塑性成形控形與控性技術發(fā)展

1、塑性成形控形與控性技術發(fā)展目 錄引言概念一二三具體技術 我國制造業(yè)現(xiàn)狀 我國制造業(yè)發(fā)展的局限及原因 制造業(yè)升級的解決辦法一、引言目 錄二、概念三、具體技術一、引言目 錄二、概念三、具體技術沒有競爭力的低附加值產(chǎn)品高端裝備關鍵零部件我國制造業(yè)現(xiàn)狀大而不強我國制造業(yè)現(xiàn)狀究其原因大而不強一、引言目 錄二、概念三、具體技術產(chǎn)品壽命低，可靠性差重產(chǎn)量，輕質(zhì)量，重成形制造，輕控性基礎工藝發(fā)展粗放，缺失高性能化制造技術致命傷致命傷一、引言目 錄二、概念三、具體技術成形制造高性能制造控形控性20世紀90年代獲得所需制件的形狀和尺寸通過成形過程改變材料內(nèi)部組織結構和應力狀態(tài)，從而大幅度改善和提高材料性能 高性能

2、化制造 高性能化智能制造 成形制造的控形控性一體化智能技術 數(shù)字化智能改性控形技術一、引言目 錄二、概念三、具體技術目 錄高性能化制造高性能智能化制造數(shù)字化高性能化智能設計智能改性與控性技術融合智能熱處理數(shù)字化智能改性控形技術成形制造的控形控性一體化技術鑄造成形的控形控性一體化智能技術塑性成形的控形控性一體化智能技術焊接的控形控性一體化智能技術增材制造的控形控性一體化智能技術避免材料表面損傷的切削加工智能技術功能強、壽命長、可靠性高和輕量化以使用/服役性能為第一要求，性能驅(qū)動的數(shù)字化制造新原理和新方法強調(diào)控形控性一體化，并在數(shù)字化環(huán)境下實現(xiàn)整個制造過程各個環(huán)節(jié)的并行處理一、引言目 錄二、概念三

3、、具體技術切削加工、鑄、鍛、焊、增材制造等加工環(huán)節(jié)，除了成形之外，也都在不同程度上改變材料的組織，影響材料的性能。為何研究？以模擬仿真和大數(shù)據(jù)知識建模為獲取與利用知識的手段，在掌握成形過程中材料組織與缺陷演化規(guī)律的基礎上優(yōu)化加工工藝，實現(xiàn)控形與控性一體化。特點它們相互之間以及與智能熱處理之間在數(shù)字化環(huán)境下并行處理，實現(xiàn)產(chǎn)品制造全流程的優(yōu)化。成形制造的控形控性一體化智能技術一、引言目 錄二、概念三、具體技術材料內(nèi)部的組織轉(zhuǎn)變無法實時測量與感知，以致材料改性控性成為裝備制造業(yè)信息化的一個盲區(qū)和智能制造之死角。為何研究？采取基于模擬仿真的預報型智能決策的路徑，發(fā)展具有自動生成優(yōu)化的改性控性工藝和隨機

4、補償過程偏差之遺傳效應等功能的數(shù)字化智能改性控性技術。特點特點綜合應用計算機模擬、試驗研究，大數(shù)據(jù)等研究手段研發(fā)先進的材料改性控性工藝和裝備，實現(xiàn)熱處理和各個成形制造環(huán)節(jié)中的控性技術緊密結合，為提高工件內(nèi)在質(zhì)量，提高使用壽命和可靠性打?qū)嵒A。數(shù)字化智能改性控形技術一、引言目 錄二、概念三、具體技術塑性變形靠壓力靠彎矩和剪力軋制鍛造擠壓靠拉力沖壓拉深拉拔拉形彎曲剪切 六七十年代，熱處理及化學成分的調(diào)整； 七八十年代，控軋方式實現(xiàn)強韌化； 八十年代以后，控軋控冷技術實現(xiàn)強韌化； 至此，熱機械控制工藝得到了廣泛應用。一、引言目 錄二、概念三、具體技術組織性能控制的發(fā)展軋制近年來，對軋制過程中鋼材組織

