智能制造技術(shù)在機(jī)械齒輪鍛件制造中的應(yīng)用研究

自《中國制造2025》戰(zhàn)略提出以來，智能制造備受社會各界的關(guān)注。傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪鍛件制造工藝在很大程度上依賴人工經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)設(shè)備，制造精度、效率和質(zhì)量穩(wěn)定性等不高。智能制造技術(shù)融合了人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等一系列先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化控制、精準(zhǔn)監(jiān)測和優(yōu)化管理。將智能制造技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械齒輪鍛件制造，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的短板，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量的一致性。

1、傳統(tǒng)機(jī)械齒輪鍛件制造工藝的不足

傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪鍛件制造工藝經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)形成一套比較成熟的流程，包括材料準(zhǔn)備、鍛造、熱處理以及機(jī)械加工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)對產(chǎn)品精度、效率和質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)工藝的不足之處越來越明顯。傳統(tǒng)工藝對操作人員的經(jīng)驗(yàn)依賴程度非常高。在鍛造時(shí)，工人只能憑借自己的經(jīng)驗(yàn)來判斷鍛造溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)是否合適。由于不同的工人經(jīng)驗(yàn)和能力水平不同，導(dǎo)致同一批齒輪的生產(chǎn)質(zhì)量存在差異。在熱處理過程中，工人同樣憑借經(jīng)驗(yàn)控制加熱時(shí)間和冷卻速度，這種方式容易造成齒輪的硬度和韌性不達(dá)標(biāo)。這種缺少智能化決策支持和科學(xué)的參數(shù)選擇方法的制造工藝，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。從生產(chǎn)效率方面來看，傳統(tǒng)工藝的各工序間銜接比較松散，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下、資源浪費(fèi)嚴(yán)重。例如，齒輪鍛坯常常因調(diào)度不合理而被放置在一旁，無法直接進(jìn)行機(jī)械加工。這不僅降低了生產(chǎn)效率，而且占用了場地資源，增加了生產(chǎn)成本。

2、智能制造技術(shù)在機(jī)械齒輪鍛件制造中的應(yīng)用

2.1數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真

在齒輪設(shè)計(jì)的起始階段，工程師們可以運(yùn)用UG、CATIA等功能強(qiáng)大的軟件，把設(shè)計(jì)想法轉(zhuǎn)化成精確無誤的三維數(shù)字模型。以航空發(fā)動機(jī)中的高速重載齒輪的設(shè)計(jì)為例，工程師可以在UG軟件中設(shè)置齒形、齒向、模數(shù)、齒數(shù)等一系列關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建出精確的齒輪三維模型。

完成齒輪的三維建模后，進(jìn)入有限元分析仿真環(huán)節(jié)。DEFORM、FORGE等專業(yè)的有限元分析軟件能夠逼真地模擬齒輪鍛造的整個(gè)過程。在開始模擬前，工程師需要仔細(xì)設(shè)定各種參數(shù)。在模擬過程中，工程師可以通過改變模具型腔的形狀，如調(diào)整型腔的圓角半徑、拔模角度等，觀察金屬在模具里的流動趨勢。工程師可以在模擬過程中優(yōu)化預(yù)制坯料的尺寸和形狀，同時(shí)調(diào)整鍛造設(shè)備的壓強(qiáng)和速度參數(shù)，分析不同參數(shù)組合下鍛件的應(yīng)力應(yīng)變分布情況、溫度變化情況以及最終的成形效果。以某汽車差速器齒輪鍛造為例，工程師通過模擬發(fā)現(xiàn)，按照當(dāng)前的模具設(shè)計(jì)，金屬在齒根處流動不暢，容易產(chǎn)生折疊缺陷。因此，調(diào)整模具型腔的過渡圓角，同時(shí)優(yōu)化坯料尺寸。調(diào)整后再次進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)金屬流動變得均勻，缺陷消除。由此可見，有限元分析為模具優(yōu)化提供了方向，大大減少了試模次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本。

2.2智能化工藝參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法是優(yōu)化齒輪鍛造過程中壓強(qiáng)和速度參數(shù)的有力手段。在確保齒輪鍛坯尺寸精準(zhǔn)度達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，把目標(biāo)設(shè)定為能耗最小，然后圍繞這一目標(biāo)構(gòu)建遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)。遺傳算法會先隨機(jī)生成一組初始的鍛造壓強(qiáng)和速度參數(shù)，再評估每個(gè)參數(shù)組合，計(jì)算它們的適應(yīng)度值。適應(yīng)度值是根據(jù)參數(shù)組合鍛造時(shí)的能耗大小來計(jì)算的，能耗越小，適應(yīng)度值越小，參數(shù)組合就越優(yōu)秀。接下來，進(jìn)入遺傳算法的核心環(huán)節(jié)，即選擇、交叉、變異。在此過程中，逐漸淘汰適應(yīng)度值差的組合，經(jīng)過一代又一代的迭代尋優(yōu)，最終得到一組最優(yōu)的鍛造壓強(qiáng)和速度參數(shù)。經(jīng)過智能化工藝參數(shù)優(yōu)化后，鍛造壓強(qiáng)能夠精準(zhǔn)地控制在95~105MPa，鍛造速度控制在6~8mm.s?1，如下表所示。

