材料熱加工工藝的現(xiàn)狀以及發(fā)展模板

材料熱加工工藝現(xiàn)實狀況和發(fā)展收藏此信息打印該信息添加：佚名起源：\o"中國機(jī)電網(wǎng)"未知目前，金屬材料仍是應(yīng)用范圍最為廣泛機(jī)械工程材料，材料熱加工(包含鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等)是機(jī)械制造業(yè)關(guān)鍵加工工序，也是材料和制造兩大行業(yè)交叉和接口技術(shù)。材料經(jīng)熱加工才能成為零件或毛坯，它不僅使材料取得一定形狀、尺寸，更關(guān)鍵是給予材料最終成份、組織和性能。因為熱加工兼有成形和改性兩個功效，所以和冷加工及系統(tǒng)材料制備相比，其過程質(zhì)量控制含有更大難度。所以，對材料熱加工過程進(jìn)行工藝模擬進(jìn)而優(yōu)化工藝設(shè)計，含有更為迫切需求。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)域最為活躍研究熱點及技術(shù)前沿。0、引言0.1

使金屬材料熱加工由“技藝”走向“科學(xué)”，根本改變熱加工落后面貌

金屬材料熱加工過程是極其復(fù)雜高溫、動態(tài)、瞬時過程，難以直接觀察。在這個過程中，材料經(jīng)液態(tài)流動充型、凝固結(jié)晶、固態(tài)流動變形、相變、再結(jié)晶和重結(jié)晶等多個微觀組織改變及缺點產(chǎn)生和消失等一系列復(fù)雜物理、化學(xué)、冶金改變而最終成為毛坯或構(gòu)件。我們必需控制這個過程使材料成份、組織、性能最終處于最好狀態(tài)，必需使缺點減到最小或?qū)⑺?qū)趕到危害最小地方去。但這一切全部不能直接觀察到，間接測試也十分困難。

長久以來，基礎(chǔ)學(xué)科理論知識難以定量指導(dǎo)材料加工過程，材料熱加工工藝設(shè)計只能建立在“經(jīng)驗”基礎(chǔ)上。多年來，伴隨試驗技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)發(fā)展和材料成形理論深化，材料成形過程工藝設(shè)計方法正在發(fā)生著質(zhì)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，經(jīng)過數(shù)值模擬和物理模擬，在試驗室動態(tài)仿真材料熱加工過程，估計實際工藝條件下材料最終組織、性能和質(zhì)量，進(jìn)而實現(xiàn)熱加工工藝優(yōu)化設(shè)計。它將使材料熱加工沿此方向由“技藝”走向“科學(xué)”，并為實現(xiàn)虛擬制造邁出第一步，使機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平產(chǎn)生質(zhì)飛躍。0.2

是估計并確保材料熱加工過程質(zhì)量優(yōu)異手段，尤其對確保關(guān)鍵大件一次制造成功，含有重大應(yīng)用背景和效益

中國重大機(jī)電設(shè)備研制、生產(chǎn)一個難點是大件制造；大件制造關(guān)鍵又是熱加工。中國在以前，水電、火電、核電、冶金、礦山、石化等重大機(jī)電設(shè)備對關(guān)鍵大件制造全部有迫切需求。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)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，采取鑄焊結(jié)構(gòu)，制造難度很大。

因為大件形大致重，品種多，批量小，生產(chǎn)周期長，造價高，迫切要求“一次制造成功”，一旦報廢，在經(jīng)濟(jì)和時間上全部損失慘重，無法挽回。因為傳統(tǒng)熱加工工藝設(shè)計只能憑經(jīng)驗，采取試錯法(Test

and

Error

Method)，無法對材料內(nèi)部宏觀、微觀結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行理想控制，所以發(fā)生數(shù)次大件報廢慘痛事故，投入使用大件，也難以消除縮孔、縮松、夾雜、偏析、熱裂、冷裂、混晶等缺點，很多大件帶傷運(yùn)行。建立在工藝模擬、優(yōu)化基礎(chǔ)上熱加工工藝設(shè)計技術(shù)，能夠?qū)ⅰ半[患”消亡在計算機(jī)擬實加工反復(fù)比較中，從而確保關(guān)鍵大件一次制造成功。這已為中國外不少應(yīng)用實例所證實。

0.3

是實現(xiàn)快速設(shè)計制造、虛擬設(shè)計制造、分布式設(shè)計制造技術(shù)基礎(chǔ)

