(chǎn)生大量的氣體，使鋼液的溫度迅速降低，容易造成模具表面冷豆、冷隔缺陷，鑄件局部澆不足等問(wèn)題，也使縮孔分散、加深，降低冒口的補(bǔ)縮效果，影響模具使用壽命。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)于大型、特大型模具的制作，采用樹脂砂造型或鋁礬土砂高溫長(zhǎng)時(shí)間烘烤工藝解決型模濕冷的問(wèn)題，提高鑄模的鑄造質(zhì)量。

圖1 特大型模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Structure design sketch of oversize die

通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用如圖1所示的芯模加框模的設(shè)計(jì)方法，可縮小模具的體積，降低模具的重量，減少或消除鑄造過(guò)程中的疏松、縮孔等，從而提高模具的鑄造質(zhì)量和使用壽命。通過(guò)合理設(shè)計(jì)模具脫模角θ，且只在模具裝配面和型腔留有加工余量，并結(jié)合精密鑄造工藝，可使模具實(shí)現(xiàn)近凈鑄造成形，從而減少機(jī)加工余量，節(jié)約成本。

針對(duì)澆鑄方法對(duì)模具性能的影響，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)真空和非真空澆鑄鑄件的高溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)選擇澆鑄方式。圖2所示為真空和非真空澆鑄的K9高溫合金在不同溫度下的拉伸強(qiáng)度。

圖2 真空和非真空澆鑄的K9高溫合金在不同溫度下的拉伸強(qiáng)度Fig.2 Tensile strength of vacuum and non-vacuum cast K9 superalloy at different temperatures

從圖2可知，隨著溫度的升高，非真空澆鑄K9高溫合金強(qiáng)度下降的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空澆鑄，非真空澆鑄強(qiáng)度在900 ℃時(shí)是真空澆鑄強(qiáng)度的70%，950 ℃時(shí)只有真空澆鑄強(qiáng)度的約52%。故采用真空澆鑄的方法可以大幅提高模具的高溫力學(xué)性能。通過(guò)真空澆鑄獲得的8.5 t K3高溫合金芯模已高效使用3年有余。

大型、特大型高溫合金模具鑄造技術(shù)的突破，使制作大型高溫合金模架成為可能。針對(duì)不同噸位的設(shè)備設(shè)計(jì)通用模架可以提高模架的使用效率，如圖3所示。針對(duì)鍛件更新?lián)Q代造成模具閑置和報(bào)廢的問(wèn)題，通過(guò)如圖1所示結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)芯?？焖俑鼡Q，不僅可以解決大型模具浪費(fèi)問(wèn)題，而且能夠節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，針對(duì)批量大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)的產(chǎn)品，可以通過(guò)快速更換模芯的方法更換失效模具，提高模具的使用效率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

1.2 提高超塑成形的成形效率

圖3 特大型模架及模具裝配圖Fig.3 Assembly drawing of oversize die frames and dies

等溫超塑成形的成形速度很慢，在0.01～0.5mm/s之間，成形一件產(chǎn)品需要幾十分鐘，有時(shí)甚至長(zhǎng)達(dá)1 h。然而，隨著大型高溫合金等溫超塑成形模具設(shè)計(jì)、鑄造技術(shù)的突破，同時(shí)利用等溫超塑成形小設(shè)備生產(chǎn)大鍛件的特性，可以將小的零部件成組、成批成形。不同于簡(jiǎn)單的組批成形，通過(guò)坯料及模具的合理設(shè)計(jì)，把批量成形的零部件看成一個(gè)整體精鍛件來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)精密組批整體成形技術(shù)，使成形后的鍛件之間只有很薄的連皮相連，通過(guò)簡(jiǎn)單的切割就可以得到單個(gè)鍛件。圖4為投影面積0.5 m2的精密組批整體成形鍛件照片。

圖4 精密組批整體成形鍛件照片F(xiàn)ig.4 Integral forging photos of precision batch

通過(guò)精密組批整體成形技術(shù)，可以節(jié)約大量的金屬，提高材料的利用率。同時(shí)，精密組批整體成形可以加大鍛件的變形量，得到更加均勻的組織。對(duì)于異形件、不對(duì)稱件，通過(guò)零件合理的結(jié)構(gòu)布置組批，可以使整體鍛件結(jié)構(gòu)均勻，減少模具及模架受力的不均衡性，提高工裝和模具的使用壽命。