2.3自動化檢測與質(zhì)量控制

為了更好地把控齒輪鍛件的生產(chǎn)質(zhì)量，基于融合分析獲得的數(shù)據(jù)，搭建齒輪鍛件質(zhì)量的數(shù)字孿生模型。在齒輪鍛造過程中，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)，繪制鍛造壓強(qiáng)控制圖。該控制圖時(shí)刻關(guān)注鍛造壓強(qiáng)的變化，一旦超出正常范圍，系統(tǒng)會立即發(fā)出預(yù)警。除了統(tǒng)計(jì)過程控制（StatisticalProcessControl，SPC）技術(shù)，利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法可以從多種質(zhì)量數(shù)據(jù)中深入挖掘潛在的質(zhì)量問題。綜合分析大量質(zhì)量數(shù)據(jù)，能夠提前發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常的趨勢。

機(jī)器視覺技術(shù)在鍛件表面缺陷檢測方面有著顯著優(yōu)勢。其通過高清相機(jī)采集鍛件表面的圖像，然后利用強(qiáng)大的圖像處理算法和先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)模型，對這些圖像進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的分析，迅速識別出鍛件表面的裂紋、砂眼、氣孔等表面缺陷，同時(shí)對這些缺陷進(jìn)行分類分級，注明缺陷的嚴(yán)重程度。

為了確保鍛件的尺寸和形位公差符合標(biāo)準(zhǔn)，可以利用激光跟蹤儀和三坐標(biāo)測量儀等高精度測量設(shè)備進(jìn)行鍛件測量。測量得到的數(shù)據(jù)會被及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，一旦控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，就會自動調(diào)整鍛造工藝參數(shù)。這樣能夠保證鍛件質(zhì)量始終符合標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對質(zhì)量問題的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對鍛造質(zhì)量的精準(zhǔn)控制，確保生產(chǎn)出來的齒輪鍛件質(zhì)量更加可靠。

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究智能制造技術(shù)在機(jī)械齒輪鍛件制造中的應(yīng)用效果，構(gòu)建嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)體系。選擇某款具有代表性的汽車變速箱齒輪作為實(shí)驗(yàn)對象。設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)，對照組采用傳統(tǒng)制造工藝，按照既定的流程開展齒輪鍛件的生產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)組利用智能制造工藝生產(chǎn)齒輪鍛件。在實(shí)驗(yàn)過程中記錄生產(chǎn)單件齒輪的時(shí)間和能耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測量齒輪鍛件的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度Ra以及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并計(jì)算成品率。這些指標(biāo)能夠全方位、多角度地評估兩種工藝的優(yōu)劣。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。從表中可以看出，相較于傳統(tǒng)工藝，智能制造工藝在生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)能耗以及生產(chǎn)質(zhì)量方面均有顯著改善。從生產(chǎn)維度來看，傳統(tǒng)工藝單件齒輪的生產(chǎn)耗時(shí)達(dá)50min，而智能制造工藝成功將這一時(shí)間縮短為35min，生產(chǎn)效率提升30%；智能制造工藝生產(chǎn)每件產(chǎn)品的能耗為6.5kW.h，相比傳統(tǒng)工藝降低了17.1%。從產(chǎn)品質(zhì)量來看，智能制造工藝制造的齒輪，其表面粗糙度Ra僅為0.8μm，相比傳統(tǒng)工藝的1.5μm，改善效果明顯；尺寸公差和形位公差分別為0.071mm和0.040mm，相比傳統(tǒng)工藝分別降低了29.8%和5.4%；齒根彎曲疲勞強(qiáng)度達(dá)到950MPa，相比傳統(tǒng)工藝提高了11.8%。在成品率方面，智能制造工藝達(dá)到97%，相較于傳統(tǒng)工藝的92%有明顯提升。

4、案例分析

某大型齒輪制造企業(yè)通過引入智能制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械齒輪鍛件制造工藝的全面升級。該企業(yè)在生產(chǎn)線上部署了各類傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過程中的參數(shù)。在智能化改造方面，引入了伺服液壓機(jī)和機(jī)器人上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能制造。在質(zhì)量控制方面，利用機(jī)器視覺技術(shù)和高精度測量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對鍛件表面缺陷和尺寸精度的實(shí)時(shí)檢測與控制。通過這些技術(shù)的應(yīng)用，該企業(yè)的生產(chǎn)效率提高了30%，能耗降低了20%，并將質(zhì)量合格率由原來的85%左右提高到90%。

5、結(jié)語

文章深入探討了智能制造技術(shù)在機(jī)械齒輪鍛件制造中的應(yīng)用。從傳統(tǒng)工藝面臨的困境出發(fā)，詳細(xì)闡述智能制造技術(shù)在設(shè)計(jì)仿真、生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化以及質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用。由對比實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐案例可知，智能制造技術(shù)能夠大幅提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗，為機(jī)械齒輪鍛件制造帶來了質(zhì)的飛躍。該技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了企業(yè)的生產(chǎn)效益，而且推動了整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

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