熱加工是制造業(yè)關(guān)鍵工序，制造業(yè)發(fā)展及制造模式變革離不開熱加工技術(shù)進(jìn)步。美國國家科學(xué)基金會(NSF)用“知識/自動化不一樣發(fā)展階段對制造業(yè)影響”圖表(見圖1)形象地說明設(shè)計制造技術(shù)水平對知識及自動化依靠關(guān)系[1]。從知識這一坐標(biāo)看，人類經(jīng)歷了從技藝→手冊指導(dǎo)→教授系統(tǒng)過程，要達(dá)成更為完善水平，必需進(jìn)行過程/工藝模擬。因為只有經(jīng)過模擬仿真，大家才能認(rèn)識過程本質(zhì)，估計并優(yōu)化過程結(jié)果，并快速對瞬息萬變市場改變作出設(shè)計及工藝改變；另外，只有經(jīng)過過程模擬，才能使設(shè)計和制造聯(lián)成一體。它是實現(xiàn)快速設(shè)計、制造，擬實設(shè)計、制造和分布式設(shè)計、制造知識(技術(shù))基礎(chǔ)。

0.4

本事域是多項學(xué)科交叉，對應(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)科含有重大意義

本研究領(lǐng)域包含金屬材料鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等熱加工學(xué)科；物理化學(xué)、計算數(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。本項研究學(xué)術(shù)價值在于：以現(xiàn)代計算機(jī)、測試技術(shù)為手段，架起技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科和金屬材料熱加工橋梁，使基礎(chǔ)學(xué)科理論能夠直接定量地指導(dǎo)材料熱加工過程，表現(xiàn)了基礎(chǔ)學(xué)科、高新技術(shù)和材料熱加工學(xué)科三者之間相互交叉和有機(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)”，它將推進(jìn)材料熱加工理論、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)金相學(xué)、計算機(jī)體視學(xué)、計算傳熱學(xué)、計算流體力學(xué)、并行工程等新興交叉學(xué)科形成發(fā)展。1、材料熱加工工藝模擬研究歷程及技術(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首次采取計算機(jī)及有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過程傳熱計算[2]，繼丹麥人以后，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數(shù)值模擬研究，進(jìn)入70年代后，更多國家(中國從70年代末期開始)加入到這個研究行列，并從鑄造逐步擴(kuò)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研究熱潮。在最近十幾年來召開材料熱加工各專業(yè)國際會議上，該領(lǐng)域研究論文數(shù)量居各類論文首位；另外從1981年開始，每兩年還專門召開一屆鑄造和焊接過程計算機(jī)數(shù)值模擬國際會議，至今已舉行了八屆。近一、二十年來，材料熱加工工藝模擬技術(shù)不停向廣度、深度擴(kuò)展，其發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢有以下七個方面。

1.1

宏觀→中觀→微觀

材料熱加工工藝模擬研究工作已普遍由建立在溫度場、速度場、變形場基礎(chǔ)上意在估計形狀、尺寸、輪廓宏觀尺度模擬(米量級)進(jìn)入到以估計組織、結(jié)構(gòu)、性能為目標(biāo)中觀尺度模擬(毫米量級)及微觀尺度模擬階段，研究對象包含結(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)成單個枝晶尺度。

1.2

單一分散→耦合集成

模擬功效已由單一溫度場、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。包含：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←→組織場等之間耦合，以真實模擬復(fù)雜實際熱加工過程。

1.3

共性、通用→專用、特征

因為建立在溫度場、流場、應(yīng)力/應(yīng)變場數(shù)值模擬基礎(chǔ)上常規(guī)熱加工，尤其是鑄造、沖壓、鑄造工藝模擬技術(shù)日益成熟及商業(yè)化軟件不停出現(xiàn)，研究工作已由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大專用特征問題。關(guān)鍵有以下兩個方向：(1)

處理特種熱加工工藝模擬及工藝優(yōu)化問題:為鑄造專業(yè)中壓鑄、低壓鑄造、金屬型鑄造、實型鑄造、連續(xù)鑄造、電渣熔鑄等；鍛壓專業(yè)中液壓脹形、楔橫軋、輥鍛等；焊接專業(yè)中電阻焊、激光焊等。(2)

