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在热模锻过程中应用测量技术的可能性研究
Marek Hawryluk, Jacek Ziemba
摘要
本文是一篇综述性论文，通过使用车间计量过程中使用的各种测量工具、仪器和机器，展示了将现代测量技术应用于锻造行业的可能性。这篇文章讨论了测量技术的不同方面，强调测量技术在安全（从锻件 - 产品）方面的重要性，以及由于热锻工业过程中的极端条件（循环的高强度机械负载和高温）而导致的重大测量问题。该论文还分析了应用扫描技术直接监测工业锻造过程中工具质量和几何形状的变化（无需将其拆除）的可能性和有效性。此外，还介绍了应用数值模拟结果（FEM）来确定在工业条件（温度分布，应力，变形等）下很难或不可能测试的物理量。这篇文章还提供了其他锻造方面测量技术的选择，包括评估锻造工具的温度测量，分析和改进锻造模具寿命，检查锻造机械和设备的技术状况，以及建立对锻造应力的控制和和测量系统。
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关键词：计量学，质量控制，工业热模锻工艺，锻造工具和仪器
- 引言
工业发展的实质是不断改进产品质量和降低生产成本，这与缩短较复杂测量程序的时间间接相关。 通过不断改进测量技术和实施新的CAD / CAM技术，就能使这一过程成为可能。目前，经典的测量方法和坐标测量技术（CMT）为开发现代计量学提供了最强劲的动力，尤其是在锻造行业。
模锻工艺是最难执行的制造工艺之一。尽管该技术相对而言广为人知，但是要制造形状复杂的合格锻件，并且能够满足客户对精度和质量的要求，还需要工艺工程师和操作员的丰富经验。在锻造过程中的每个阶段，都有可能导致锻件质量下降。影响锻件质量的基本因素之一是在锻造过程中应用的模具（其质量和制造精度），机械和设备（磨损，间隙等）。锻造模具和其他仪器（外壳，补偿环，套筒，垫圈，楔子等）的磨损会导致制造产品的几何形状发生变化，并且模具上的任何表面缺陷（裂纹，损伤）都会反映在锻造产品上[16]，影响产品的质量。锻造单元的情况和其他辅助设备的情况相似。压力机和锻模往往被过度使用，而它们在锻造过程中往往处于不利状态下，导致其和其他组件的磨损显著变快。这又最终变为锻件几何形状的变化，台板 或滑动导轨的形状和位置的错误。这就是为什么在生产过程中不仅需要对锻件质量进行全面监控，还需要对锻造设备进行监控，并定期检查关键机器部件和锻造设备。在大多数进行锻造工业的工厂中，这种检查是基于对所制造元件或单个模具（模具，冲头，喷射器等）的质量的视觉评估以及在选定控制点的测量评估，通过使用传统的测量仪器或简单的形状测量仪。然而，对于锻造单元的检测的频率最少，有时仅在发生故障后才进行检查。目前使用的传统测量方法无法对整个物体的质量和精度进行快速并全面的评估。坐标测量技术（CMT）的运用，使得我们可以通过坐标测量机和扫描仪或带有集成扫描仪的测量臂进行测量，从而可以在生产过程中直接进行测量。
波兰的大多数锻造厂仍然使用传统的测量工具来检查物体（锻件，锻造仪器，锻造机械和设备）的质量。这些仪器包括：用于测量长度和直径的通用工具（数字和类比滑动卡尺，类比测微计，2点和3点杆计，量块，间隙计，高度计，量角器，千分表，基于传感器仪器等），这主要是由于两个原因造成的：首先，这种类型的仪器已经在锻造行业中使用了很多年，而且它们可靠，易于使用，该行业曾经只需要很低的测量精度；第二，工业工厂尽管意识到控制产品质量的需要，但往往出于财务原因，对于测量的仪器和方法并没有足够的重视，通常仅仅是检查或测量被给定的尺寸或形状，这是约定俗成的。目前这种情况正在越来越频繁的发生改变，特别是在现代化的锻造中，现在更加重视应用更好更精确的测量工具和采用新的测量方法。这也与其购买商对锻件的要求越来越高直接相关。
本文的目的是回顾当前在工业热模锻工艺中使用的测量设备和方法以及计算机辅助软件（CAD / CAM，FEM），其中包括：测量温度，分析模具几何形状在锻造过程中的变化以及锻造单元的评估和定期检查，包括使用测量和控制系统来讨论测量问题，并介绍该领域的初始研究方向。
- 锻造仪器的测量和控制
在锻造仪器和锻件的质量控制过程中使用相同的测量工具和仪器（被选定的符合技术要求的几何特征）。 锻造过程中热锻模具的测量很少进行。 值得注意的是，在 锻造过程中，模具受到可变循环热负荷（80至650°C）和机械负荷（0-850 MPa）的影响。 由于这种不利的工作条件，锻造仪器和机械展现出几何不稳定和相对较低的寿命的特点。 锻造模具所处极端工作条件意味着它们必须经过严格的质量控制。