1.3 提高超塑成形的熱效率

等溫超塑成形的熱損耗包括零件的加熱時(shí)間和鍛造時(shí)間不匹配造成的熱損耗和鍛造過(guò)程中模具、加熱爐開啟造成的熱損失。

坯料的加熱分為預(yù)熱、加熱和保溫3個(gè)階段，鍛造過(guò)程中常常出現(xiàn)坯料加熱時(shí)間和鍛造時(shí)間不匹配的問(wèn)題，模具空燒或坯料過(guò)度保溫都將導(dǎo)致熱損耗，增加鍛件成本。如果是單臺(tái)壓機(jī)，可以采取2臺(tái)或多臺(tái)加熱爐協(xié)助1臺(tái)壓機(jī)生產(chǎn)的方法去解決，同時(shí)兼顧設(shè)備閑置時(shí)間的熱耗損失和多臺(tái)設(shè)備的熱能消耗，以及平衡生產(chǎn)效率和熱耗，合理的配置設(shè)備，節(jié)約能耗。對(duì)于多臺(tái)壓機(jī)，可以利用不同規(guī)格產(chǎn)品加熱、保溫時(shí)間不同的特性，使用同爐加熱的方法減少設(shè)備的閑置時(shí)間，也可以使用熱處理爐數(shù)量多于壓機(jī)數(shù)量的方法減少設(shè)備的閑置時(shí)間，提高熱能的利用率。

此外，鍛造過(guò)程中加熱爐和模具的開啟也會(huì)造成熱損失，特別是由于某種原因造成設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于開啟狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備溫度急劇下降，需要重新保溫后才能恢復(fù)正常生產(chǎn)。為了減少設(shè)備開啟造成的熱損失，控制設(shè)備開啟時(shí)間十分關(guān)鍵。但設(shè)備開啟時(shí)間受工人操作熟練程度、鍛件大小及復(fù)雜程度、取出的難易程度等因素影響。零件從加熱爐取出到放入模具過(guò)程中會(huì)損失部分熱量，因此零件在加熱爐中的加熱溫度往往要高于實(shí)際鍛造溫度5～10 ℃，對(duì)于鍛造溫度很窄的鍛件，如果溫度控制不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致鍛件組織性能不均勻。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)并采用自動(dòng)化連續(xù)上料加熱系統(tǒng)來(lái)減少加熱爐和壓機(jī)的開啟時(shí)間，縮短坯料在空氣中的暴露時(shí)間，降低人工操作影響和設(shè)備等待時(shí)間等，從而減少熱量的損失。自動(dòng)化連續(xù)上料加熱系統(tǒng)的工作原理類似于連續(xù)加熱爐，該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

等溫超塑成形自動(dòng)化連續(xù)上料加熱系統(tǒng)由5個(gè)子系統(tǒng)組成，A為上料子系統(tǒng)，B為坯料加熱子系統(tǒng)，C為坯料輸送子系統(tǒng)，D為坯料待裝入子系統(tǒng)，E為上料機(jī)械手。在確定好需要開始加熱的時(shí)間節(jié)點(diǎn)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制A子系統(tǒng)將坯料送入B子系統(tǒng)進(jìn)行加熱，加熱好的坯料得到工作指令后通過(guò)C子系統(tǒng)把坯料傳送到D待裝入子系統(tǒng)。在坯料從C子系統(tǒng)傳送到D子系統(tǒng)的過(guò)程中模具開啟，上料機(jī)械手E從D子系統(tǒng)中夾取坯料，在模具完全開啟后完成上料。完成上料的機(jī)械手E旋出模腔，等待再次上料命令，自動(dòng)化上料加熱流程結(jié)束。鍛壓完成后打開模腔，取出鍛件，鍛壓工序完成，同時(shí)開始再一次自動(dòng)上料流程。

圖5 等溫超塑成形自動(dòng)化連續(xù)上料加熱系統(tǒng)示意圖Fig.5 Sketch diagram of automatic continuous feeding and heating system for isothermal forming

