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1 模具熱處理及其導(dǎo)向平行設(shè)計(jì) 李雄，張鴻冰，阮雪榆，羅中華，張艷 摘要： 在一系列方式中，傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法存在許多缺點(diǎn)。眾所周知,熱處理對模 具起著非常重要的作用。為了克服模具熱處理工藝存在的缺點(diǎn)，一種新的模具 熱處理工藝并行設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被開發(fā)出來了。熱處理 CAD/CAE 技術(shù)是集成了 并行環(huán)境和有關(guān)模型而建立的。這些調(diào)查研究可以顯著提高效率，降低成本， 并保證產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到 R 和 D 級。 關(guān)鍵詞：模具設(shè)計(jì)；熱處理；模具 傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)主要是依照自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或依照部分實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而不是制造 工藝。在設(shè)計(jì)完成之前，模具方案通常要被一次又一次的改進(jìn)，于是有些缺點(diǎn) 便出現(xiàn)，例如開發(fā)時(shí)期長，成本高和實(shí)際效果不明顯。由于對精確性、使用壽 命、開發(fā)期和費(fèi)用的嚴(yán)格要求，先進(jìn)的模具要求設(shè)計(jì)和制造得十分完善。因此 越來越先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新方法被應(yīng)用其中，例如并行工程、敏捷制造業(yè)、虛擬 制造業(yè)、協(xié)同合作設(shè)計(jì)等。 模具的熱處理與模具設(shè)計(jì)，制造和裝配同樣重要。因?yàn)樗鼘δ＞叩闹圃煅b 配和使用壽命又及其重要的影響。模具設(shè)計(jì)與制造發(fā)展十分迅速，但是熱處理 發(fā)展卻嚴(yán)重滯后它們。隨著模具工業(yè)的發(fā)展，熱處理必須保證模具有良好的制 造裝配和磨損耐熱性能。不切實(shí)際的熱處理將導(dǎo)致模具材料過硬或過軟，同時(shí) 影響模具裝配性能。傳統(tǒng)的熱處理工藝是按照設(shè)計(jì)師提出的方法和特性制作出 來的。這樣會(huì)使模具設(shè)計(jì)師和熱處理工藝師意見產(chǎn)生分歧，而模具設(shè)計(jì)師卻不 能充分地了解熱處理工藝和材料的性能，相反熱處理工藝師卻很少了解模具的 使用環(huán)境和設(shè)計(jì)思路。這些分歧將在很大程度上影響模具的發(fā)展。因此，如果 把熱處理工藝設(shè)計(jì)放在設(shè)計(jì)階段之前，則縮短開發(fā)周期，減少花費(fèi)和保證質(zhì)量 等目標(biāo)將會(huì)被考慮，而且從串行到并行的發(fā)展模式也將會(huì)實(shí)現(xiàn)。 并行工程是以計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)作為載體，在開始以后，每個(gè)階段和因素都 被看作如制造、熱處理、性能等等，以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。并行模式已經(jīng)摒除了串 行模式的缺陷，由此帶來了一場對串行模式的革命。 在當(dāng)前的工作中，熱處理被集成到了模具開發(fā)的并行環(huán)境中，同時(shí)也正在 進(jìn)行這種系統(tǒng)性和深入性的研究。 1.熱處理下的并行環(huán)境 2 并行模式與串行模式存在根本的不同（見圖 1） 。對于串行模式，設(shè)計(jì)者大 多考慮的是模具的結(jié)構(gòu)與功能，但很難考慮相關(guān)的工藝，以致前者的錯(cuò)誤很容 易蔓延到后面。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)本門很少與裝配，預(yù)算會(huì)計(jì)和銷售部門溝通。 