材料熱加工工藝的現(xiàn)狀以及發(fā)展

材料熱加工工藝的現(xiàn)狀以及發(fā)展收藏此信息打印該信息添加：佚名來源：\o"中國機(jī)電網(wǎng)"未知當(dāng)前，金屬材料仍是應(yīng)用范圍最為廣泛的機(jī)械工程材料，材料熱加工(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等)是機(jī)械制造業(yè)重要的加工工序，也是材料與制造兩大行業(yè)的交叉和接口技術(shù)。材料經(jīng)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(gè)功能，因而與冷加工及系統(tǒng)的材料制備相比，其過程質(zhì)量控制具有更大的難度。因此，對(duì)材料熱加工過程進(jìn)行工藝模擬進(jìn)而優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，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(shù)得到迅猛發(fā)展，成為該領(lǐng)域最為活躍的研究熱點(diǎn)及技術(shù)前沿。0、引言0.1

使金屬材料熱加工由“技藝”走向“科學(xué)”，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(fù)雜的高溫、動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)過程，難以直接觀察。在這個(gè)過程中，材料經(jīng)液態(tài)流動(dòng)充型、凝固結(jié)晶、固態(tài)流動(dòng)變形、相變、再結(jié)晶和重結(jié)晶等多種微觀組織變化及缺陷的產(chǎn)生與消失等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金變化而最后成為毛坯或構(gòu)件。我們必須控制這個(gè)過程使材料的成分、組織、性能最后處于最佳狀態(tài)，必須使缺陷減到最小或?qū)⑺?qū)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(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)難以定量指導(dǎo)材料加工過程，材料熱加工工藝設(shè)計(jì)只能建立在“經(jīng)驗(yàn)”基礎(chǔ)上。近年來，隨著試驗(yàn)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和材料成形理論的深化，材料成形過程工藝設(shè)計(jì)方法正在發(fā)生著質(zhì)的改變。材料熱加工工藝模擬技術(shù)就是在材料熱加工理論指導(dǎo)下，通過數(shù)值模擬和物理模擬，在試驗(yàn)室動(dòng)態(tài)仿真材料的熱加工過程，預(yù)測實(shí)際工藝條件下材料的最后組織、性能和質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。它將使材料熱加工沿此方向由“技藝”走向“科學(xué)”，并為實(shí)現(xiàn)虛擬制造邁出第一步，使機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)水平產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。0.2

是預(yù)測并保證材料熱加工過程質(zhì)量的先進(jìn)手段，特別對(duì)確保關(guān)鍵大件一次制造成功，具有重大的應(yīng)用背景和效益

我國重大機(jī)電設(shè)備研制、生產(chǎn)的一個(gè)難點(diǎn)是大件制造；大件制造的關(guān)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(jī)電設(shè)備對(duì)關(guān)鍵大件制造均有迫切的需求。以三峽水電機(jī)組為例，單機(jī)容量達(dá)70萬千瓦，五大部件(轉(zhuǎn)輪、蝸殼、主軸、座環(huán)、頂蓋)的重量和尺寸均居世界第一。其轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)9.8米，重量達(dá)500噸，采用鑄焊結(jié)構(gòu)，制造難度很大。

由于大件形大體重，品種多，批量小，生產(chǎn)周期長，造價(jià)高，迫切要求“一次制造成功”，一旦報(bào)廢，在經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上都損失慘重，無法挽回。由于傳統(tǒng)的熱加工工藝設(shè)計(jì)只能憑經(jīng)驗(yàn)，采用試錯(cuò)法(Test

and

Error

Method)，無法對(duì)材料內(nèi)部宏觀、微觀結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行理想控制，因而發(fā)生多次大件報(bào)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(yùn)行。建立在工藝模擬、優(yōu)化基礎(chǔ)上的熱加工工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，可以將“隱患”消滅在計(jì)算機(jī)擬實(shí)加工的反復(fù)比較中，從而確保關(guān)鍵大件一次制造成功。這已為國內(nèi)外不少應(yīng)用實(shí)例所證實(shí)。

0.3

是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)制造、虛擬設(shè)計(jì)制造、分布式設(shè)計(jì)制造的技術(shù)基礎(chǔ)