5、性能演變的模擬、預測與控制成為國際材料研究的熱點軋制過程及軋后冷卻過程的組織演變規(guī)律是控軋控冷理論的基礎隨著現(xiàn)代物理冶金熱變形技術、熱機械處理技術和計算機技術的興起與發(fā)展使預測和控制合金熱塑性變形過程中的組織演變從而獲得良好的最終機械性能成為可能，因而當今的塑性成形正朝著控形控性即控制成形方向發(fā)展。其基本思想是應用新的理論優(yōu)化產(chǎn)品塑性成形工藝及后續(xù)熱處理工藝再應用現(xiàn)代控制技術控制塑性成形的全過程使產(chǎn)品的外形尺寸及其組織結構和性能均在塑性成形過程中一次達到設計要求。 基于物理冶金基礎的數(shù)學模型已成功應用于組織和機械性能預測及工藝過程控制。 采用Avrami模型描述動態(tài)再結晶過程的動力學過程,此領

6、域日本學者做了大量的工作,并已將此方法用于軋制過程的在線控制。 采用Monte Carlo隨機統(tǒng)計方法對動態(tài)再結晶過程進行分析。 采用元胞自動機(cellular automaton,CA)法對動態(tài)再結晶過程進行分析。一、引言目 錄二、概念三、具體技術控制塑性成形過程微觀組織變化軋制 大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術一、引言目 錄二、概念三、具體技術 上海交通大學材料學院開展了基于模擬仿真的“控形控性一體化”鍛造工藝研究，應用于核電一體化封蓋和主管道等大鍛件生產(chǎn)，收到了正確控制大鍛件材料質(zhì)量的效果。鍛造 制造大型結構件/重要承載件 服役條件惡劣 要求工作壽命長 重達幾十到幾百噸一、引言目 錄

7、二、概念三、具體技術鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術縮孔、偏析、晶粒粗大大型鑄錠鍛造大鍛件獲得足夠精度的鍛件避免不合理的內(nèi)部流線和折疊缺肉等缺陷成形指改善內(nèi)部鑄態(tài)缺陷和細化晶粒，為后續(xù)熱處理準備良好的初始組織狀態(tài)成性（側重控性預報） “形”與“性”是在以高溫高壓為主要特征的工藝過程中形成的，過程中的溫度場、應力場、應變場和應變速率場與材料的化學成分一起決定了金屬的流動狀態(tài)、缺陷和微觀組織的演變過程。 成本極高，試驗研究困難一、引言目 錄二、概念三、具體技術鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬成形過程微觀組織演變的元胞自動機模擬 研究手段：建立多

8、場耦合的數(shù)值模擬模型，以計算機模擬代替部分大型鍛造試驗，構造大鍛件控性鍛造過程的數(shù)值模擬技術。一、引言目 錄二、概念三、具體技術 大鍛件鍛造的一個重要目的就是要創(chuàng)造合適的應力應變狀態(tài)，以閉合原始鑄錠內(nèi)部的空洞和疏松型缺陷，并通過高溫保壓使缺陷焊合。背景如果鍛件內(nèi)任意一點有空洞型缺陷(給定缺陷體積百分比)，在宏觀應力應變作用下，該缺陷的體積會如何發(fā)生變化，以及在何種條件下會閉合。解決的問題建立基于典型體元模型的空洞體積變化與宏觀應力應變場的關系的數(shù)學模型，與有限元法集成。解決的方法鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬一、引言目 錄二、概念三、具體技術1

9、.在鍛件內(nèi)部取含有空洞的典型體元模型鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬微觀上(相對于空洞)體元無限大，研究空洞變形時，將體元邊界力學量作為邊界條件。典型體元內(nèi)空洞變形過程示意圖2.推導球形空洞和片狀裂隙在遠場應力應變作用下的體積演化方程式 一、引言目 錄二、概念三、具體技術鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬對于形狀參數(shù)為 的一般扁橢球空洞，其體積應變率可通過插值得到 3.插值得到形狀參數(shù)為 的一般扁橢球空洞的體積應變率 一、引言目 錄二、概念三、具體技術鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術高溫鍛造過程

