塑性成形控形与控性技术发展概述PPT课件

1、目 录引言概念一二三具体技术第1页/共26页 我国制造业现状 我国制造业发展的局限及原因 制造业升级的解决办法一、引言目 录二、概念三、具体技术第2页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术没有竞争力的低附加值产品高端装备关键零部件我国制造业现状大而不强第3页/共26页我国制造业现状究其原因大而不强一、引言目 录二、概念三、具体技术产品寿命低，可靠性差重产量，轻质量，重成形制造，轻控性基础工艺发展粗放，缺失高性能化制造技术致命伤致命伤第4页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术成形制造高性能制造控形控性20世纪90年代获得所需制件的形状和尺寸通过成形过程改变材料内部组织结构和应力状态

2、，从而大幅度改善和提高材料性能第5页/共26页 高性能化制造 高性能化智能制造 成形制造的控形控性一体化智能技术 数字化智能改性控形技术一、引言目 录二、概念三、具体技术第6页/共26页目 录高性能化制造高性能智能化制造数字化高性能化智能设计智能改性与控性技术融合智能热处理数字化智能改性控形技术成形制造的控形控性一体化技术铸造成形的控形控性一体化智能技术塑性成形的控形控性一体化智能技术焊接的控形控性一体化智能技术增材制造的控形控性一体化智能技术避免材料表面损伤的切削加工智能技术功能强、寿命长、可靠性高和轻量化以使用/服役性能为第一要求，性能驱动的数字化制造新原理和新方法强调控形控性一体化，并在

3、数字化环境下实现整个制造过程各个环节的并行处理第7页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术切削加工、铸、锻、焊、增材制造等加工环节，除了成形之外，也都在不同程度上改变材料的组织，影响材料的性能。为何研究？以模拟仿真和大数据知识建模为获取与利用知识的手段，在掌握成形过程中材料组织与缺陷演化规律的基础上优化加工工艺，实现控形与控性一体化。特点它们相互之间以及与智能热处理之间在数字化环境下并行处理，实现产品制造全流程的优化。成形制造的控形控性一体化智能技术第8页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术材料内部的组织转变无法实时测量与感知，以致材料改性控性成为装备制造业信息化的一个盲区和智能

4、制造之死角。为何研究？采取基于模拟仿真的预报型智能决策的路径，发展具有自动生成优化的改性控性工艺和随机补偿过程偏差之遗传效应等功能的数字化智能改性控性技术。特点特点综合应用计算机模拟、试验研究，大数据等研究手段研发先进的材料改性控性工艺和装备，实现热处理和各个成形制造环节中的控性技术紧密结合，为提高工件内在质量，提高使用寿命和可靠性打实基础。数字化智能改性控形技术第9页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术塑性变形靠压力靠弯矩和剪力轧制锻造挤压靠拉力冲压拉深拉拔拉形弯曲剪切第10页/共26页 六七十年代，热处理及化学成分的调整； 七八十年代，控轧方式实现强韧化； 八十年代以后，控轧控冷技

5、术实现强韧化； 至此，热机械控制工艺得到了广泛应用。一、引言目 录二、概念三、具体技术组织性能控制的发展轧制近年来，对轧制过程中钢材组织性能演变的模拟、预测与控制成为国际材料研究的热点轧制过程及轧后冷却过程的组织演变规律是控轧控冷理论的基础随着现代物理冶金热变形技术、热机械处理技术和计算机技术的兴起与发展使预测和控制合金热塑性变形过程中的组织演变从而获得良好的最终机械性能成为可能，因而当今的塑性成形正朝着控形控性即控制成形方向发展。其基本思想是应用新的理论优化产品塑性成形工艺及后续热处理工艺再应用现代控制技术控制塑性成形的全过程使产品的外形尺寸及其组织结构和性能均在塑性成形过程中一次达到设计要

6、求。第11页/共26页 基于物理冶金基础的数学模型已成功应用于组织和机械性能预测及工艺过程控制。 采用Avrami模型描述动态再结晶过程的动力学过程,此领域日本学者做了大量的工作,并已将此方法用于轧制过程的在线控制。 采用Monte Carlo随机统计方法对动态再结晶过程进行分析。 采用元胞自动机(cellular automaton,CA)法对动态再结晶过程进行分析。一、引言目 录二、概念三、具体技术控制塑性成形过程微观组织变化轧制第12页/共26页 大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术一、引言目 录二、概念三、具体技术 上海交通大学材料学院开展了基于模拟仿真的“控形控性一体化”锻造工艺研究，

7、应用于核电一体化封盖和主管道等大锻件生产，收到了正确控制大锻件材料质量的效果。锻造第13页/共26页 制造大型结构件/重要承载件 服役条件恶劣 要求工作寿命长 重达几十到几百吨一、引言目 录二、概念三、具体技术锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术缩孔、偏析、晶粒粗大大型铸锭锻造大锻件获得足够精度的锻件避免不合理的内部流线和折叠缺肉等缺陷成形指改善内部铸态缺陷和细化晶粒，为后续热处理准备良好的初始组织状态成性（侧重控性预报）第14页/共26页 “形”与“性”是在以高温高压为主要特征的工艺过程中形成的，过程中的温度场、应力场、应变场和应变速率场与材料的化学成分一起决定了金属的流动状态、缺陷和微观