本系統(tǒng)只在加熱爐進(jìn)料、鍛件裝卸過(guò)程中有部分熱損耗，其他部分全部與外界隔熱。為了保證坯料溫度的準(zhǔn)確性，在B子系統(tǒng)和D子系統(tǒng)設(shè)置加熱和溫控功能。D子系統(tǒng)加熱和溫控的目的是保證坯料在鍛壓過(guò)程中發(fā)生故障或坯料從B子系統(tǒng)輸送到D子系統(tǒng)過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)坯料溫度依然能夠滿足鍛造的要求。該自動(dòng)化連續(xù)上料加熱系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)精確控制每一子系統(tǒng)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間無(wú)縫銜接，減少操作誤差引起的設(shè)備等待時(shí)間，提高壓機(jī)的工作效率，降低熱損耗。同時(shí)，該系統(tǒng)可以保證加熱和鍛造溫度的同步性，減少熱損耗。

1.4 提高超塑成形的時(shí)間效率

等溫超塑成形工裝(模具、模架和加熱爐等)的拆裝、加熱及冷卻很耗時(shí)，對(duì)于一些批量較小的鍛件來(lái)說(shuō)，近一半的時(shí)間消耗在鍛造前后工裝的拆裝、加熱和冷卻上，如果可以減少這部分時(shí)間，則可以提高鍛造的生產(chǎn)效率。

針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，使壓機(jī)具有可移動(dòng)的雙工作平臺(tái)，將鍛壓及工裝的拆裝、加熱和冷卻等工序分離。圖6為等溫超塑成形壓機(jī)雙平臺(tái)工作示意圖。

圖6 等溫超塑成形壓機(jī)雙平臺(tái)工作示意圖Fig.6 Sketch diagrams of isothermal forging press with two platforms：(a)platform 2 moved into platform 1 and tooling assembled in press;(b)platform 2 moved into the press

在壓機(jī)生產(chǎn)作業(yè)中，當(dāng)需要更換產(chǎn)品時(shí)，首先在圖6b所示的平臺(tái)2上預(yù)裝配模具、模架和加熱爐等。下工裝等部件直接安裝在平臺(tái)2上，上工裝等部件和上支撐連接，由千斤頂支撐，安裝工序結(jié)束后設(shè)備開始升溫。通過(guò)有效時(shí)間管理，在上批產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束，且如圖6b所示的工裝升溫結(jié)束后，上批產(chǎn)品使用的工裝、加熱爐等設(shè)備從圖6a處移出并進(jìn)行降溫和工裝拆卸，圖6b所示的平臺(tái)2移入圖6a所示位置。通過(guò)液壓缸1、4推動(dòng)活動(dòng)壓板1向下模方向移動(dòng)，壓住下壓圈1，完成下工裝的安裝；同理，通過(guò)液壓缸2、3推動(dòng)活動(dòng)壓板2向上模方向移動(dòng)，壓住上壓圈2，完成上工裝的安裝。

通過(guò)壓機(jī)雙平臺(tái)操作系統(tǒng)，使工裝和加熱爐等的拆裝、加熱及冷卻時(shí)間的消耗發(fā)生在整個(gè)鍛造工序之外，設(shè)備幾乎不存在等待時(shí)間，大幅提高了鍛造效率。對(duì)于小型鍛件，可以縮短2 d時(shí)間，對(duì)于特大型鍛件，可以縮短4～5 d時(shí)間；如果產(chǎn)品批量較小，可以節(jié)約近一半的時(shí)間。

2 等溫超塑成形的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 材料超塑性研究趨勢(shì)

材料的超塑性分為組織超塑性和相變超塑性。組織超塑性方面的研究正向大塊納米級(jí)超塑材料、納米陶瓷、金屬基納米復(fù)合材料等的超塑性研究方向發(fā)展[5]。有些復(fù)合材料, 由于組元的熱膨脹系數(shù)不同，通過(guò)熱循環(huán)也可以產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而產(chǎn)生超塑性，其研究正在從普通的鈦合金、鋁合金逐漸轉(zhuǎn)向Zn、Fe、Ti 基復(fù)合材料、Al 基復(fù)合材料以及金屬間化合物方向發(fā)展[5]。其中，TiAl基材料由于具有低密度、高熔點(diǎn)、高彈性模量和高比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在高溫下有著良好的抗蠕變和抗氧化性能，被認(rèn)為是理想的下一代高溫結(jié)構(gòu)材料。但該類材料的室溫塑性差、加工成形困難，發(fā)展一度受阻，而等溫超塑成形技術(shù)為其發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇，使用等溫超塑成形技術(shù)生產(chǎn)的TiAl葉片已在空客A320Neo飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用[6]。