這些問題當(dāng)然會(huì)影響模具的開發(fā)進(jìn)度和市場前景。然而在并行模式中，不但以 上部門關(guān)系聯(lián)系密切，所有參加模具開發(fā)的部門都與買家有密切的交流。這有 助于協(xié)調(diào)各部門消除矛盾，提高工作效率，同時(shí)降低成本。 并行環(huán)境下的熱處理工藝不是在方案和工件確定以后，而是在模具設(shè)計(jì)的 時(shí)候制定出來的。這樣的話，將有利于優(yōu)化熱處理工藝，充分利用材料。 3 2.模具熱處理 CAD/CAE 一體化 從圖 2 中可以看出，熱處理工藝的設(shè)計(jì)與模擬是一體化模式的核心。在信 息輸入產(chǎn)品模塊中后，經(jīng)熱處理工藝過程產(chǎn)生的熱處理 CAD 和熱處理 CAE 模 塊將對于零件圖，熱處理以后模擬溫度場的微觀結(jié)構(gòu)分析和可能出現(xiàn)的缺陷 （例如過熱，燒傷）自動(dòng)劃分網(wǎng)絡(luò)，如果優(yōu)化是根據(jù)立體視覺技術(shù)的結(jié)果重新 出現(xiàn)，則這項(xiàng)熱處理工藝已經(jīng)被審核。而且工具與夾具的 CAD 和 CAE 也集成 于這種系統(tǒng)中 以并行工程為基礎(chǔ)的集成模式可以與其它類似模式共享信息。這樣使熱處 理工藝得到優(yōu)化，并確保改工藝準(zhǔn)確。 2.1 采用三維模型和立體視覺技術(shù)的熱處理 在形成模具的基礎(chǔ)上，材料，結(jié)構(gòu)和尺寸的問題能通過熱處理三維模型盡 快發(fā)現(xiàn)出來。在熱處理過程中，模具加熱條件和相變條件是切合實(shí)際的，因?yàn)?通過計(jì)算相變熱力、相變動(dòng)力、相應(yīng)力、熱應(yīng)力、傳熱速度、流體動(dòng)力等已經(jīng) 取得重要突破。例如，能進(jìn)行局部復(fù)雜表面和不對稱模具的三維熱傳導(dǎo)模型計(jì) 算，和能進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的 MARC 軟件模型。計(jì)算機(jī)能夠在任何時(shí)間提交溫 度，微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的信息，并通過連接溫度場微觀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域和力場來顯示三 維形式的全部改變過程。如果再加上這種特性，則各部分性能都能通過計(jì)算機(jī) 4 預(yù)見。 2.2 熱處理工藝設(shè)計(jì) 由于對強(qiáng)度和硬度，表面粗糙度和模具熱處理變形的特殊要求，淬火介質(zhì) 的種類、淬火溫度、回火溫度和時(shí)間等參數(shù)特性必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪x擇，以及是 否使用表面淬火或化學(xué)熱處理，這種特性必須準(zhǔn)確的制定下來。自從計(jì)算機(jī)技 術(shù)在最近幾十年迅速的發(fā)展，難以進(jìn)行大型計(jì)算已經(jīng)成為過去。通過模擬和仔 細(xì)考慮熱處理特性，熱處理后的成本和所須時(shí)間，這些都并不難優(yōu)化熱處理工 藝。 2.3 熱處理數(shù)據(jù)庫 熱處理數(shù)據(jù)庫在圖 3 中描述。數(shù)據(jù)庫是制定熱處理工藝的基礎(chǔ)。一般來說， 熱處理數(shù)據(jù)庫分為材料數(shù)據(jù)庫和工藝數(shù)據(jù)庫。通過材料和工藝來預(yù)測特性已成 為一種必然的趨勢。盡管很難建立一個(gè)特性數(shù)據(jù)庫，但通過一系列的測試來建 立數(shù)據(jù)庫是必要的。材料數(shù)據(jù)庫包括材料牌號、化學(xué)成分、性能和國內(nèi)外同級 別目錄表。工藝數(shù)據(jù)庫包括熱處理標(biāo)準(zhǔn)、種類、保溫時(shí)間和冷卻溫度?；跀?shù) 據(jù)庫，熱處理工藝可以通過推理規(guī)則創(chuàng)造出來。 2.4 熱處理工具和設(shè)備 在熱處理工藝確定以后，工具及設(shè)備 CAD/CAE 系統(tǒng)傳送設(shè)計(jì)和制造的數(shù) 值信息來控制裝置。通過快速模具成型，可靠的工具和夾具都能被確定。整個(gè) 程序通過網(wǎng)絡(luò)傳送，不存在任何人為干擾。 3.