熱加工是制造業(yè)的重要工序，制造業(yè)的發(fā)展及制造模式的變革離不開熱加工的技術(shù)進(jìn)步。美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)用“知識(shí)/自動(dòng)化的不同發(fā)展階段對(duì)制造業(yè)的影響”的圖表(見圖1)形象地說明設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平對(duì)知識(shí)及自動(dòng)化的依賴關(guān)系[1]。從知識(shí)這一坐標(biāo)看，人類經(jīng)歷了從技藝→手冊指導(dǎo)→專家系統(tǒng)的過程，要達(dá)到更為完善的水平，必須進(jìn)行過程/工藝模擬。因?yàn)橹挥型ㄟ^模擬仿真，人們才能認(rèn)識(shí)過程的本質(zhì)，預(yù)測并優(yōu)化過程的結(jié)果，并快速對(duì)瞬息萬變的市場變化作出設(shè)計(jì)及工藝的改變；另外，只有通過過程模擬，才能使設(shè)計(jì)與制造聯(lián)成一體。它是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)、制造，擬實(shí)設(shè)計(jì)、制造以及分布式設(shè)計(jì)、制造的知識(shí)(技術(shù))基礎(chǔ)。

0.4

本領(lǐng)域是多項(xiàng)學(xué)科的交叉，對(duì)應(yīng)用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)而開拓新興工程技術(shù)學(xué)科具有重大意義

本研究領(lǐng)域涉及金屬材料的鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等熱加工學(xué)科；物理化學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、材料成形理論、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)、金屬學(xué)、金屬物理學(xué)等技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科；計(jì)算機(jī)應(yīng)用、測試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料等高新技術(shù)學(xué)科。本項(xiàng)研究的學(xué)術(shù)價(jià)值在于：以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、測試技術(shù)為手段，架起技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科與金屬材料熱加工的橋梁，使基礎(chǔ)學(xué)科的理論能夠直接定量地指導(dǎo)材料熱加工過程，體現(xiàn)了基礎(chǔ)學(xué)科、高新技術(shù)與材料熱加工學(xué)科三者之間的相互交叉和有機(jī)結(jié)合。它使材料熱加工學(xué)科由“技藝”真正成為一門“科學(xué)”，它將推動(dòng)材料熱加工理論、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)金相學(xué)、計(jì)算機(jī)體視學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、并行工程等新興交叉學(xué)科的形成發(fā)展。1、材料熱加工工藝模擬的研究歷程及技術(shù)發(fā)展趨勢

材料熱加工工藝模擬研究開始于鑄造過程，這是因?yàn)殍T件凝固過程溫度場模擬計(jì)算相對(duì)簡單。1962年，丹麥Forsund首次采用計(jì)算機(jī)及有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過程的傳熱計(jì)算[2]，繼丹麥人之后，美國在60年代中期在NSF資助下，開拓進(jìn)行大型鑄鋼件溫度場的數(shù)值模擬研究，進(jìn)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(gè)研究行列，并從鑄造逐步擴(kuò)展到鍛層、焊接、熱處理。在全世界形成了一個(gè)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(yè)的國際會(huì)議上，該領(lǐng)域的研究論文數(shù)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(jì)算機(jī)數(shù)值模擬國際會(huì)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(shù)不斷向廣度、深度擴(kuò)展，其發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢有以下七個(gè)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(chǔ)上的旨在預(yù)測形狀、尺寸、輪廓的宏觀尺度模擬(米量級(jí))進(jìn)入到以預(yù)測組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬(毫米量級(jí))及微觀尺度模擬階段，研究對(duì)象涉及結(jié)晶、再結(jié)晶、重結(jié)晶、偏析、擴(kuò)散、氣體析出、相變等微觀層次，甚至達(dá)到單個(gè)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(yīng)力/應(yīng)變場、組織場模擬普遍進(jìn)入到耦合集成階段。包括：流場←→溫度場；溫度場←→應(yīng)力/應(yīng)變場；溫度場←→組織場；應(yīng)力/應(yīng)變場←→組織場等之間的耦合，以真實(shí)模擬復(fù)雜的實(shí)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(yīng)力/應(yīng)變場數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的常規(guī)熱加工，特別是鑄造、沖壓、鑄造工藝模擬技術(shù)的日益成熟及商業(yè)化軟件的不斷出現(xiàn)，研究工作已由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題。主要有以下兩個(gè)方向：(1)

解決特種熱加工工藝模擬及工藝優(yōu)化問題:為鑄造專業(yè)中的壓鑄、低壓鑄造、金屬型鑄造、實(shí)型鑄造、連續(xù)鑄造、電渣熔鑄等；鍛壓專業(yè)中的液壓脹形、楔橫軋、輥鍛等；焊接專業(yè)中的電阻焊、激光焊等。(2)

解決熱加工件的缺陷消除問題:應(yīng)用模擬技術(shù)，已經(jīng)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(diǎn)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(yù)防和消除方法的研究。1.4

