三維掃描和數(shù)值模擬在現(xiàn)代鍛造企業(yè)的結(jié)合應(yīng)用

■ 梁聰明，劉萬勇，高展，魯錦繡，陳林

近年來，隨著為ZF、VOLVO、MERITOR等國(guó)外高端客戶提供增值產(chǎn)品的同時(shí)，企業(yè)通過不斷研發(fā)、創(chuàng)新等一系列技術(shù)應(yīng)用，與相關(guān)利益方共享發(fā)展成果。

1. 前軸生產(chǎn)應(yīng)用案例

某前軸產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)多處鍛造表面微裂紋缺陷，這種質(zhì)量問題在成熟產(chǎn)品中出現(xiàn)極為罕見，為避免質(zhì)量成本增加、客戶認(rèn)知下降等，我們通過對(duì)成形過程分析論證，有效減少了生產(chǎn)過程帶來的表面微裂紋。如圖1所示，我們對(duì)該產(chǎn)品各成形工序使用的模具三維掃描、逆向建模、制造質(zhì)量，以及上下線模具磨損情況等進(jìn)行質(zhì)量分析、鍛造模擬分析，并對(duì)各成形過程及生產(chǎn)過程出現(xiàn)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

數(shù)值模擬分析如下。

（1）輥鍛（roll forging）過程模擬 模具三維掃描分析：如圖2所示，利用真實(shí)模具狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。

材料（material）DIN-42CrMo4

上下模旋轉(zhuǎn)中間距（top and bottom center distance）：998mm

坯料溫度（roller billet temperature ）：1200℃

一輥坯料長(zhǎng)度（a roller billet length）：1693mm

二輥坯料長(zhǎng)度（two-roller billet length）：1974mm

結(jié)論：坯料加熱過程通過目視觀察發(fā)現(xiàn)有表面裂紋、壓痕等影響鍛造表面質(zhì)量的因素，輥鍛過程中缺陷會(huì)出現(xiàn)在二輥完成后A區(qū)域長(zhǎng)度較短（見圖2），可能會(huì)引起后續(xù)工序充不滿，此工序未發(fā)現(xiàn)輥坯折疊和耳朵。調(diào)整輥鍛模選擇中心距為996mm，二輥后坯料長(zhǎng)度為1993mm，有效地避免了鍛件拳頭部位在后工序出現(xiàn)的充不滿、折疊等現(xiàn)象。

圖 1

（2）壓彎（bending） 模具三維掃描分析：如圖3所示，利用真實(shí)模具狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。

材料（material)DIN-42CrMo4

坯料溫度（ roller billet Temperature ）：1150℃

結(jié)論：輥坯擺放可能會(huì)引起圖3B區(qū)域內(nèi)分布不均帶來后工序在拳頭部位充不滿，此工序未發(fā)現(xiàn)表面缺陷（折疊）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況分析在前軸鍛件工字梁上出現(xiàn)的表面微裂紋比例很大，初步分析是在壓彎工序產(chǎn)生的，壓彎工序中間部位安裝有10mm墊板可能會(huì)產(chǎn)生壓彎尖角，取消后效果明顯。

（3）預(yù)鍛（pre-forging）過程模擬 模具三維掃描分析：如圖4所示，對(duì)上線生產(chǎn)模具進(jìn)行尺寸分析，觀察其模具表面缺陷（龜裂、凸起等），通過分析模具準(zhǔn)予上線生產(chǎn)，并通過掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行鍛造模擬分析。

材料（material）DIN-42CrMo4

坯料溫度（roller billet temperature ）：1122℃

結(jié)論：在預(yù)鍛工序的成形過程中未發(fā)現(xiàn)表面缺陷（折紋）（見圖5）。

（4）終鍛（finish forging）過程模擬 模具三維掃描分析：如圖6所示，對(duì)上線生產(chǎn)的模具進(jìn)行尺寸分析，表面質(zhì)量觀察其模具表面缺陷（龜裂、凸起等），通過分析模具準(zhǔn)予上線生產(chǎn)，并通過掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行鍛造模擬分析。

材料（material）DIN-42CrMo4

坯料溫度（roller billet temperature）：1191℃

結(jié)論：在終鍛工序的成形過程中未發(fā)現(xiàn)表面缺陷，鍛件未出現(xiàn)充不滿缺陷（見圖7）。

通過應(yīng)用三維掃描技術(shù)及鍛造數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線所使用的模具進(jìn)行分析，排除因模具產(chǎn)生的鍛造缺陷，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況充分排除掉成形過程產(chǎn)生的因素，為后期產(chǎn)品表面質(zhì)量提升提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

圖 2

圖 3

圖 4

2.前軸鍛后質(zhì)量分析

對(duì)某前軸產(chǎn)品鍛造工序完成后鍛件的變形、充不滿等影響產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，其流程是前軸鍛件三維掃描、鍛件逆向建模、鍛件擬合處理、鍛件尺寸分析，如圖8所示。

通過對(duì)鍛件毛坯的掃描測(cè)量分析，了解產(chǎn)品在鍛造過程中主要關(guān)鍵尺寸公差設(shè)計(jì)要求及后序成品加工的要求。在測(cè)量分析過程通過對(duì)各成品加工部位的特征擬合分析得出如圖9所示測(cè)量色譜圖、圖10所示各關(guān)鍵截面的尺寸分析圖，尺寸測(cè)量值見附表，綜合分析此鍛件實(shí)際公差范圍，鍛件拳頭部位變形扭曲量均在±1.0mm公差范圍內(nèi)，工字鋼部位在±0.5mm公差范圍內(nèi)，主要加工平面尺寸在±0.3mm公差范圍內(nèi)，板簧位置扭曲±0.5mm公差范圍內(nèi)，此鍛件產(chǎn)品設(shè)計(jì)較為合理、鍛造過程控制穩(wěn)定。

3.曲軸產(chǎn)品精細(xì)化實(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品精細(xì)化開發(fā)，某曲軸開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)采用正逆向設(shè)計(jì)開發(fā)對(duì)設(shè)計(jì)前后的數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精細(xì)化。首先應(yīng)用三維掃描設(shè)備對(duì)客戶提供的成品數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生產(chǎn)可用于編輯的三維數(shù)學(xué)模型（見圖11）。

其次設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)針對(duì)成品各項(xiàng)要求對(duì)產(chǎn)品毛坯尺寸進(jìn)行再設(shè)計(jì)，以滿足成品加工的要求（見圖12）。

然后應(yīng)用設(shè)計(jì)分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品與客戶原始產(chǎn)品進(jìn)行分析，了解毛坯與成品間各尺寸的變化等，圖13曲軸小頭端為毛坯設(shè)計(jì)尺寸，大頭端為成品與毛坯尺寸的實(shí)際測(cè)量色譜，銀色區(qū)域則為成品掃描數(shù)據(jù)。

圖 5

圖 6

圖 7

圖 8

圖 9

圖 10

關(guān)鍵截面尺寸測(cè)量結(jié)果 （mm）

圖 11

圖 12

圖 13

圖 14

以上案例有最后應(yīng)用UGNX三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，開模制造，以保證產(chǎn)品開發(fā)的準(zhǔn)確性、精細(xì)化設(shè)計(jì)的有效性（見圖14）。效驗(yàn)證了通過三維掃描技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)模具CAD系統(tǒng)及前軸、曲軸鍛件設(shè)計(jì)、尺寸檢測(cè)分析，極大縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高了制造效率，鍛造工藝過程數(shù)值模擬的應(yīng)用，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了產(chǎn)品和企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

4. 結(jié)語(yǔ)