材料热加工工艺的现状以及发展

1、材料热加工工艺的现状以及发 展' - ' - ' -当前，金属材料仍是应用范围最为广 泛的机械工程材料，材料热加工（包括铸造、锻 压、焊接、热处理等）是机械制造业重要的加工 工序，也是材料与制造两大行业的交叉和接口技 术。材料经热加工才能成为零件或毛坯，它不仅 使材料获得一定的形状、尺寸，更重要的是赋予 材料最终的成份、组织与性能。由于热加工兼有 成形和改性两个功能，因而与冷加工及系统的材 料制备相比，其过程质量控制具有更大的难度。 因此，对材料热加工过程进行工艺模拟进而优化 工艺设计，具有更为迫切的需求。近二十多年来， 材料热加工工艺模拟技术得到迅猛发展，成为该 领域

2、最为活跃的研究热点及技术前沿。0、引言0.1使金属材料热加工由 技艺”走向 科学” 彻底改变热加工的落后面貌金属材料热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程， 难以直接观察。在这个过程中，材料经液态流动 充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶 和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最 后成为毛坯或构件。我们必须控制这个过程使材 料的成分、组织、性能最后处于最佳状态，必须 使缺陷减到最小或将它驱赶到危害最小的地方 去。但这一切都不能直接观察到，间接测试也十 分困难。长期以来，基础学科的理论知识难以定量指导材料加工过程，材料热加工工艺设 计只能建立在

3、 经验"基础上。近年来，随着试验 技术及计算机技术的发展和材料成形理论的深 化，材料成形过程工艺设计方法正在发生着质的 改变。材料热加工工艺模拟技术就是在材料热加 工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在试 验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺 条件下材料的最后组织、性能和质量，进而实现 热加工工艺的优化设计。它将使材料热加工沿此 方向由 技艺"走向 科学”并为实现虚拟制造迈 出第一步，使机械制造业的技术水平产生质的飞 跃。0.2是预测并保证材料热加工过程质量的 先进手段，特别对确保关键大件一次制造成功， 具有重大的应用背景和效益我国重大机电设备研制、生产的一个难点是

4、大件制造；大件 制造的关键又是热加工。我国在 2015年以前， 水电、火电、核电、冶金、矿山、石化等重大机 电设备对关键大件制造均有迫切的需求。以三峡 水电机组为例，单机容量达 70万千瓦，五大部 件(转轮、蜗壳、主轴、座环、顶盖)的重量和尺 寸均居世界第一。其转轮直径达 9.8米，重量达 500吨，采用铸焊结构，制造难度很大。由于大件形大体重，品种多，批量小，生产周期 长，造价高，迫切要求一次制造成功”，一旦报 废，在经济和时间上都损失惨重，无法挽回。由 于传统的热加工工艺设计只能凭经验，采用试错 法(Test and Error Method)，无法对材料 内部宏观、微观结构的演化进行理想

5、控制，因而 发生多次大件报废的惨痛事故，投入使用的大 件，也难以消除缩孔、缩松、夹杂、偏析、热裂、 冷裂、混晶等缺陷，很多大件带伤运行。建立在 工艺模拟、优化基础上的热加工工艺设计技术， 可以将 隐患”消灭在计算机拟实加工的反复比 较中，从而确保关键大件一次制造成功。这已为 国内外不少应用实例所证实。0.3是实现快速设计制造、虚拟设计制造、分布 式设计制造的技术基础热加工是制造业 的重要工序，制造业的发展及制造模式的变革离 不开热加工的技术进步。美国国家科学基金会（N SF）用知识/自动化的不同发展阶段对制造业的 影响”的图表（见图1）形象地说明设计制造技术 水平对知识及自动化的依赖关系1。从

6、知识这 坐标看，人类经历了从技艺t手册指导t专家 系统的过程，要达到更为完善的水平，必须进行 过程/工艺模拟。因为只有通过模拟仿真，人们 才能认识过程的本质，预测并优化过程的结果， 并快速对瞬息万变的市场变化作出设计及工艺 的改变；另外，只有通过过程模拟，才能使设计 与制造联成一体。它是实现快速设计、制造，拟 实设计、制造以及分布式设计、制造的知识（技 术）基础。0.4本领域是多项学科的交叉，对应用高新技术 改造传统学科进而开拓新兴工程技术学科具有 重大意义本研究领域涉及金属材料的铸造、锻压、焊接、热处理等热加工学科；物理化 学、计算数学、图形学、材料成形理论、传热学、 传质学、流体力学、固体