重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎(chǔ)性研究

數(shù)值模擬是熱加工工藝模擬的重要方法，提高數(shù)值模擬的精度和速度是當(dāng)前數(shù)值模擬的研究熱點(diǎn)，為此非常重視在熱加工基礎(chǔ)理論、新的數(shù)理模型、新的算法、前后處理、精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得與積累等基礎(chǔ)性研究，為此需要多個(gè)專業(yè)學(xué)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(shù)

物理模擬揭示工藝過程本質(zhì)，得到臨界判據(jù)，檢驗(yàn)、校核數(shù)值模擬結(jié)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(dòng)向：(1)

應(yīng)用高新技術(shù)，設(shè)計(jì)、開發(fā)新型物理模擬實(shí)驗(yàn)方法及裝置。現(xiàn)舉兩例：①.美國衣阿華大學(xué)以乙二烴作為模擬物質(zhì)(其結(jié)晶過程與金屬相似，且本身透明，易于觀看)，通過四個(gè)CCD攝象機(jī)連續(xù)觀察并記錄其結(jié)晶過程，可以直接觀看重力、對(duì)流等因素對(duì)結(jié)晶的影響，十分直觀。②美國密西根大學(xué)吳賢銘制造中心研制的沖壓件表面大應(yīng)變量的激光測量系統(tǒng)：應(yīng)用裝在三坐標(biāo)測量儀上的激光探頭大視野掃描帶變形網(wǎng)格的沖壓件，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，成為校核數(shù)值模擬結(jié)果的有效手段。(2)

正確、合理處理數(shù)值模擬與物理模擬(含實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)之間的關(guān)系①根據(jù)模擬對(duì)象，合理確定兩者的應(yīng)用比例：一般來講：工件越大，設(shè)備越龐大，則數(shù)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(shù)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(yáng)長避短，發(fā)揮兩者的不同特長

為此，要準(zhǔn)確了解模擬軟件的功能，對(duì)于軟件力不能及的問題或由于簡化而導(dǎo)致誤差過大的部位，通過實(shí)驗(yàn)或物理模擬，進(jìn)行修正；一旦確定了數(shù)值模擬的誤差并加以修正后，應(yīng)盡量發(fā)揮數(shù)值模擬的作用，以節(jié)省實(shí)驗(yàn)的花費(fèi)。NSM/ERC在管件成形中，先采用實(shí)驗(yàn)確定單道次脹形機(jī)理并修正有限元數(shù)值模擬誤差后，然后用有限元方法進(jìn)行多道次工藝模擬，并完成預(yù)成形與最后脹形工序的協(xié)調(diào)。這種配合充分發(fā)揮了兩者的長處。

一般來講，數(shù)值模擬均需用實(shí)驗(yàn)或物理模擬方法校核，當(dāng)兩者有差別時(shí)，應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)。

(3)

高度重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測試技術(shù)

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(zhì)、填充材料等)材料的熱物性參數(shù)、高溫力性參數(shù)、幾何參數(shù)、本構(gòu)參數(shù)、接觸、摩擦、界面間隙、氣體析出、結(jié)晶潛熱等各種初始條件、邊界條件的數(shù)據(jù)。沒有這些數(shù)據(jù)，模型只是空架子；而這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大的影響，為此，最近十分重視這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得。例如，為獲得準(zhǔn)確的摩擦邊界數(shù)據(jù)，鍛壓工藝模擬的研究項(xiàng)目大多進(jìn)行專門的摩擦實(shí)驗(yàn)來測量摩擦系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)常用的庫侖定律與實(shí)際情況有很大的差別。

材料的熱物理及力性參數(shù)數(shù)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(shí)驗(yàn)獲得的高溫?cái)?shù)據(jù)用外推法。

1.6

在并行環(huán)境下，工藝模擬與生產(chǎn)系統(tǒng)其它技術(shù)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)集成，成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分起初，工藝模擬多是孤立進(jìn)行的，其結(jié)果只用于優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)本身，且多用于單件小批量毛坯件生產(chǎn)。近年來，已逐步進(jìn)入大量生產(chǎn)的先進(jìn)制造系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)以下三種不同方式的集成。(1)與產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成美國金屬加工先進(jìn)技術(shù)研究中心(NCEMT)在海軍資助下，正在開展并行工程環(huán)境下的RP2D(Rational

