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生產工藝
材料熱加工工藝的現狀以及發展
發表時間:2016/3/3  點擊:752

 

    當前,金屬材料仍是應用范圍最為廣泛的機械工程材料,材料熱加工(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等)是機械制造業重要的加工工序,也是材料與制造兩大行業的交叉和接口技術。材料經熱加工才能成為零件或毛坯,它不僅使材料獲得一定的形狀、尺寸,更重要的是賦予材料最終的成份、組織與性能。由于熱加工兼有成形和改性兩個功能,因而與冷加工及系統的材料制備相比,其過程質量控制具有更大的難度。因此,對材料熱加工過程進行工藝模擬進而優化工藝設計,具有更為迫切的需求。近二十多年來,材料熱加工工藝模擬技術得到迅猛發展,成為該領域最為活躍的研究熱點及技術前沿。

0、引言

0.1  使金屬材料熱加工由“技藝”走向“科學”,徹底改變熱加工的落后面貌

         金屬材料熱加工過程是極其復雜的高溫、動態、瞬時過程,難以直接觀察。在這個過程中,材料經液態流動充型、凝固結晶、固態流動變形、相變、再結晶和重結晶等多種微觀組織變化及缺陷的產生與消失等一系列復雜的物理、化學、冶金變化而最后成為毛坯或構件。我們必須控制這個過程使材料的成分、組織、性能最后處于最佳狀態,必須使缺陷減到最小或將它驅趕到危害最小的地方去。但這一切都不能直接觀察到,間接測試也十分困難。

        長期以來,基礎學科的理論知識難以定量指導材料加工過程,材料熱加工工藝設計只能建立在“經驗”基礎上。近年來,隨著試驗技術及計算機技術的發展和材料成形理論的深化,材料成形過程工藝設計方法正在發生著質的改變。材料熱加工工藝模擬技術就是在材料熱加工理論指導下,通過數值模擬和物理模擬,在試驗室動態仿真材料的熱加工過程,預測實際工藝條件下材料的最后組織、性能和質量,進而實現熱加工工藝的優化設計。它將使材料熱加工沿此方向由“技藝”走向“科學”,并為實現虛擬制造邁出第一步,使機械制造業的技術水平產生質的飛躍。

0.2  是預測并保證材料熱加工過程質量的先進手段,特別對確保關鍵大件一次制造成功,具有重大的應用背景和效益

         我國重大機電設備研制、生產的一個難點是大件制造;大件制造的關鍵又是熱加工。我國在2015年以前,水電、火電、核電、冶金、礦山、石化等重大機電設備對關鍵大件制造均有迫切的需求。以三峽水電機組為例,單機容量達70萬千瓦,五大部件(轉輪、蝸殼、主軸、座環、頂蓋)的重量和尺寸均居世界第一。其轉輪直徑達9.8米,重量達500噸,采用鑄焊結構,制造難度很大。

        由于大件形大體重,品種多,批量小,生產周期長,造價高,迫切要求“一次制造成功”,一旦報廢,在經濟和時間上都損失慘重,無法挽回。由于傳統的熱加工工藝設計只能憑經驗,采用試錯法 (Test  and  Error  Method),無法對材料內部宏觀、微觀結構的演化進行理想控制,因而發生多次大件報廢的慘痛事故,投入使用的大件,也難以消除縮孔、縮松、夾雜、偏析、熱裂、冷裂、混晶等缺陷,很多大件帶傷運行。建立在工藝模擬、優化基礎上的熱加工工藝設計技術,可以將“隱患” 消滅在計算機擬實加工的反復比較中,從而確保關鍵大件一次制造成功。這已為國內外不少應用實例所證實。
                                   
0.3  是實現快速設計制造、虛擬設計制造、分布式設計制造的技術基礎

         熱加工是制造業的重要工序,制造業的發展及制造模式的變革離不開熱加工的技術進步。美國國家科學基金會(NSF)用“知識/自動化的不同發展階段對制造業的影響”的圖表(見圖1)形象地說明設計制造技術水平對知識及自動化的依賴關系[1]。從知識這一坐標看,人類經歷了從技藝→手冊指導→專家系統的過程,要達到更為完善的水平,必須進行過程/工藝模擬。因為只有通過模擬仿真,人們才能認識過程的本質,預測并優化過程的結果,并快速對瞬息萬變的市場變化作出設計及工藝的改變;另外,只有通過過程模擬,才能使設計與制造聯成一體。它是實現快速設計、制造,擬實設計、制造以及分布式設計、制造的知識(技術)基礎。
                                 