早期的超塑性理論認(rèn)為超塑性是細(xì)晶材料在恒溫變形時(shí)所具有的特征，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)大晶粒合金、黑色金屬等材料在大的應(yīng)變速率條件下出現(xiàn)大晶超塑性[7]。除了研究材料的高溫低應(yīng)變速率、大晶高應(yīng)變速率的超塑性，材料的超塑性研究也向低溫、高應(yīng)變速率方向發(fā)展[8]。在鋼鐵材料的超塑性研究中，通過(guò)對(duì)新型低中碳合金鋼的合金化設(shè)計(jì)，在溫度區(qū)間600～800 ℃、應(yīng)變速率10-3～10-2s-1下，材料產(chǎn)生了150%～1 250%的超塑性變形[9]。

2.2 成形方法的發(fā)展趨勢(shì)

等溫超塑成形正在向高效成形方向發(fā)展，通過(guò)縮短設(shè)備閑置時(shí)間、工藝等待時(shí)間提高生產(chǎn)效率；通過(guò)降低設(shè)備的開啟等待時(shí)間及坯料的裸露時(shí)間提高熱效率。等溫成形一方面向高精度和大尺寸產(chǎn)品方向發(fā)展。例如，采用等溫超塑成形技術(shù)生產(chǎn)的鈦合金精鍛葉片，其尺寸精度達(dá)0.01 mm，非加工面≥80%[10]。此外，很多航空航天構(gòu)件采用整體化設(shè)計(jì)，可以減少零件數(shù)量、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低制造成本、縮短制造流程、提高零部件使用可靠性、提高服役周期。Zhang等[11]研究了TA15鈦合金大規(guī)格隔框分區(qū)局部加載預(yù)成形技術(shù)，制備出外形尺寸為1 300 mm×1 000 mm的隔框；郭鴻鎮(zhèn)等[4]研制的TA15鈦合金大型整體飛機(jī)隔框等溫模鍛件，實(shí)體投影面積為0.45 m2。另一方面，等溫成形也向復(fù)雜異型構(gòu)件、空心件和管類零件方向發(fā)展。如郭拉鳳等[12]研制的某飛行器用TC4鈦合金連接件；龐克昌[3]研制的TC4鈦合金軸徑、TC6鈦合金作動(dòng)筒及投影面積為0.5 m2的TA19鈦合金機(jī)匣等。

伴隨著大鍛件的發(fā)展，等溫超塑成形工藝向整體鍛造成形和分區(qū)局部加載成形方向發(fā)展。分區(qū)局部加載技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)已有很多報(bào)道，如楊合等[13]進(jìn)行了局部加載控制不均勻變形與精確塑性成形研究；孫志超等[14]對(duì)鈦合金整體隔框等溫成形局部加載分區(qū)進(jìn)行了研究；Zhang等[15]研究了不等厚度坯料局部加載成形筋板類構(gòu)件材料的流動(dòng)特性，通過(guò)合理的建模及先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，解決了高筋、薄腹板構(gòu)件的成形問(wèn)題。但分區(qū)局部加載成形尚未解決成形所需坯料及模具制造的技術(shù)難題，目前還未發(fā)現(xiàn)該成形工藝被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的相關(guān)報(bào)道。此外，分區(qū)局部加載成形還存在成形效率低下、分區(qū)面選擇困難、材料利用率低等問(wèn)題需解決。整體成形技術(shù)通過(guò)預(yù)鍛坯的設(shè)計(jì)，合理分配變形區(qū)材料比例、銜接處傾角和轉(zhuǎn)角半徑等，可以得到尺寸精度高的近凈成形終鍛件。但整體鍛造成形需要解決3項(xiàng)技術(shù)難題：①成形所需的特大型高溫合金模具的制造；②成形所需荒坯的制造；③荒坯所需的大規(guī)格棒材的制備。

