材料热加工工艺的现状以及发展模板

材料热加工工艺现实状况和发展收藏此信息打印该信息添加：佚名起源：\o"中国机电网"未知目前，金属材料仍是应用范围最为广泛机械工程材料，材料热加工(包含铸造、锻压、焊接、热处理等)是机械制造业关键加工工序，也是材料和制造两大行业交叉和接口技术。材料经热加工才能成为零件或毛坯，它不仅使材料取得一定形状、尺寸，更关键是给予材料最终成份、组织和性能。因为热加工兼有成形和改性两个功效，所以和冷加工及系统材料制备相比，其过程质量控制含有更大难度。所以，对材料热加工过程进行工艺模拟进而优化工艺设计，含有更为迫切需求。近二十多年来，材料热加工工艺模拟技术得到迅猛发展，成为该领域最为活跃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”，根本改变热加工落后面貌

金属材料热加工过程是极其复杂高温、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个微观组织改变及缺点产生和消失等一系列复杂物理、化学、冶金改变而最终成为毛坯或构件。我们必需控制这个过程使材料成份、组织、性能最终处于最好状态，必需使缺点减到最小或将它驱赶到危害最小地方去。但这一切全部不能直接观察到，间接测试也十分困难。

长久以来，基础学科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“经验”基础上。多年来，伴随试验技术及计算机技术发展和材料成形理论深化，材料成形过程工艺设计方法正在发生着质改变。材料热加工工艺模拟技术就是在材料热加工理论指导下，经过数值模拟和物理模拟，在试验室动态仿真材料热加工过程，估计实际工艺条件下材料最终组织、性能和质量，进而实现热加工工艺优化设计。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，使机械制造业技术水平产生质飞跃。0.2

是估计并确保材料热加工过程质量优异手段，尤其对确保关键大件一次制造成功，含有重大应用背景和效益

中国重大机电设备研制、生产一个难点是大件制造；大件制造关键又是热加工。中国在以前，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全部有迫切需求。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)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，采取铸焊结构，制造难度很大。

因为大件形大致重，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，在经济和时间上全部损失惨重，无法挽回。因为传统热加工工艺设计只能凭经验，采取试错法(Test

and

Error

Method)，无法对材料内部宏观、微观结构演化进行理想控制，所以发生数次大件报废惨痛事故，投入使用大件，也难以消除缩孔、缩松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺点，很多大件带伤运行。建立在工艺模拟、优化基础上热加工工艺设计技术，能够将“隐患”消亡在计算机拟实加工反复比较中，从而确保关键大件一次制造成功。这已为中国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、分布式设计制造技术基础

热加工是制造业关键工序，制造业发展及制造模式变革离不开热加工技术进步。美国国家科学基金会(NSF)用“知识/自动化不一样发展阶段对制造业影响”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依靠关系[1]。从知识这一坐标看，人类经历了从技艺→手册指导→教授系统过程，要达成更为完善水平，必需进行过程/工艺模拟。因为只有经过模拟仿真，大家才能认识过程本质，估计并优化过程结果，并快速对瞬息万变市场改变作出设计及工艺改变；另外，只有经过过程模拟，才能使设计和制造联成一体。它是实现快速设计、制造，拟实设计、制造和分布式设计、制造知识(技术)基础。

0.4

本事域是多项学科交叉，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含有重大意义

本研究领域包含金属材料铸造、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，架起技术基础学科和金属材料热加工桥梁，使基础学科理论能够直接定量地指导材料热加工过程，表现了基础学科、高新技术和材料热加工学科三者之间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”，它将推进材料热加工理论、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形成发展。1、材料热加工工艺模拟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首次采取计算机及有限差分法进行铸件凝固过程传热计算[2]，继丹麦人以后，美国在60年代中期在NSF资助下，开拓进行大型铸钢件温度场数值模拟研究，进入70年代后，更多国家(中国从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研究热潮。在最近十几年来召开材料热加工各专业国际会议上，该领域研究论文数量居各类论文首位；另外从1981年开始，每两年还专门召开一届铸造和焊接过程计算机数值模拟国际会议，至今已举行了八届。近一、二十年来，材料热加工工艺模拟技术不停向广度、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研究工作已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上意在估计形状、尺寸、轮廓宏观尺度模拟(米量级)进入到以估计组织、结构、性能为目标中观尺度模拟(毫米量级)及微观尺度模拟阶段，研究对象包含结晶、再结晶、重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变等微观层次，甚至达成单个枝晶尺度。

