预成形设计在锻造工艺设计中具有重要的意义。复杂锻件在成形时，往往很难一次性成形，需要进行多次的预成形，而且预锻件形状和终锻件形状关联性比较强，直接影响金属的流动，从而影响最终锻件的几何尺寸和成形质量。对于一个给定的锻件形状，其预锻件形状有无数种可能，而预成形设计就是从这些无数的形状中选择一条最优的形状。此外，不同的工艺参数和不同的预成形形状组合，得到的最终锻件质量也有很大不同。因此，如何实现预成形形状和工艺参数的最优组合是生产高质量产品的关键，也是模具设计的难点之一。目前国内外主要是运用基于经验和数值模拟技术进行结果验证的试错法，但基本思路仍与传统的试错法思路一样，只是验证的手段不同。为解决上述问题，本文在已有的研究成果上更为深入的探讨了电场法在预成形设计中的应用。电场法是利用静电场中带有不同电压的两个导体之间等势线分布类似于金属塑性变形过程的原理，能够模拟坯料与锻件之间的最小变形路径。本文进一步将该方法与数学模型、数值模拟方法相结合，应用到一些具体的成形工艺过程中，最终优化得到一组预锻件形状和工艺参数的最优组合，结果比较令人满意。对此本文主要进行了如下内容的研究：①基于相似原理证明电场法模拟金属材料成形过程的的可能性，给出了基于MATLAB自带的MBC（Model-Based Calibration）工具箱进行建模和优化的方法。并以某档位齿轮三维轴对称件为例，给出了基于电场法的锻件预成形设计一般方法。②以某轴对称的档位齿轮锻件为例，运用电场法对需要制坯、预锻和终锻三工序的模锻成形工艺进行预成形设计。首先运用电场模拟获得坯料与锻件之间的等势线分布，确定合适的等势线取值范围，然后以等势线电势值为局部变量，终锻时的压机速度、摩擦因数、锻件温度为全局变量，以锻造充填率和成形载荷为优化目标，利用有限元软件DEFORM进行数值模拟分析，基于MBC工具箱对其进行数学建模；运用优化工具箱CAGE（Calibration Generation）进行基于锻件填充率和成形载荷的两目标优化分析，最终得到了填充饱满，晶粒尺寸均匀细小，而且终锻力较小的齿轮锻件。③以某大飞机7050铝合金锻件为例，对需要制坯和终锻两工序的三维复杂锻件模锻成形进行了基于电场法的预制坯优化设计。与三维轴对称档位齿轮件类似，运用静电场模拟方法获得坯料和铝合金锻件之间的三维等势线分布，通过等势面的分布规律判断锻件成形过程中金属的流动情况，判断铝合金锻件锻造过程中可能出现的缺陷；采用交互式医学影像控制系统(简称Mimics)软件提取三维静电场的等势面；并根据锻件的特点，采用分段设计预制坯的方法，将锻件各段提取的等势线进行简化，通过三维建模得到需要的预制坯形状。基于静电场模拟结果，将等势面电势值作为局部变量，终锻的压机速度、摩擦因数、温度为全局变量，以锻造充填率、晶粒尺寸和成形载荷为优化目标。基于MATLAB工具箱MBC对大飞机铝合金锻件进行数学建模；利用优化工具箱CAGE进行基于锻件填充率、晶粒尺寸和成形载荷的三目标优化设计，最终确定预制坯形状和工艺参数的最优组合，得到填充完整，晶粒尺寸细小而且终锻力较小的终锻件。④对优化后的7050铝合金锻件预制坯进行终锻成形，并对相关场变量进行数值模拟分析，结果显示与传统预成形设计相比，采用优化后的预制坯，终锻后锻件的最大等效应变和等效应力减小，过渡比较明显且过渡区域比较大，变形更加均匀，晶粒尺寸更细小，材料的分配与流动更加合理，充填性能提高，终锻力降低，从而证明了基于电场法的预成形设计方法的可行性和结果的可靠性。