数值模拟技术在大型锻件生产中的应用(1)

数值模拟技术在大型锻件出产中的应用
摘要数值模拟技术在包管工件质量、减少材料消耗、提高出产效率、缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。

在钢锭凝固方面，有限元模拟程序MIPS可以阐发凝固过程中温度场的分布，确定不同时刻凝固前沿的位置，而且能预测缩孔和疏松的位置及尺寸。

使用该程序对220吨钢锭的出产工艺进行优化，成功地解决了疏松进入锭身的问题。

在锻造方面，已开发出了基于ANSYS的三维大变形弹塑性、弹粘塑性程序，可以阐发复杂的三维金属塑性成形问题。

热处置专用软件NSHT不仅可以阐发加热、淬火及回火过程中温度场分布，而且可以给出应力的分布及相态的变化过程，并已在实际出产中取得了成功。

前言
大锻件出产具有单件、小批的特点。

出产前需要大量的人力和物力筹办原材料、模具或辅具，前期投入相当大，一旦产物报废，将造成很大的损掉，这对工艺制定的合理性提出了很高的要求。

在出产新产物或制定新工艺时，工艺人员往往无法按照经验确定工艺是否合理，只能采用大量尝试的方法进行研究。

由于大型锻件尺寸较大，不成能进行1∶1的实物尝试，而小件尝试有时会与实际出产过程相
差过大。

而且物理尝试通常只能给出工艺过程某个阶段的成果，无法全面了解整个工艺过程，具有必然的局限性。

由于大锻件出产的这些特殊性，采用先进的数值模拟技术改变工艺制定过程中仅凭经验决定的现状是具有重要意义的。

1 数值模拟技术在现代制造中的地位和作用
随着计算机技术的飞速开展，人类社会已经步入了信息时代。

计算机及网络不仅改变了人们生活方式，也同样改变了传统机械制造的概念与方法。

随着计算机辅助技术(CAX)的广泛应用，计算机已经深入到工业出产的各个环节之中。

一个现代的产物制造过程可以由图1来描述。

当接到出产任务时，首先采用CAD(Computer Aided Design)系统进行产物设计，其设计成果将由CAE(Computer Aided Engineering)系统对其出产工艺的可行性及合理性进行评估，如果其不满足制造要求或所需要成本太高，将返回到CAD系统中进行从头设计：如果通过了CAE的评估，就将采用CAM(Computer Aided Manufacturing)系统进行实际的出产制造。

这一出产模式已在工业畅旺国家得到了广泛的应用，而且近年来更提出了并行工程技术(Concurrent Engineering)与虚拟制造技术(Virtual Manufacturing)等新概念和新方法，将产物设计、工艺制定、出产制造及办理中的CAD、CAE、CAM、CAPP、MRP等计算机辅助技术，通过先进的信息技术结合起来，从而达到进一步缩短产物设计、制造周期，提高产物质量，降低成本，增强产物竞争能力的目的。

但不管哪一种方法，CAD/CAE/CAM等仍是整个计算机辅助技术的核心与根底。

图1 现代产物制造过程示意图
数值模拟技术是CAE的关键技术。

通过成立相应的数学模型，可以在昂贵费时的模具或辅具制造之前，在计算机中对工艺的全过程进行阐发。

不仅可以通过图形、数据等方法直不雅地得到诸如温度、应力、载荷等各种信息，而且可预测可能存在的缺陷；通过改变工艺参数对不同方案进行模拟阐发，可以从各方案的比照中总结出规律，进而实现工艺的优化。

数值模拟技术在包管工件质量，减少材料消耗，提高出产效率，缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。

在工业畅旺国家，数值模拟技术已被认为是出产中必不成少的一个环节，目前在国内数值模拟技术也早已走出象牙塔，并已在实际出产中取得了巨大成功。

本文所提到的例子，都具有明确的出产布景，是近十多年来我们操纵数值模拟方法解决大锻件出产实际问题中较
为成功的例子。

2 数值模拟技术在大型锻件出产中的应用实例
从八十年代中期开始，清华大学机械工程系由刘庄传授带领的课题组就一直从事数值模拟技术在大锻件出产上应用的研究，进行了大量有意义的工作。

从钢锭浇注、锻件出产及锻后热处置，所进行的研究工作覆盖了大锻件热加工出产的各个环节，完成了可以用于钢锭凝固过程模拟及缺陷预测，锻造过程模拟及工艺优化，淬、回火过程温度及应力场阐发的计算程序。