1.2

单一分散→耦合集成

模拟功效已由单一温度场、流场、应力/应变场、组织场模拟普遍进入到耦合集成阶段。包含：流场←→温度场；温度场←→应力/应变场；温度场←→组织场；应力/应变场←→组织场等之间耦合，以真实模拟复杂实际热加工过程。

1.3

共性、通用→专用、特征

因为建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上常规热加工，尤其是铸造、冲压、铸造工艺模拟技术日益成熟及商业化软件不停出现，研究工作已由共性通用问题转向难度更大专用特征问题。关键有以下两个方向：(1)

处理特种热加工工艺模拟及工艺优化问题:为铸造专业中压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连续铸造、电渣熔铸等；锻压专业中液压胀形、楔横轧、辊锻等；焊接专业中电阻焊、激光焊等。(2)

处理热加工件缺点消除问题:应用模拟技术，已经成功地处理了大型铸钢件缩孔、缩松，模锻件折叠及冲压件断裂、起皱问题，现在研究热点集中在铸件热裂、气孔、偏析；大型锻件混晶；冲压件回弹；焊接件变形、冷裂、热裂；淬火中变形等常见缺点预防和消除方法研究。

1.4

重视提升数值模拟精度和速度基础性研究

数值模拟是热加工工艺模拟关键方法，提升数值模拟精度和速度是目前数值模拟研究热点，为此很重视在热加工基础理论、新数理模型、新算法、前后处理、正确基础数据取得和积累等基础性研究，为此需要多个专业学科研究人员通力合作才能有所突破。1.5

重视物理模拟及正确测试技术

物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果有力手段，越来越引发研究工作者重视。有以下部分新动向：(1)

应用高新技术，设计、开发新型物理模拟试验方法及装置。现举两例：①.美国衣阿华大学以乙二烃作为模拟物质(其结晶过程和金属相同，且本身透明，易于观看)，经过四个CCD摄象机连续观察并统计其结晶过程，能够直接观看重力、对流等原因对结晶影响，十分直观。②美国密西根大学吴贤铭制造中心研制冲压件表面大应变量激光测量系统：应用装在三坐标测量仪上激光探头大视野扫描带变形网格冲压件，经数据处理后，成为校核数值模拟结果有效手段。(2)

正确、合理处理数值模拟和物理模拟(含试验验证)之间关系①依据模拟对象，合理确定二者应用百分比：通常来讲：工件越大，设备越庞大，则数值模拟作用及工作量百分比越大。以美国净成形工程研究中心(NSW/ERC)研究工作为例，数值模拟占工作量百分比分别为：模锻：80%；管件液压成形：50%；切削30%。②扬长避短，发挥二者不一样专长

为此，要正确了解模拟软件功效，对于软件力不能及问题或因为简化而造成误差过大部位，经过试验或物理模拟，进行修正；一旦确定了数值模拟误差并加以修正后，应尽可能发挥数值模拟作用，以节省试验花费。NSM/ERC在管件成形中，先采取试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，并完成预成形和最终胀形工序协调。这种配合充足发挥了二者优点。

通常来讲，数值模拟均需用试验或物理模拟方法校核，当二者有差异时，应以试验为准。

(3)

高度重视基础数据测试技术

为了模拟材料热加工过程，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、结晶潜热等多种初始条件、边界条件数据。没有这些数据，模型只是空架子；而这些数据正确性对计算结果有很大影响，为此，最近十分重视这些基础数据取得。比如，为取得正确摩擦边界数据，锻压工艺模拟研究项目大多进行专门摩擦试验来测量摩擦系数，并发觉常见库仑定律和实际情况有很大差异。