下面列出了测量技术最重要的一些方面，以及在测量工业热模锻工艺关键元素或阶段的重要参数和物理量过程中所涉及的一些问题。
2.1 温度分布的测量和分析
温度是许多工业过程较为重要的具有代表性的参数之一。就锻造工艺而言，温度场的分布及其随时间的变化对锻造模具的寿命具有重要意义。根据温度测量结果，我们可以识别和分析锻造过程中发生的现象，并从中得出结论。在模具上确定的温度分布通常构成了各种分析和数值模拟方法的边界和输入数据。工业过程中的温度测量是热工程中最困难的工程之一。它始终是一种间接测量。测量过程一般会使用直接取决于温度的温度体特征。以下是一些最常见的变化量：流体和气体的体积，固体长度，电阻，两种金属界面处的电压，物体发射的热辐射。 如果在温度测量过程中通过传导或对流发生热量计和给定物体之间的热交换，则需要温度计和给定物体之间的接触，在这种情况下发生接触式测量。 反过来，如果热测量元件（传感器）接收到热辐射，则会产生非接触式测量。 除了提到的测量方法外，还可以使用温度指示器：用来改变形状的固体（Seger锥体），以及蜡笔，测温油漆和在特定温度下改变颜色的液晶。
接触测量，例如使用温度计，热敏电阻或常用的热电偶，由于与被测物体直接接触（通常是点接触），是最可靠和最准确的测量方式。 而且，接触式测量的优点很多：高度的多样性，设计简单和温度计的高精度。 这种测量方法的缺陷是：需要与被测物体接触（带电，运动中或距离较远的物体不能测量），由于时间常数的存在而难以测量快速变化的温度，需要避免温度计受周围环境（非被测物体）的辐射，并保证温度计与被测体接触良好。
由于电子领域技术的进步和数字技术的引入，非接触式温度测量越来越多地被用于工业实际生产中。它们的主要优点是：使用越来越简单，设备功能的扩展以及测量结果的连续可视化。采用非接触式测量的缺陷是：温度场的分布只能在物体表面上测量，例如高温计或热视觉相机。另外，由于被测物体热辐射的不均匀性，这种测量通常是不准确的。工业模锻工艺的特点是高度动态的温度变化（预锻坯的直接成型时间平均持续0.5秒以下）。连续温度测量技术可以检测工序是否严格遵守技术要求，这就是该技术非常重要的原因。持续的温度监测可以在发生不希望的事件或情况时进行适当的处理。图1展示了使用A320 Flir摄像机进行热视觉测量的例子，用来确定单次锻造操作过程中凹模表面的温度分布。在第一次操作中检测到模具表面上的最高温度。模具镶块表面上的平均温度（锻造数秒后）约为400℃，在锻造过程中近表层的平均温度可能高得多。此时模具镶块尚未冷却。
第二次和第三次操作中的模具采用石墨悬浮液冷却。 在第二次操作中，检测到整个模具表面上的温度明显发生改变。发现在靠近锻工一侧的部分比离锻工最远的部分温度约低100℃。 这很可能是由于不正确的冷却方式（喷嘴位置）或锻造时工件在模具中的不均与放置导致的。第二次操作中的最大模具温度约为 270℃。 在第三次操作中可以在模具上观察到比第二次操作更均匀的温度分布。同时，最高温度约为250℃。
图1
温度是热锻过程中非常重要的参数，无论是从模具寿命还是成品的质量角度来看。预热对模具寿命的影响非常大。在较低的温度下，钢的韧性较差，加热后的坯料和模具之间的温度差所导致的“热冲击”可能会导致非常严重的断裂。例如，在作者分析的hake锻造工艺中，模具表面的最高温度为160°C（图2a），比技术卡片中给出的推荐温度低约90°C。另外，为了确定温度分布，尤其是在模具表面正下方的近表层或锻件在模膛中成形时的温度分布，通常需要使用数值模拟 - 有限元分析（图2b），然后通过测量模具的外部温度来验证模拟的正确性。选择正确的方法和装置，对于温度测量的准确性而言是需要认真考虑的问题[11]。
图2
测量时，若使用热像仪或高温计进行测量，则与物体表面温度有关，并且常常因为这些设备设置的发射率恒定值（通常为0.95）而产生误差。 在这种测量过程中，该参数改变导致的动态温度变化的重要事实被忽略，从而成为额外误差的来源。这种现象的一个例子如图3a和b所示，由于相机取景器（测量点）的设置，相同的物体（锻件）表现出的温度差异将近200°C。
通常，非接触式温度测量仪器的校准需要使用接触式传感器辅助。在这种特殊情况下，使用热电偶可以最大限度地减少测量误差。不幸的是，在工业锻造过程中这是非常困难甚至不可能的。 这就是为什么要不时将热电偶放置在尽可能接近工作模膛（例如10毫米）进行测试的原因。此外，该测量过程使用FEM建模。建模之后，在锻造模具上的选定点进行接触测量来验证从数值模拟获得的结果是否正确。在此基础上，使用经过验证的数值模型，可以对该模具的其他区域进行温度分析。