2.3 模具材料及制造技術(shù)的發(fā)展

隨著等溫超塑成形的發(fā)展，成形材料逐漸向TiAl等金屬間化合物方向發(fā)展，這就要求高溫模具材料必須承受1 000 ℃以上的高溫。目前使用溫度超過(guò)1 000 ℃的高溫模具材料有俄羅斯的ЖC6k、ЖC6y合金，日本的Nimowal鎳基高溫合金，我國(guó)的K21合金和TZM合金[16]。有些科研人員在鎳基高溫合金的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)研究，希望該類材料能穩(wěn)定地滿足1 000 ℃以上鍛造溫度的需求，但收效甚微。對(duì)于TiAl類金屬，國(guó)外大多采用真空等溫鍛工藝，Bambach等[6]進(jìn)行了TiAl合金批量真空等溫鍛造工藝的研究；Janschek[17]研究了TiAl輕金屬葉片鍛造成形技術(shù)和工藝。隨著國(guó)外真空等溫超塑成形技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，真空等溫超塑成形在我國(guó)發(fā)展應(yīng)用成為必然的趨勢(shì)。

等溫鍛件向高溫鈦合金、鈦基復(fù)合材料和鋁基復(fù)合材料及大型隔框方向發(fā)展，促使鍛造模具的制造技術(shù)向適合更高溫度和更大鍛件方向發(fā)展。高溫等溫鍛造在國(guó)內(nèi)的研發(fā)剛剛起步，對(duì)模具材料和制造技術(shù)都必將提出新的要求，這將是未來(lái)重點(diǎn)研發(fā)的方向。

針對(duì)大型等溫鍛模具的設(shè)計(jì)與制造，可采用上文述及的芯模加框模的模具結(jié)構(gòu)，并結(jié)合鍛件尺寸來(lái)設(shè)計(jì)、制造框模。按照鍛件尺寸，框模規(guī)格可設(shè)計(jì)為小型、中型和大型，針對(duì)不同規(guī)格的產(chǎn)品使用不同規(guī)格的通用框?？梢蕴岣吣＞叩睦眯?，從而節(jié)約成本。等溫鍛造模具使用的K3高溫合金，在加入W、Mo和Co元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化的同時(shí)，加入Ti、Al進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，同時(shí)使用微量元素B、Zr、Ce進(jìn)行晶界強(qiáng)化，使γ′強(qiáng)化相的數(shù)量達(dá)到60%～65%，因而具有較高的高溫強(qiáng)度。由于強(qiáng)化元素的價(jià)格昂貴，不同元素配比及含量的原材料對(duì)模具造價(jià)影響很大。等溫鍛造溫度一般在700～1 000 ℃之間，根據(jù)鍛造溫度的不同合理配比模具材料強(qiáng)化元素來(lái)節(jié)約模具成本，成為等溫鍛模具制造發(fā)展的方向和趨勢(shì)之一。

2.4 超塑成形向數(shù)字化方向發(fā)展

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，等溫超塑成形不僅應(yīng)用到鈦合金、鋁合金等材料的超塑成形上，而且逐漸應(yīng)用于TiAl合金、鈦基復(fù)合材料和鋁基復(fù)合材料的成形。上文已提到，等溫超塑成形的優(yōu)勢(shì)已相當(dāng)明顯，且鍛造工藝已相當(dāng)成熟，現(xiàn)在亟需解決的是效率問(wèn)題，以促使等溫超塑成形向高效化方向發(fā)展，通過(guò)高效鍛造降低等溫鍛件的成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)高效化鍛造的有效途徑，即等溫鍛造必將數(shù)字化。