Product/process

Design)技術(shù)。將鑄造工藝模擬與產(chǎn)品、模具設(shè)計(jì)和加工結(jié)合起來。(2)與零件加工制造系統(tǒng)集成：在零件加工制造系統(tǒng)中，工藝模擬作為重要的支撐技術(shù)，并朝著將模擬結(jié)果作為系統(tǒng)的過程閉環(huán)控制的參數(shù)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(tǒng)”及“智能電阻焊系統(tǒng)”；西北大學(xué)研究的“板料成形計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)”(其技術(shù)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(shí)現(xiàn)集成：美國西北大學(xué)在航空重要復(fù)雜鑄件的研究中，將模擬結(jié)果與鑄件的性能，特別是安全可靠性聯(lián)系起來，開發(fā)了鑄件的安全臨界設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Safety

critical

casting

design

system)，用于指導(dǎo)鑄件的損傷容限設(shè)計(jì)。1.7

以商業(yè)軟件為基礎(chǔ)，改進(jìn)提高研究與普及應(yīng)用相結(jié)合(1)經(jīng)多年研究開發(fā)，已經(jīng)形成一批熱加工工藝商業(yè)軟件,主要有MAGMA、PROCAST、SIMULOR、SOLDIA、SOLSIAR、AFSSolidification

System3D(鑄造)、DEFORM、AUTOFORGE、SUPERFORGE

(體積塑性成形)、DYNA3D、PAM-STAMP、ANSYS

(板料塑性成形)、ABAQUS

(焊接)等。(2)已在鑄造、鍛壓行業(yè)生產(chǎn)中得到較廣泛應(yīng)用：如日本已有約10%鑄造工廠采用此項(xiàng)技術(shù)；美國福特、通用汽車公司在開發(fā)新車型時(shí)，已將板材沖壓過程的數(shù)值模擬作為一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)；法國應(yīng)用此技術(shù)對(duì)400噸重的核電轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造工藝進(jìn)行了校核、優(yōu)化，確保了一次制造成功。(3)數(shù)值模擬已逐步成為新工藝研究開發(fā)的重要手段和方法。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家(如美國)，應(yīng)用商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬已成為與實(shí)驗(yàn)同樣重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)新工藝的基本研究手段。(4)選擇合適的商業(yè)軟件為軟件平臺(tái)，結(jié)合具體問題，進(jìn)行改進(jìn)提高研究，逐步成為多快好省的研究方法。具體方式有：①對(duì)現(xiàn)有軟件的某些技術(shù)問題進(jìn)行理論研究；②為解決具體問題插入自編軟件模塊；

③應(yīng)用理論分析補(bǔ)償法、實(shí)驗(yàn)補(bǔ)償法等，找出并消除商用軟件的誤差，使模擬結(jié)果更精確；④與軟件公司合作，增加軟件功能，實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)。

２、對(duì)我國開展熱加工工藝模擬研究與應(yīng)用的建議

我國七十年代末，從鑄造行業(yè)開始，開展了該領(lǐng)域的研究工作。十幾年來，在機(jī)械部、國家科委、國家自然科學(xué)基金會(huì)的支持下，在本領(lǐng)域的研究工作先后全面展開，全國很多單位投入這項(xiàng)工作，已在全國形成了一個(gè)較大的研究熱潮。研究工作基本緊跟國外技術(shù)前沿的步伐，已從宏觀模擬進(jìn)入微觀組織模擬階段，并已開展并行工程環(huán)境下的模擬集成工作。特別是1997年國內(nèi)多家研究院所和大學(xué)聯(lián)手建議的“金屬材料熱成形過程的動(dòng)態(tài)模擬及組織性能質(zhì)量的優(yōu)化控制”獲得國家科委及機(jī)械部(基金會(huì))的聯(lián)合資助，入選國家攀登計(jì)劃預(yù)選項(xiàng)目，為我國趕超世界先進(jìn)水平提供了很好的條件。根據(jù)本文對(duì)該領(lǐng)域研究歷程及技術(shù)發(fā)展趨勢的分析，結(jié)合我國情況，提出以下發(fā)展建議：

2.1

加強(qiáng)模擬軟件商品化工作

通過多年研究，我國已形成一些準(zhǔn)商品化軟件，如FTSOLVER

4.0、SIMU-3D等。但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，存在有較大的差距，我們應(yīng)采取多種方式(自主開發(fā)、與國外軟件公司合作開發(fā)、在已有商業(yè)軟件中插入自主開發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)等)加快模擬軟件商品化工作，開發(fā)出有自主版權(quán)的商品化軟件。特別要注意盡量應(yīng)用國內(nèi)外比較成熟的軟件平臺(tái)(特別是前后處理)，避免一切從零開始，做低水平的重復(fù)。

2.2

大力普及已經(jīng)成熟的熱加工工藝模擬技術(shù)

要在