8、组织的演变过程。 成本极高，试验研究困难一、引言目 录二、概念三、具体技术锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟 研究手段：建立多场耦合的数值模拟模型，以计算机模拟代替部分大型锻造试验，构造大锻件控性锻造过程的数值模拟技术。第15页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术 大锻件锻造的一个重要目的就是要创造合适的应力应变状态，以闭合原始铸锭内部的空洞和疏松型缺陷，并通过高温保压使缺陷焊合。背景如果锻件内任意一点有空洞型缺陷(给定缺陷体积百分比)，在宏观应力应变作用下，该缺陷的体积会如何发生变化，以及在何种条件下会

9、闭合。解决的问题建立基于典型体元模型的空洞体积变化与宏观应力应变场的关系的数学模型，与有限元法集成。解决的方法锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟第16页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术1.在锻件内部取含有空洞的典型体元模型锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟微观上(相对于空洞)体元无限大，研究空洞变形时，将体元边界力学量作为边界条件。典型体元内空洞变形过程示意图2.推导球形空洞和片状裂隙在远场应力应变作用下的体积演化方程式 第17页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术锻造大锻件控性锻造

10、过程的计算机模拟技术高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟对于形状参数为 的一般扁椭球空洞，其体积应变率可通过插值得到 3.插值得到形状参数为 的一般扁椭球空洞的体积应变率 第18页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟4.得到任意形状参数的变化率 第19页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟4.对式(5)关于变形历程积分就得到空洞体积的变化率 式(10)计算的是空洞体积的变化率，因此应用时并不需要给出精确的初始空洞体

11、积。空洞型缺陷的体积变化率是成形过程的积分量，任意瞬时的增量变化取决于该时刻的应力应变状态，将这种算法与有限元软件相结合，使空洞体积变化率和空洞形状参数成为有限元的单元量，就可以在每次增量步后得到相应的空洞体积变化率的增量。大锻件拔长过程空洞体积演化模拟结果第20页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术 大锻件的成形通常经过多次压下(例如拔长、滚圆和打方等)，每次压下中和相邻两次压下之间锻件可能发生完全或不完全动态再结晶、亚动态再结晶和静态再结晶，部分晶粒得到细化，应变能降低或消失，而未发生再结晶的晶粒则仍然保留高应变能，这种变形能的差异导致在随后的变形中再结晶驱动力不同，微观组织演变非

12、常复杂。背景模拟出微观组织的演变过程，为控制大锻件的微观组织提供可行的计算分析方法。 解决的问题采用元胞自动机方法(Cellular automata, CA)建立了微观组织演变的模拟方法，与热力耦合有限元法集成。解决的方法锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟第21页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟基于生物体发育中的细胞自我复制原理,将一个长方形平面(或立方体)划分成若干个网格,每个网格表示一个细胞或系统的基元,用某一数值表示其所处的状态(如对再结晶问题表示晶格位向),基

13、元的演化用状态的变动来表示。每个基元状态的转变由其相邻基元的状态根据给定的规则确定。CA法具有5个特性:基元均匀排列;基元的状态随时间演变;基元的数值是有限的;基元状态的演变规则是确定或随机的;每个基元的演化规则是局部的,仅同周围的基元有关系。该方法抓住了简单性与复杂性这一对主要矛盾,从而触及并体现了其他有关矛盾,如局部与整体、宏观与微观、线性与非线性、决定性和随机性、数学模型与物理本质之间的矛盾,因此它具有利用简单的、局部的规则和离散的方法描述复杂的、全局的、连续系统的能力,且容易与其他宏观方法(如有限元法)相耦合。第22页/共26页一、引言目 录二、概念三、具体技术锻造大锻件控性锻造过程的

14、计算机模拟技术成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟由于 CA 模拟结果符合再结晶和残余应变能的关系，因而有望跟踪整个变形的晶粒演变过程，为控制大锻件的微观组织提供可行的计算分析方法。 当材料参数确定后，一点的微观组织演变取决于变形过程的温度、应变速率和应变量。第23页/共26页 建立了高温下热冲压用硼钢的热拉伸变形本构模型； 研究了硼钢在热冲压、保温和淬火过程中的相变组织重量百分比及相变后的维氏硬度和屈服强度； 研究了热冲压过程中板料和模具的初始温度对制件温度变化、拉延减薄、回弹变形及应力分布的影响,构建了模具型面补偿优化设计规则； 基于多场耦合数值模拟方法,分析了热冲压模具冷却系统的不足,以板料温度分布均匀和保证降温速率为优化目标,对模具冷却水道半径、相邻水道间隔尺寸和水道与模面距离进行了优化设计。 利用正交试验法研究了热冲压成形和淬火过程中板料初始温度、模具初始温度、冲压速度、压边力、凸凹模间隙对制件的温度场和