7、力学、金属学、金属物 理学等技术基础学科；计算机应用、测试技术、 网络技术、新材料等高新技术学科。本项研究的 学术价值在于：以现代计算机、测试技术为手段， 架起技术基础学科与金属材料热加工的桥梁，使 基础学科的理论能够直接定量地指导材料热加 工过程，体现了基础学科、高新技术与材料热加 工学科三者之间的相互交叉和有机结合。它使材 料热加工学科由 技艺”真正成为一门 科学”，它 将推动材料热加工理论、计算机图形学、计算机 金相学、计算机体视学、计算传热学、计算流体 力学、并行工程等新兴交叉学科的形成发展。1、材料热加工工艺模拟的研究历程及技术发展 趋势材料热加工工艺模拟研究开始于铸造过程，这是因为

8、铸件凝固过程温度场模拟计算 相对简单。1962年，丹麦Forsund首次采用计 算机及有限差分法进行铸件凝固过程的传热计 算，继丹麦人之后，美国在60年代中期在N SF资助下，开拓进行大型铸钢件温度场的数值 模拟研究，进入70年代后，更多的国家（我国 从70年代末期开始）加入到这个研究行列，并从 铸造逐步扩展到锻层、焊接、热处理。在全世界 形成了一个材料热加工工艺模拟的研究热潮。在 最近十几年来召开的材料热加工各专业的国际 会议上，该领域的研究论文数量居各类论文的首 位；另外从1981年开始，每两年还专门召开一 届铸造和焊接过程的计算机数值模拟国际会议， 至今已举办了八届。近一、二十年来，材料

9、热加 工工艺模拟技术不断向广度、深度扩展，其发展 历程及发展趋势有以下七个方面。1.1宏观-中观-微观材料热加工工艺模拟的研究工作已普遍由建立在温度场、速度 场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸、轮廓 的宏观尺度模拟（米量级）进入到以预测组织、结 构、性能为目的的中观尺度模拟（毫米量级）及微 观尺度模拟阶段，研究对象涉及结晶、再结晶、 重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变等微观层 次，甚至达到单个枝晶的尺度。1.2单一分散耦合集成模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场模 拟普遍进入到耦合集成阶段。包括：流场一温 度场；温度场应力/应变场；温度场组 织场；应力/应变场组织场等之间的耦

10、合， 以真实模拟复杂的实际热加工过程。1.3共性、通用t专用、特性由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的 常规热加工，特别是铸造、冲压、铸造工艺模拟 技术的日益成熟及商业化软件的不断出现， 研究 工作已由共性通用问题转向难度更大的专用特 性问题。主要有以下两个方向：（1）解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题：为铸造专业中 的压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连 续铸造、电渣熔铸等；锻压专业中的液压胀形、 楔横轧、辊锻等；焊接专业中的电阻焊、激光焊 等。（2）解决热加工件的缺陷消除问题：应用模 拟技术，已经成功地解决了大型铸钢件的缩孔、 缩松，模锻件的折叠及冲压件的断裂、起皱问

11、题， 目前的研究热点集中在铸件的热裂、气孔、偏析; 大型锻件的混晶；冲压件的回弹；焊接件的变形、 冷裂、热裂；淬火中的变形等常见缺陷的预防和 消除方法的研究。1.4重视提高数值模拟精度和速度的基础性研 究数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟的精度和速度是当前数值模拟 的研究热点，为此非常重视在热加工基础理论、 新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基 础数据获得与积累等基础性研究，为此需要多个 专业学科的研究人员通力合作才能有所突破。1.5重视物理模拟及精确测试技术物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、 校核数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究 工作者的重视。有以下一些

12、新的动向：（1）应用高新技术，设计、开发新型物理模拟实验方法 及装置。现举两例：美国衣阿华大学以乙二 烃作为模拟物质（其结晶过程与金属相似，且本 身透明，易于观看），通过四个CCD摄象机连续 观察并记录其结晶过程，可以直接观看重力、对 流等因素对结晶的影响，十分直观。美国密西 根大学吴贤铭制造中心研制的冲压件表面大应 变量的激光测量系统：应用装在三坐标测量仪上 的激光探头大视野扫描带变形网格的冲压件，经 数据处理后，成为校核数值模拟结果的有效手 段。（2）正确、合理处理数值模拟与物理模拟 （含实验验证）之间的关系 根据模拟对象，合理 确定两者的应用比例：一般来讲：工件越大，设 备越庞大，则数值

13、模拟的作用及工作量比例越 大。以美国净成形工程研究中心（NSW/ERC）的 研究工作为例，数值模拟占工作量比例分别为： 模锻：80% ;管件液压成形：50% ;切削30% o 扬长避短，发挥两者的不同特长为此，要准确了解模拟软件的功能，对于软件力不 能及的问题或由于简化而导致误差过大的部位， 通过实验或物理模拟，进行修正；一旦确定了数 值模拟的误差并加以修正后，应尽量发挥数值模 拟的作用，以节省实验的花费。NSM/ERC在管 件成形中，先采用实验确定单道次胀形机理并修 正有限元数值模拟误差后，然后用有限元方法进 行多道次工艺模拟，并完成预成形与最后胀形工 序的协调。这种配合充分发挥了两者的长处