摩擦条件决定了温度测量的意义和影响温度测量的因素。 在锻造过程中也使用润滑剂，它不仅用于润滑还能用于冷却模具。这是进行非接触式温度测量的另一个重大障碍。 为了分析锻造过程中模具镶块的温度变化，作者制作了自己的测量系统。 这允许我们将热电偶（图4a）通过特殊凹槽插入模具插件来完成模具的的温度测量（图4b）。
根据对锻造过程中温度变化的传导测量，可以推出润滑冷却剂的剂量增加导致模具温度降低了大约 120°C。（图4a）。
图3
图4
此外，对整个工艺过程进行分析，可以发现在给定模具后的整个操作过程中，受控的润滑效果十分重要。任何导致润滑冷却液的流量变化（甚至是最小的变化）的设置或其他“随机”事件都可能导致决定性的不可逆转的变化，导致锻造设备的损坏。较大的变化和较高温度梯度会产生不利的影响，因为它们可能会导致模具材料承受热冲击，从而导致模具开裂。
2.2 使用非接触式测量技术测量模具几何形状的变化 - 扫描
坐标测量技术为现代计量学的发展提供了巨大的动力。目前在工业坐标测量技术中观察到了新的发展趋势。最明显的变化是在测量过程中使用数值3D模型来确定坐标值。这与现代ISO GPS尺寸测量方法有关，它需要将测量机的测量软件与数字CAD模型相结合。另一个重要的趋势是确定分析的几何特征所需的的测量点数量不断增加。其中一个特征是体积磨损率，它也可以用于分析锻造模具的形状变化来预测其磨损过程。该参数同样可用于医学等多种领域。例如，在本编论文中，作者介绍了应用配备接触式测量头的坐标测量机，来分析关节假体球面的体积磨损率的方法。然而在论文中，作者通过使用接触式扫描测量头扩展了关于分析众多扫描参数变化影响的研究。同时，在论文中，作者分析了增加测量期间收集的点数对体积参数的准确性的“有利”影响。此外，移动式测量设备也越来越得到工业界的关注。毫无疑问，这些设备包括线性激光扫描仪和配套专用软件的测量臂。
由于其灵活性和通用性，测量臂可以替代协调测量机器，从而降低测量精度。这种类型的测量、监测和评估成型模具状况的方法，在现在十分常见。应用 3D扫描方法的一个例子是使用光学扫描仪来定义工件表面的形状误差，然后根据获得的数据确定再生填充过程的几何规格。采用扫描仪的3D扫描方法的另一个途径是使用表面的形状误差分析来评估氮化或用混合涂层涂覆的锻造模具的磨损。这些分析是基于比较扫描过程中获得的图像（工作前的新锻造模具或该模具的参考CAD模型，和锻造后的相同模具）来确定被测表面的形状误差。
例如，图5显示了在Mitutoyo的CMM机器上进行的锻造模具（端盖锻造的第二次锻造过程中使用的填料）的测量结果，该设备配备有分度旋转MH20i测头和TP20探针，这可以实现不确定度的测量：U =plusmn;（3.5 4.0 L / 1000）[mm]其中L是以毫米为单位的测量长度。
在锻造过程和完成锻造之后，对锻造模具的测量越来越频繁，这是因为工程师希望对工业锻造工艺中的模具磨损程度进行分析。 在预测制造过程中锻造设备的磨损时，这些信息显得尤其重要。 对于小型锻造模具，需要更高的测量精度，一般个位数的微米级别。 在这种情况下， 有必要采用基于坐标测量机为基准的测量方法。 对于大型锻造模具而言，采用三位数微米级别的测量精度且允许对测量结果进行适当修改的情况下，可以应用配备了线性扫描仪的现代测量臂。
图6的事例给出了用于锻造叉式锻件的模具镶块的扫描结果，该锻件具有可见的局部磨损（0.82mm）。 图7展示了用于锻造同心连接件外壳的多个操作过程中的冲头的扫描结果（其中根据标准B89，使用的带有RS2扫描仪的7520 SI测量臂的测量精度为0.058mm）。
对扫描图像进行分析（图7），可以观察到最大磨损位置位于冲头的外边缘（具有材料损失值的点）上，这是出现碎裂和裂纹的位置 ，在显微镜分析中也能观察到这一现象。
作者还使用扫描仪进行了其他测试，例如用于模具底部销钉的磨损分析，用于锻造锤上梳子的磨损分析（图8）。
作者讨论了在冷修剪和模锻过程中使用非接触式测量对模具进行磨损分析的可能性。 还展示了用于修整车轮锻件的一套模具（图9）。
使用配备有RS3线性三角测量扫描仪的Romer绝对式ARM测量臂进行测量分析时，可以在大约0.2mm的水平上观察修边机上的材料损失，沿模具整个周边呈凹槽形式。更深入的分析表明，最大的磨损不是在边缘本身，而是在距离边界约 2毫米的位置上。 这种非典型磨损目前是更高级研究的主题。lt;
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