0.4  本領域是多項學科的交叉,對應用高新技術改造傳統學科進而開拓新興工程技術學科具有重大意義

         本研究領域涉及金屬材料的鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等熱加工學科;物理化學、計算數學、圖形學、材料成形理論、傳熱學、傳質學、流體力學、固體力學、金屬學、金屬物理學等技術基礎學科;計算機應用、測試技術、網絡技術、新材料等高新技術學科。本項研究的學術價值在于:以現代計算機、測試技術為手段,架起技術基礎學科與金屬材料熱加工的橋梁,使基礎學科的理論能夠直接定量地指導材料熱加工過程,體現了基礎學科、高新技術與材料熱加工學科三者之間的相互交叉和有機結合。它使材料熱加工學科由“技藝”真正成為一門“科學”,它將推動材料熱加工理論、計算機圖形學、計算機金相學、計算機體視學、計算傳熱學、計算流體力學、并行工程等新興交叉學科的形成發展。


1、材料熱加工工藝模擬的研究歷程及技術發展趨勢

         材料熱加工工藝模擬研究開始于鑄造過程,這是因為鑄件凝固過程溫度場模擬計算相對簡單。1962年,丹麥Forsund首次采用計算機及有限差分法進行鑄件凝固過程的傳熱計算[2],繼丹麥人之后,美國在60年代中期在NSF資助下,開拓進行大型鑄鋼件溫度場的數值模擬研究,進入70年代后,更多的國家 (我國從70年代末期開始)加入到這個研究行列,并從鑄造逐步擴展到鍛層、焊接、熱處理。在全世界形成了一個材料熱加工工藝模擬的研究熱潮。在最近十幾年來召開的材料熱加工各專業的國際會議上,該領域的研究論文數量居各類論文的首位;另外從1981年開始,每兩年還專門召開一屆鑄造和焊接過程的計算機數值模擬國際會議,至今已舉辦了八屆。近一、二十年來,材料熱加工工藝模擬技術不斷向廣度、深度擴展,其發展歷程及發展趨勢有以下七個方面。
                                 
1.1  宏觀→中觀→微觀

         材料熱加工工藝模擬的研究工作已普遍由建立在溫度場、速度場、變形場基礎上的旨在預測形狀、尺寸、輪廓的宏觀尺度模擬(米量級)進入到以預測組織、結構、性能為目的的中觀尺度模擬(毫米量級)及微觀尺度模擬階段,研究對象涉及結晶、再結晶、重結晶、偏析、擴散、氣體析出、相變等微觀層次,甚至達到單個枝晶的尺度。
                                   
1.2  單一分散→耦合集成

        模擬功能已由單一的溫度場、流場、應力/應變場、組織場模擬普遍進入到耦合集成階段。包括:流場←→溫度場;溫度場←→應力/應變場;溫度場←→組織場;應力/應變場←→組織場等之間的耦合,以真實模擬復雜的實際熱加工過程。
                                 
1.3  共性、通用→專用、特性

        由于建立在溫度場、流場、應力/應變場數值模擬基礎上的常規熱加工,特別是鑄造、沖壓、鑄造工藝模擬技術的日益成熟及商業化軟件的不斷出現,研究工作已由共性通用問題轉向難度更大的專用特性問題。主要有以下兩個方向:

(1)  解決特種熱加工工藝模擬及工藝優化問題:為鑄造專業中的壓鑄、低壓鑄造、金屬型鑄造、實型鑄造、連續鑄造、電渣熔鑄等;鍛壓專業中的液壓脹形、楔橫軋、輥鍛等;焊接專業中的電阻焊、激光焊等。

(2)   解決熱加工件的缺陷消除問題:應用模擬技術,已經成功地解決了大型鑄鋼件的縮孔、縮松,模鍛件的折疊及沖壓件的斷裂、起皺問題,目前的研究熱點集中在鑄件的熱裂、氣孔、偏析;大型鍛件的混晶;沖壓件的回彈;焊接件的變形、冷裂、熱裂;淬火中的變形等常見缺陷的預防和消除方法的研究。
1.4  重視提高數值模擬精度和速度的基礎性研究

        數值模擬是熱加工工藝模擬的重要方法,提高數值模擬的精度和速度是當前數值模擬的研究熱點,為此非常重視在熱加工基礎理論、新的數理模型、新的算法、前后處理、精確的基礎數據獲得與積累等基礎性研究,為此需要多個專業學科的研究人員通力合作才能有所突破。