關(guān)鍵技術(shù) 5 3.1 溫度，微觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)力和特性的聯(lián)系 熱處理程序是一個(gè)溫度，微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力互相作用的程序。三方面都能影 響材料特性（見圖 4） 。在加熱和冷卻期間，當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)熱應(yīng)力和相變遲 早會(huì)出現(xiàn)。微觀結(jié)構(gòu)溫度相變和溫度微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性相互影響。對相互 作用的四個(gè)因素的調(diào)查已經(jīng)取得很大的發(fā)展，但普通的數(shù)學(xué)模型還沒有建立。 許多模型能很好的滿足測試結(jié)果，但不能投入到實(shí)踐當(dāng)中。大部分模型的難點(diǎn) 是用分析的方法處理的，同時(shí)數(shù)值方法也運(yùn)用了，導(dǎo)致存在不準(zhǔn)確的計(jì)算 。 圖 4.熱處理工藝圖解 即使如此，把經(jīng)驗(yàn)方法與定性分析相比較，通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)行熱處理模擬 取得了很大的進(jìn)展。 3.2 模型的建立和融合 在模具的開發(fā)過程中，涉及到設(shè)計(jì)、制造、熱處理、裝配、維修等。它們 應(yīng)該有自己的數(shù)據(jù)庫和模型。它們通過事物的內(nèi)在聯(lián)系建立模型，互相串聯(lián)起 來，盡管建立和運(yùn)用動(dòng)態(tài)推理機(jī)制，但其目的在于完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。產(chǎn)品模型和 其它模型的聯(lián)系已被建立。如果細(xì)小組織模型發(fā)生改變，則產(chǎn)品模型也將改變。 事實(shí)上，它屬于數(shù)據(jù)庫與模具之間的聯(lián)系。當(dāng)熱處理模型集成到系統(tǒng)以后，它 已不再是一個(gè)孤立的單位，而是一個(gè)部分，同時(shí)在系統(tǒng)中接近其它模型。在搜 查后，熱處理數(shù)據(jù)庫的計(jì)算和推理能力，熱處理程序都被幾何模型，模具制造 模型和預(yù)算所限制，這是通行的。如果這種限制不服從，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出解釋性的 警告。 所用設(shè)計(jì)的細(xì)小組織都是通過互連網(wǎng)連接的。 3.3 各部分之間的管理和協(xié)調(diào) 復(fù)雜的模具需要其中各項(xiàng)目組之間密切合作。因?yàn)榭紤]到模具的開發(fā)，各 6 部分都存在缺點(diǎn)，它必須得到管理和協(xié)調(diào)。首先，各項(xiàng)目組應(yīng)該確定其本身的 控制條件和資源要求，同時(shí)了解不同環(huán)境下的工作程序，以避免發(fā)生沖突。其 次，要提出開發(fā)計(jì)劃和建立監(jiān)控機(jī)制。如果開發(fā)受到限制則可逐步排除。 敏捷管理和協(xié)調(diào)有助于交流信息，提高效率和減少材料。同時(shí)這有利于激 發(fā)人的創(chuàng)造力，消除阻礙和制定出最好的方法。 4.總結(jié) 熱處理 CAD/CAE 技術(shù)已被集成到模具并行設(shè)計(jì)中去，同時(shí)熱處理已被 制成圖表，這有利于提高效率，較易發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。 模型的開發(fā)已在同一個(gè)平臺(tái)運(yùn)行。在這個(gè)平臺(tái)中，當(dāng)熱處理工藝制定出 來后，設(shè)計(jì)人員可獲得相關(guān)信息和轉(zhuǎn)讓部分信息到其它設(shè)計(jì)部門。 制定出正確的開發(fā)計(jì)劃并按時(shí)調(diào)整可以極大縮短開發(fā)周期和降低成本。 文獻(xiàn)出處： 李雄，張鴻冰，阮雪榆，羅中華，張艷.模具熱處理及其導(dǎo)向平行設(shè)計(jì)J. 鋼鐵研究學(xué)報(bào) 英文版，2006，13（1）:40-43，74