處理熱加工件缺點消除問題:應(yīng)用模擬技術(shù)，已經(jīng)成功地處理了大型鑄鋼件縮孔、縮松，模鍛件折疊及沖壓件斷裂、起皺問題，現(xiàn)在研究熱點集中在鑄件熱裂、氣孔、偏析；大型鍛件混晶；沖壓件回彈；焊接件變形、冷裂、熱裂；淬火中變形等常見缺點預(yù)防和消除方法研究。

1.4

重視提升數(shù)值模擬精度和速度基礎(chǔ)性研究

數(shù)值模擬是熱加工工藝模擬關(guān)鍵方法，提升數(shù)值模擬精度和速度是目前數(shù)值模擬研究熱點，為此很重視在熱加工基礎(chǔ)理論、新數(shù)理模型、新算法、前后處理、正確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取得和積累等基礎(chǔ)性研究，為此需要多個專業(yè)學(xué)科研究人員通力合作才能有所突破。1.5

重視物理模擬及正確測試技術(shù)

物理模擬揭示工藝過程本質(zhì)，得到臨界判據(jù)，檢驗、校核數(shù)值模擬結(jié)果有力手段，越來越引發(fā)研究工作者重視。有以下部分新動向：(1)

應(yīng)用高新技術(shù)，設(shè)計、開發(fā)新型物理模擬試驗方法及裝置?，F(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)晶過程和金屬相同，且本身透明，易于觀看)，經(jīng)過四個CCD攝象機(jī)連續(xù)觀察并統(tǒng)計其結(jié)晶過程，能夠直接觀看重力、對流等原因?qū)Y(jié)晶影響，十分直觀。②美國密西根大學(xué)吳賢銘制造中心研制沖壓件表面大應(yīng)變量激光測量系統(tǒng)：應(yīng)用裝在三坐標(biāo)測量儀上激光探頭大視野掃描帶變形網(wǎng)格沖壓件，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，成為校核數(shù)值模擬結(jié)果有效手段。(2)

正確、合理處理數(shù)值模擬和物理模擬(含試驗驗證)之間關(guān)系①依據(jù)模擬對象，合理確定二者應(yīng)用百分比：通常來講：工件越大，設(shè)備越龐大，則數(shù)值模擬作用及工作量百分比越大。以美國凈成形工程研究中心(NSW/ERC)研究工作為例，數(shù)值模擬占工作量百分比分別為：模鍛：80%；管件液壓成形：50%；切削30%。②揚(yáng)長避短，發(fā)揮二者不一樣專長

為此，要正確了解模擬軟件功效，對于軟件力不能及問題或因為簡化而造成誤差過大部位，經(jīng)過試驗或物理模擬，進(jìn)行修正；一旦確定了數(shù)值模擬誤差并加以修正后，應(yīng)盡可能發(fā)揮數(shù)值模擬作用，以節(jié)省試驗花費。NSM/ERC在管件成形中，先采取試驗確定單道次脹形機(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)成形和最終脹形工序協(xié)調(diào)。這種配合充足發(fā)揮了二者優(yōu)點。

通常來講，數(shù)值模擬均需用試驗或物理模擬方法校核，當(dāng)二者有差異時，應(yīng)以試驗為準(zhǔn)。

(3)

高度重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試技術(shù)

為了模擬材料熱加工過程，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)晶潛熱等多種初始條件、邊界條件數(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)正確性對計算結(jié)果有很大影響，為此，最近十分重視這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取得。比如，為取得正確摩擦邊界數(shù)據(jù)，鍛壓工藝模擬研究項目大多進(jìn)行專門摩擦試驗來測量摩擦系數(shù)，并發(fā)覺常見庫侖定律和實際情況有很大差異。

材料熱物理及力性參數(shù)數(shù)值通常取得路徑是：通用材料關(guān)鍵靠查表；特殊材料由用戶提供；尚無法通用試驗取得高溫數(shù)據(jù)用外推法。

1.6

在并行環(huán)境下，工藝模擬和生產(chǎn)系統(tǒng)其它技術(shù)步驟實現(xiàn)集成，成為優(yōu)異制造系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分起初，工藝模擬多是孤立進(jìn)行，其結(jié)果只用于優(yōu)化工藝設(shè)計本身，且多用于單件小批量毛坯件生產(chǎn)。多年來，已逐步進(jìn)入大量生產(chǎn)優(yōu)異制造系統(tǒng)中，實現(xiàn)以下三種不一樣方法集成。(1)和產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成美國金屬加工優(yōu)異技術(shù)研究中心(NCEMT)在海軍資助下，正在開展并行工程環(huán)境下RP2D(Rational