1.5  重視物理模擬及精確測試技術

        物理模擬揭示工藝過程本質,得到臨界判據,檢驗、校核數值模擬結果的有力手段,越來越引起研究工作者的重視。有以下一些新的動向:

(1)   應用高新技術,設計、開發新型物理模擬實驗方法及裝置。現舉兩例:①.美國衣阿華大學以乙二烴作為模擬物質(其結晶過程與金屬相似,且本身透明,易于觀看),通過四個CCD攝象機連續觀察并記錄其結晶過程,可以直接觀看重力、對流等因素對結晶的影響,十分直觀。②美國密西根大學吳賢銘制造中心研制的沖壓件表面大應變量的激光測量系統:應用裝在三坐標測量儀上的激光探頭大視野掃描帶變形網格的沖壓件,經數據處理后,成為校核數值模擬結果的有效手段。

(2)  正確、合理處理數值模擬與物理模擬(含實驗驗證)之間的關系

①根據模擬對象,合理確定兩者的應用比例:一般來講:工件越大,設備越龐大,則數值模擬的作用及工作量比例越大。以美國凈成形工程研究中心(NSW/ERC)的研究工作為例,數值模擬占工作量比例分別為:模鍛:80%;管件液壓成形:50%;切削30%

②揚長避短,發揮兩者的不同特長

         為此,要準確了解模擬軟件的功能,對于軟件力不能及的問題或由于簡化而導致誤差過大的部位,通過實驗或物理模擬,進行修正;一旦確定了數值模擬的誤差并加以修正后,應盡量發揮數值模擬的作用,以節省實驗的花費。NSM/ERC在管件成形中,先采用實驗確定單道次脹形機理并修正有限元數值模擬誤差后,然后用有限元方法進行多道次工藝模擬,并完成預成形與最后脹形工序的協調。這種配合充分發揮了兩者的長處。

        一般來講,數值模擬均需用實驗或物理模擬方法校核,當兩者有差別時,應以實驗為準。
                                 
(3)  高度重視基礎數據的測試技術

         為了模擬材料的熱加工過程,需要了解工件及模具(或鑄型、介質、填充材料等)材料的熱物性參數、高溫力性參數、幾何參數、本構參數、接觸、摩擦、界面間隙、氣體析出、結晶潛熱等各種初始條件、邊界條件的數據。沒有這些數據,模型只是空架子;而這些數據的準確性對計算結果有很大的影響,為此,最近十分重視這些基礎數據的獲得。例如,為獲得準確的摩擦邊界數據,鍛壓工藝模擬的研究項目大多進行專門的摩擦實驗來測量摩擦系數,并發現常用的庫侖定律與實際情況有很大的差別。

        材料的熱物理及力性參數數值的一般獲得途徑是:通用材料主要靠查表;特殊材料由用戶提供;尚無法通用實驗獲得的高溫數據用外推法。
                                   
1.6  在并行環境下,工藝模擬與生產系統其它技術環節實現集成,成為先進制造系統的重要組成部分起初,工藝模擬多是孤立進行的,其結果只用于優化工藝設計本身,且多用于單件小批量毛坯件生產。近年來,已逐步進入大量生產的先進制造系統中,實現以下三種不同方式的集成。

(1) 與產品、模具CAD/CAE/CAM系統集成美國金屬加工先進技術研究中心(NCEMT)在海軍資助下,正在開展并行工程環境下的RP2D (Rational  Product/process  Design)技術。將鑄造工藝模擬與產品、模具設計和加工結合起來。

(2) 與零件加工制造系統集成:在零件加工制造系統中,工藝模擬作為重要的支撐技術,并朝著將模擬結果作為系統的過程閉環控制的參數這一方向努力。美國吳賢銘制造中心研究的“接近零余量的敏捷及精密沖壓系統”及“智能電阻焊系統”;西北大學研究的“板料成形計算機集成控制系統”(其技術路線見圖2)等都屬于這種類型。

(3)與零件的安全可靠性能實現集成:美國西北大學在航空重要復雜鑄件的研究中,將模擬結果與鑄件的性能,特別是安全可靠性聯系起來,開發了鑄件的安全臨界設計系統(Safety  critical  casting  design  system),用于指導鑄件的損傷容限設計。
1.7  以商業軟件為基礎,改進提高研究與普及應用相結合

(1)經多年研究開發,已經形成一批熱加工工藝商業軟件,主要有MAGMA PROCASTSIMULORSOLDIASOLSIARAFSSolidification  System3D(鑄造)DEFORM AUTOFORGESUPERFORGE  (體積塑性成形)DYNA3DPAM-STAMPANSYS  (板料塑性成形)ABAQUS   (焊接)等。