3 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鍛造的途徑

等溫超塑成形過(guò)程中，由于鍛造溫度狹窄，鍛件的最終狀態(tài)會(huì)受到設(shè)備因素、操作工熟練程度等影響。通過(guò)數(shù)字化鍛造，不僅可以提高鍛造效率，而且可以提高鍛件質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)數(shù)字化鍛造，還可以準(zhǔn)確把握鍛造生產(chǎn)的實(shí)際信息，為解決鍛造問(wèn)題和優(yōu)化鍛造工藝提供真實(shí)、可靠的一手?jǐn)?shù)據(jù)，從而制定更準(zhǔn)確的鍛造工藝。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鍛造的前提是建立面向鍛造的零件模型，包括工序件信息模型和產(chǎn)品工程模型[18]。工序件信息模型包括產(chǎn)品形狀、鍛造工藝和鍛造設(shè)備，該模型可以用數(shù)字模擬量來(lái)實(shí)現(xiàn)傳遞。在等溫超塑成形中，自動(dòng)化連續(xù)上料加熱系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬量的傳遞，而且等溫超塑成形的優(yōu)點(diǎn)就是鍛造參數(shù)精確可控，為鍛造工藝參數(shù)數(shù)字化傳遞鋪平道路。工序件的幾何形狀可以使用2D或3D模型供下游工序使用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品形狀的數(shù)字化傳遞。模型中標(biāo)注包括幾何形狀特征、尺寸公差、注釋以及與制造及其他相關(guān)屬性，該模型用于制造和檢驗(yàn)，可以查看和瀏覽，但不得更改。

數(shù)字化等溫超塑成形要求從鍛造全過(guò)程的不同需求來(lái)全面地描述產(chǎn)品的信息。產(chǎn)品的鍛造過(guò)程由多個(gè)工序組成，且每個(gè)工序加工對(duì)象的幾何特征不同，這就要求面向工藝鏈表達(dá)工序件信息，并建立相應(yīng)的模型以驅(qū)動(dòng)制造的物理過(guò)程。因此，要為數(shù)字化等溫超塑成形建立鍛造模型(工程模型)，即要用數(shù)字量表達(dá)和定義的相互聯(lián)系的工序件來(lái)促進(jìn)鍛造過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。鍛造模型是把傳統(tǒng)鍛造模式中以模擬量作為載體的工序件形狀和尺寸信息采用數(shù)字量表達(dá)和定義。通過(guò)基于鍛造模型的數(shù)字量傳遞與控制實(shí)現(xiàn)鍛造要素(來(lái)料狀態(tài)、模具尺寸、工裝設(shè)備狀態(tài)等)的確認(rèn)、工藝參數(shù)的確認(rèn)、鍛造指令及產(chǎn)品檢驗(yàn)要求的實(shí)現(xiàn)。等溫超塑成形模型需要建立的子模型包括現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)模型、驗(yàn)收模型和物料流轉(zhuǎn)模型等。圖7為建立的數(shù)字化等溫鍛造模型流程圖。

圖7 數(shù)字化等溫鍛模型流程圖Fig.7 Flow chart of digital isothermal forging model

如圖7所示，生產(chǎn)開始前，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)模型確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)、工裝狀態(tài)、物料狀態(tài)等，發(fā)出鍛造生產(chǎn)指令。下料工序接到生產(chǎn)指令后，通過(guò)驗(yàn)收模型確認(rèn)坯料是否符合技術(shù)條件要求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)模型確認(rèn)工藝參數(shù)正確后開始下料工序。下料完成后的零件尺寸自動(dòng)讀入電腦，通過(guò)與2D或3D工序件模型的比對(duì)，確認(rèn)下料工序的結(jié)束，然后指令傳入加熱工序。以此類推，完成整個(gè)數(shù)字化鍛造工序。

4 結(jié) 語(yǔ)

等溫超塑成形經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，通過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，其工藝精確可控，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可以滿足航空航天材料成形不斷發(fā)展的需求，但需要迫切解決生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。通過(guò)提高模具制造和使用、鍛造工裝的拆裝、加熱和冷卻等方面的效率，可極大提高等溫成形效率，對(duì)提高等溫超塑成形的生產(chǎn)效率有重要的意義和指導(dǎo)作用。

等溫超塑成形的高效化不僅可以提高鍛件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而且是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鍛造的前提。通過(guò)數(shù)字化等溫鍛造可以精確執(zhí)行鍛造工藝，提高鍛造工藝的穩(wěn)定性、可重復(fù)性。同時(shí)數(shù)字化鍛造還可以進(jìn)一步促進(jìn)鍛件設(shè)計(jì)和模具制造的設(shè)計(jì)數(shù)字化，從而最終實(shí)現(xiàn)等溫超塑成形全流程數(shù)字化制造。在等溫超塑成形數(shù)字化過(guò)程中，等溫超塑成形向模具和成形材料高溫化、成形方式高效化、成形件大型化、成形件結(jié)構(gòu)薄壁化和精細(xì)化等方向發(fā)展。