14、。一般来讲，数值模拟均需用实验或物理模 拟方法校核，当两者有差别时，应以实验为准。(3)高度重视基础数据的测试技术为了模拟材料的热加工过程，需要了解工件及模具 (或铸型、介质、填充材料等)材料的热物性参数、 高温力性参数、几何参数、本构参数、接触、摩 擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等各种初始 条件、边界条件的数据。没有这些数据，模型只 是空架子；而这些数据的准确性对计算结果有很大的影响，为此，最近十分重视这些基础数据的 获得。例如，为获得准确的摩擦边界数据，锻压 工艺模拟的研究项目大多进行专门的摩擦实验 来测量摩擦系数，并发现常用的库仑定律与实际 情况有很大的差别。材料的热物理及力性参数数值

15、的一般获得途径是：通用材料主要靠查 表；特殊材料由用户提供；尚无法通用实验获得 的高温数据用外推法。1.6在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技 术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成 部分起初，工艺模拟多是孤立进行的，其结果只 用于优化工艺设计本身，且多用于单件小批量毛 坯件生产。近年来，已逐步进入大量生产的先进 制造系统中，实现以下三种不同方式的集成。(1) 与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成美国金 属加工先进技术研究中心(NCEMT)在海军资助 下，正在开展并行工程环境下的 RP2D (Ration al Product/processDesign)技术。将铸造工艺模拟与产品

16、、模具设计和加工结合起来。(2)与零件加工制造系统集成：在零件加工制造系 统中，工艺模拟作为重要的支撑技术，并朝着将模拟结果作为系统的过程闭环控制的参数这一 方向努力。美国吴贤铭制造中心研究的接近零余量的敏捷及精密冲压系统”及智能电阻焊系 统”；西北大学研究的板料成形计算机集成控制 系统”其技术路线见图2）等都属于这种类型。 与零件的安全可靠性能实现集成：美国西北 大学在航空重要复杂铸件的研究中，将模拟结果 与铸件的性能，特别是安全可靠性联系起来，开 发了铸件的安全临界设计系统（Safety critica l casting design system），用于指导铸件的 损伤容限设计。1.7

17、以商业软件为基础，改进提高研究与普及应 用相结合（1）经多年研究开发，已经形成一批热 加工工艺商业软件，主要有MAGMA、 PROCA ST、SIMULOR、SOLDIA、SOLSIAR、AFSS olidificationSystem3D（铸造）、DEFORM、AUTOFORGE、SUPERFORGE （体积塑性成 形）、DYNA3D、PAM-STAMP、ANSYS （板料 塑性成形）、ABAQUS （焊接）等。已在铸造、 锻压行业生产中得到较广泛应用：如日本已有约 10%铸造工厂采用此项技术；美国福特、通用汽 车公司在开发新车型时，已将板材冲压过程的数值模拟作为一个重要技术环节；法国应用此

18、技术 对400吨重的核电转子锻件的锻造工艺进行了 校核、优化，确保了一次制造成功。（3）数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方 法。在工业发达国家（如美国），应用商业软件进 行数值模拟已成为与实验同样重要的实现技术 创新，开发新工艺的基本研究手段。（4）选择合适的商业软件为软件平台，结合具体问题，进行 改进提高研究，逐步成为多快好省的研究方法。 具体方式有：对现有软件的某些技术问题进 行理论研究； 为解决具体问题插入自编软件模块； 应用理论分析补偿法、实验补偿法等，找出并 消除商用软件的误差，使模拟结果更精确； 与软件公司合作，增加软件功能，实现软件升 级。2、对我国开展热加工工艺模拟

19、研究与应用的建 议我国七十年代末，从铸造行业开始，开展了该领域的研究工作。十几年来，在机械部、 国家科委、国家自然科学基金会的支持下，在本领域的研究工作先后全面展开，全国很多单位投 入这项工作，已在全国形成了一个较大的研究热 潮。研究工作基本紧跟国外技术前沿的步伐，已从宏观模拟进入微观组织模拟阶段，并已开展并 行工程环境下的模拟集成工作。特别是 1997年 国内多家研究院所和大学联手建议的 金属材料 热成形过程的动态模拟及组织性能质量的优化 控制”获得国家科委及机械部（基金会）的联合资 助，入选国家攀登计划预选项目，为我国赶超世 界先进水平提供了很好的条件。根据本文对该领 域研究历程及技术发展趋势的分析，结合我国情 况，提出以下发展建议：2.1加强模拟软件商品化工作通过多年研究，我国已形成一些准商品化软件，如 FTSOLVER 4.0、SIMU-3D等。但与工业发达国家相 比，存在有较大的差距，我们应采取多种方式（自 主开发、与国外软件公司合作开发、在已有商业 软件中插入自主开发模块，实现软件升级等）加 快模拟软件商品化工作，开发出有自主版权的商 品化软件。特别要注意尽量应用国内外比较成