(2)已在鑄造、鍛壓行業生產中得到較廣泛應用:如日本已有約10%鑄造工廠采用此項技術;美國福特、通用汽車公司在開發新車型時,已將板材沖壓過程的數值模擬作為一個重要技術環節;法國應用此技術對400噸重的核電轉子鍛件的鍛造工藝進行了校核、優化,確保了一次制造成功。

(3)數值模擬已逐步成為新工藝研究開發的重要手段和方法。在工業發達國家(如美國),應用商業軟件進行數值模擬已成為與實驗同樣重要的實現技術創新,開發新工藝的基本研究手段。

(4)選擇合適的商業軟件為軟件平臺,結合具體問題,進行改進提高研究,逐步成為多快好省的研究方法。具體方式有:

①對現有軟件的某些技術問題進行理論研究;
②為解決具體問題插入自編軟件模塊; 
③應用理論分析補償法、實驗補償法等,找出并消除商用軟件的誤差,使模擬結果更精確;
④與軟件公司合作,增加軟件功能,實現軟件升級。
                           
                                 
2、對我國開展熱加工工藝模擬研究與應用的建議

         我國七十年代末,從鑄造行業開始,開展了該領域的研究工作。十幾年來,在機械部、國家科委、國家自然科學基金會的支持下,在本領域的研究工作先后全面展開,全國很多單位投入這項工作,已在全國形成了一個較大的研究熱潮。研究工作基本緊跟國外技術前沿的步伐,已從宏觀模擬進入微觀組織模擬階段,并已開展并行工程環境下的模擬集成工作。特別是1997年國內多家研究院所和大學聯手建議的“金屬材料熱成形過程的動態模擬及組織性能質量的優化控制”獲得國家科委及機械部(基金會)的聯合資助,入選國家攀登計劃預選項目,為我國趕超世界先進水平提供了很好的條件。根據本文對該領域研究歷程及技術發展趨勢的分析,結合我國情況,提出以下發展建議:
                                 
2.1  加強模擬軟件商品化工作

         通過多年研究,我國已形成一些準商品化軟件,如FTSOLVER  4.0SIMU-3D等。但與工業發達國家相比,存在有較大的差距,我們應采取多種方式(自主開發、與國外軟件公司合作開發、在已有商業軟件中插入自主開發模塊,實現軟件升級等)加快模擬軟件商品化工作,開發出有自主版權的商品化軟件。特別要注意盡量應用國內外比較成熟的軟件平臺(特別是前后處理),避免一切從零開始,做低水平的重復。
                                 
2.2  大力普及已經成熟的熱加工工藝模擬技術

        要在工廠及研究單位(包括大學的研究小組)普及熱加工工藝模擬技術,使之成為優化工藝設計、科研攻關、技術創新的重要手段。普及方式可以購買、使用商業軟件,也可采用比較成熟的國內開發的單項技術或模塊。
                                 
2.3  重視物理模擬及測試技術的配合使用,提高數值模擬的精度

        在重視工藝數理模型及算法研究的同時,要重視加強物理模擬及測試技術,使其在揭示過程本質、檢驗、校核數值模擬結果,提高模擬精度方面發揮重要的作用。
                                   
2.4   集中優勢力量,瞄準有限目標,攀登世界先進水平。我國目前的研究工作,有一些已接近或達到世界先進水平。如:焊接凝固裂紋精確評價技術及開裂判據;焊接氫致裂紋精確評價技術及開裂判據;伴隨有動態再結晶過程的金屬熱塑性本構關系;三維塑性成形晶粒度演化模擬及組織預測;板料成形模擬的半顯示時間積分的有限元算法;金屬材料準固相區熱應力本構方程及模擬仿真;電渣熔鑄工藝過程三維模擬及優化;球墨鑄鐵及鎳基合金的微觀組織模擬;固態相變條件下彈塑應力場應變分量的理論分析及模擬;并行工程環境下金屬熱成形模擬仿真。

        我們應瞄準上述有限目標,集中優勢力量,刻苦攻關,爭取作出較大的成績,攀登世界科技前沿水平。
                                 
2.5  多渠道資助熱加工工藝模擬技術研究

        除國家攀登計劃資助基礎性及前沿研究工作,國家及部門級各類計劃都應把過程/工藝模擬技術的研究、開發及應用作為資助重點,支持不同層次的工作。

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