材料热物理及力性参数数值通常取得路径是：通用材料关键靠查表；特殊材料由用户提供；尚无法通用试验取得高温数据用外推法。

1.6

在并行环境下，工艺模拟和生产系统其它技术步骤实现集成，成为优异制造系统关键组成部分起初，工艺模拟多是孤立进行，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。多年来，已逐步进入大量生产优异制造系统中，实现以下三种不一样方法集成。(1)和产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成美国金属加工优异技术研究中心(NCEMT)在海军资助下，正在开展并行工程环境下RP2D(Rational

Product/process

Design)技术。将铸造工艺模拟和产品、模具设计和加工结合起来。(2)和零件加工制造系统集成：在零件加工制造系统中，工艺模拟作为关键支撑技术，并朝着将模拟结果作为系统过程闭环控制参数这一方向努力。美国吴贤铭制造中心研究“靠近零余量灵敏及精密冲压系统”及“智能电阻焊系统”；西北大学研究“板料成形计算机集成控制系统”(其技术路线见图2)等全部属于这种类型。(3)和零件安全可靠性能实现集成：美国西北大学在航空关键复杂铸件研究中，将模拟结果和铸件性能，尤其是安全可靠性联络起来，开发了铸件安全临界设计系统(Safety

critical

casting

design

system)，用于指导铸件损伤容限设计。

1.7

以商业软件为基础，改善提升研究和普及应用相结合(1)经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件,关键有MAGMA、PROCAST、SIMULOR、SOLDIA、SOLSIAR、AFSSolidification

System3D(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。(2)已在铸造、锻压行业生产中得到较广泛应用：如日本已经有约10%铸造工厂采取此项技术；美国福特、通用汽车企业在开发新车型时，已将板材冲压过程数值模拟作为一个关键技术步骤；法国应用此技术对400吨重核电转子锻件铸造工艺进行了校核、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关键手段和方法。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和试验一样关键实现技术创新，开发新工艺基础研究手段。(4)选择适宜商业软件为软件平台，结合具体问题，进行改善提升研究，逐步成为多快好省研究方法。具体方法有：①对现有软件一些技术问题进行理论研究；

②为处理具体问题插入自编软件模块；

③应用理论分析赔偿法、试验赔偿法等，找出并消除商用软件误差，使模拟结果更正确；

④和软件企业合作，增加软件功效，实现软件升级。

２、对中国开展热加工工艺模拟研究和应用提议

中国七十年代末，从铸造行业开始，开展了该领域研究工作。十几年来，在机械部、国家科委、国家自然科学基金会支持下，在本事域研究工作前后全方面展开，全国很多单位投入这项工作，已在全国形成了一个较大研究热潮。研究工作基础紧跟国外技术前沿步伐，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模拟集成工作。尤其是1997年中国多家研究院所和大学联手提议“金属材料热成形过程动态模拟及组织性能质量优化控制”取得国家科委及机械部(基金会)联合资助，入选国家攀登计划预选项目，为中国赶超世界优异水平提供了很好条件。依据本文对该领域研究历程及技术发展趋势分析，结合中国情况，提出以下发展提议：

2.1

加强模拟软件商品化工作

经过多年研究，中国已形成部分准商品化软件，如FTSOLVER

4.0、SIMU-3D等。但和工业发达国家相比，存在有较大差距，我们应采取多个方法(自主开发、和国外软件企业合作开发、在已经有商业软件中插入自主开发模块，实现软件升级等)加紧模拟软件商品化工作，开发出有自主版权商品化软件。尤其要注意尽可能应用中国外比较成熟软件平台(尤其是前后处理)，避免一切从零开始，做低水平反复。

2.2

大力普及已经成熟热加工工艺模拟技术

要在工厂及研究单位(