10、中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬4.得到任意形狀參數(shù)的變化率 一、引言目 錄二、概念三、具體技術鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬4.對式(5)關于變形歷程積分就得到空洞體積的變化率 式(10)計算的是空洞體積的變化率，因此應用時并不需要給出精確的初始空洞體積?？斩葱腿毕莸捏w積變化率是成形過程的積分量，任意瞬時的增量變化取決于該時刻的應力應變狀態(tài)，將這種算法與有限元軟件相結合，使空洞體積變化率和空洞形狀參數(shù)成為有限元的單元量，就可以在每次增量步后得到相應的空洞體積變化率的增量。大鍛件拔長過程空洞體積演化模擬結果一、引言目 錄二、概念三、具體技術 大鍛

11、件的成形通常經(jīng)過多次壓下(例如拔長、滾圓和打方等)，每次壓下中和相鄰兩次壓下之間鍛件可能發(fā)生完全或不完全動態(tài)再結晶、亞動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶，部分晶粒得到細化，應變能降低或消失，而未發(fā)生再結晶的晶粒則仍然保留高應變能，這種變形能的差異導致在隨后的變形中再結晶驅(qū)動力不同，微觀組織演變非常復雜。背景模擬出微觀組織的演變過程，為控制大鍛件的微觀組織提供可行的計算分析方法。 解決的問題采用元胞自動機方法(Cellular automata, CA)建立了微觀組織演變的模擬方法，與熱力耦合有限元法集成。解決的方法鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術成形過程微觀組織演變的元胞自動機模擬一、引言目 錄二、

12、概念三、具體技術鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術成形過程微觀組織演變的元胞自動機模擬基于生物體發(fā)育中的細胞自我復制原理,將一個長方形平面(或立方體)劃分成若干個網(wǎng)格,每個網(wǎng)格表示一個細胞或系統(tǒng)的基元,用某一數(shù)值表示其所處的狀態(tài)(如對再結晶問題表示晶格位向),基元的演化用狀態(tài)的變動來表示。每個基元狀態(tài)的轉(zhuǎn)變由其相鄰基元的狀態(tài)根據(jù)給定的規(guī)則確定。CA法具有5個特性:基元均勻排列;基元的狀態(tài)隨時間演變;基元的數(shù)值是有限的;基元狀態(tài)的演變規(guī)則是確定或隨機的;每個基元的演化規(guī)則是局部的,僅同周圍的基元有關系。該方法抓住了簡單性與復雜性這一對主要矛盾,從而觸及并體現(xiàn)了其他有關矛盾,如局部與整體、宏觀

13、與微觀、線性與非線性、決定性和隨機性、數(shù)學模型與物理本質(zhì)之間的矛盾,因此它具有利用簡單的、局部的規(guī)則和離散的方法描述復雜的、全局的、連續(xù)系統(tǒng)的能力,且容易與其他宏觀方法(如有限元法)相耦合。一、引言目 錄二、概念三、具體技術鍛造大鍛件控性鍛造過程的計算機模擬技術成形過程微觀組織演變的元胞自動機模擬由于 CA 模擬結果符合再結晶和殘余應變能的關系，因而有望跟蹤整個變形的晶粒演變過程，為控制大鍛件的微觀組織提供可行的計算分析方法。 當材料參數(shù)確定后，一點的微觀組織演變?nèi)Q于變形過程的溫度、應變速率和應變量。 建立了高溫下熱沖壓用硼鋼的熱拉伸變形本構模型； 研究了硼鋼在熱沖壓、保溫和淬火過程中的相變組織重量百分比及相變后的維氏硬度和屈服強度； 研究了熱沖壓過程中板料和模具的初始溫度對制件溫度變化、拉延減薄、回彈變形及應力分布的影響,構建了模具型面補償優(yōu)化設計規(guī)則； 基于多場耦合數(shù)值模擬方法,分析了熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的不足,以板料溫度分布均勻和保證降溫速率為優(yōu)化目標,對模具冷卻水道半徑、相鄰水道間隔尺寸和水道與模面距離進行了優(yōu)化設計。 利用正交試驗法研究了熱沖壓成形和淬火過程中板料初始溫度、模具初始溫度