Product/process

Design)技術(shù)。將鑄造工藝模擬和產(chǎn)品、模具設(shè)計和加工結(jié)合起來。(2)和零件加工制造系統(tǒng)集成：在零件加工制造系統(tǒng)中，工藝模擬作為關(guān)鍵支撐技術(shù)，并朝著將模擬結(jié)果作為系統(tǒng)過程閉環(huán)控制參數(shù)這一方向努力。美國吳賢銘制造中心研究“靠近零余量靈敏及精密沖壓系統(tǒng)”及“智能電阻焊系統(tǒng)”；西北大學(xué)研究“板料成形計算機(jī)集成控制系統(tǒng)”(其技術(shù)路線見圖2)等全部屬于這種類型。(3)和零件安全可靠性能實現(xiàn)集成：美國西北大學(xué)在航空關(guān)鍵復(fù)雜鑄件研究中，將模擬結(jié)果和鑄件性能，尤其是安全可靠性聯(lián)絡(luò)起來，開發(fā)了鑄件安全臨界設(shè)計系統(tǒng)(Safety

critical

casting

design

system)，用于指導(dǎo)鑄件損傷容限設(shè)計。

1.7

以商業(yè)軟件為基礎(chǔ)，改善提升研究和普及應(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,關(guān)鍵有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：如日本已經(jīng)有約10%鑄造工廠采取此項技術(shù)；美國福特、通用汽車企業(yè)在開發(fā)新車型時，已將板材沖壓過程數(shù)值模擬作為一個關(guān)鍵技術(shù)步驟；法國應(yīng)用此技術(shù)對400噸重核電轉(zhuǎn)子鍛件鑄造工藝進(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)關(guān)鍵手段和方法。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)值模擬已成為和試驗一樣關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)新工藝基礎(chǔ)研究手段。(4)選擇適宜商業(yè)軟件為軟件平臺，結(jié)合具體問題，進(jìn)行改善提升研究，逐步成為多快好省研究方法。具體方法有：①對現(xiàn)有軟件一些技術(shù)問題進(jìn)行理論研究；

②為處理具體問題插入自編軟件模塊；

③應(yīng)用理論分析賠償法、試驗賠償法等，找出并消除商用軟件誤差，使模擬結(jié)果更正確；

④和軟件企業(yè)合作，增加軟件功效，實現(xiàn)軟件升級。

２、對中國開展熱加工工藝模擬研究和應(yīng)用提議

中國七十年代末，從鑄造行業(yè)開始，開展了該領(lǐng)域研究工作。十幾年來，在機(jī)械部、國家科委、國家自然科學(xué)基金會支持下，在本事域研究工作前后全方面展開，全國很多單位投入這項工作，已在全國形成了一個較大研究熱潮。研究工作基礎(chǔ)緊跟國外技術(shù)前沿步伐，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)境下模擬集成工作。尤其是1997年中國多家研究院所和大學(xué)聯(lián)手提議“金屬材料熱成形過程動態(tài)模擬及組織性能質(zhì)量優(yōu)化控制”取得國家科委及機(jī)械部(基金會)聯(lián)合資助，入選國家攀登計劃預(yù)選項目，為中國趕超世界優(yōu)異水平提供了很好條件。依據(jù)本文對該領(lǐng)域研究歷程及技術(shù)發(fā)展趨勢分析，結(jié)合中國情況，提出以下發(fā)展提議：

2.1

加強(qiáng)模擬軟件商品化工作

經(jīng)過多年研究，中國已形成部分準(zhǔn)商品化軟件，如FTSOLVER

4.0、SIMU-3D等。但和工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，存在有較大差距，我們應(yīng)采取多個方法(自主開發(fā)、和國外軟件企業(yè)合作開發(fā)、在已經(jīng)有商業(yè)軟件中插入自主開發(fā)模塊，實現(xiàn)軟件升級等)加緊模擬軟件商品化工作，開發(fā)出有自主版權(quán)商品化軟件。尤其要注意盡可能應(yīng)用中國外比較成熟軟件平臺(尤其是前后處理)，避免一切從零開始，做低水平反復(fù)。

2.2

大力普及已經(jīng)成熟熱加工工藝模擬技術(shù)

要在工廠及研究單位(