通过与各出产厂家的密切合作，这些程
序已经在出产中得到了实际应用，计算成果与实际情况相当吻合，充实证明了程序的可靠性。

而且操纵这些软件已经对很多实际出产工艺进行了优化，取得了显著的经济效益。

这些软件可以为大锻件的热加工工艺制定提供一个全面的CAE解决方案，能够有效地提高工艺制定的合理性，提高出产效率。

2.1 钢锭凝固过程模拟及缺陷预测
众所周知，大型锻造用钢锭中一般存在缩孔、疏松、夹杂和偏析等缺陷。

这些缺陷的存在会增大材料的消耗，而且可能会影响到后续锻造工序。

认识缺陷形成及分布的规律，并进而提出合理的铸锭工艺，对于提高大锻件质量、缩短出产周期、降低材料消耗具有重大意义。

从八十年代中期开始，作者与第一重型机器厂合作，对钢锭凝固过程的温度场进行了大量研究，成立了钢锭凝固中传热过程的数学模型。

同时对发烧剂、保温剂的发烧机理进行了深入的探讨，并成立了相应的数学模型。

在此根底上开发出一套专用的有限元模拟程序MIPS。

MIPS可以阐发凝固过程中温度场的分布，确定不同时刻凝固前沿的位置，而且能预测缩孔及疏松的位置及尺寸。

使用该程序对一重220吨钢锭的出产工艺所进行的优化，成功地解决了疏松进入锭身的问题。

图2显示了工艺改进前后，缩孔及疏松的模拟成果。

(a)原工艺(b)改进工艺
图2 220吨钢锭上缩孔疏松缺陷的分布
采用MIPS软件并结合正交设计的方法，对钢锭布局等工艺参数对缩孔大小的影响进行了研究，得出了“冒口端部条件对缩孔疏松的影响最显著，其次是侧壁耐火砖的导热系数，再次是锭身锥度，而锭身高径比那么影响不大〞的结论。

这对于工艺人员掌握钢锭出产规律，并优化工艺会有很大的帮忙。

MIPS软件不仅在普通钢锭的凝固模拟及缺陷预测中取得了成功，而且已成功地应用到无冒口或小冒口钢锭，定向结晶锭以及空心钢锭的研究傍边。

尤其在定向结晶锭中，通过引入流场，对凝固过程中的传质过程进行了数学描述，从而能够准确地预测出钢锭的偏析情况。

在大型钢锭凝固过程中，锭模呈现裂纹甚至报废的现象也是不容无视的。

在MIPS软件成功应用的根底上，我们又开发了三维钢锭锭模的应力阐发程序，有助于解决这一问题。

2.2 锻造过程模拟及工艺优化
钢锭需要颠末锻造才能达到产物所但愿的形状，这是大锻件出产
关键的一环，它的成功与否直接影响着整个出产。

以前开发的一些程序，由于大多针对某一具体的工艺过程，不具备造型功能，在模具运动或边界条件的施加等方面存在着很大的局限性，通用性比拟差。

一旦遇到新的问题，通常要对程序作较大的点窜，无法满足锻造过程模拟的需要。

针对这一问题，我们采用与世界上成熟的商品化软件，如ANSYS相结合的道路，操纵ANSYS完善的前、后期处置功能，成功地解决了ANSYS不克不及进行网格重划的难题，开发出了一套二维和三维的弹塑性、弹粘塑性大变形通用的锻造过程模拟程序。

该程序可以与ANSYS实现无缝集成，从而具有了较强的通用性。

该软件可以描述多个模具及其运动，能有效地控制加载；不仅可以得到金属流动、应力、应变的变化，而且可以得到载荷力，模具受力等信息，有助于在制定工艺时选择适宜设备，评估模具的磨损甚至破坏。

多向模锻工艺综合了模锻和挤压工艺的特点，可以制造外形复杂、中空、无飞边锻件。

过去，这方面的研究多采用物理尝试方法，如采用在铅试样对称面上划网格或做低倍尝试等来研究金属的流动情况。

由于多向模锻件外形复杂、中空，且在封闭型腔内成形，影响因素较多，金属变形流动过程极为剧烈、复杂，所以这些物理尝试方法都存在着必然的局限性，如网格法对于剧烈的变形将掉去作用，低倍尝试对于复杂的流动也会得不到清晰的金属流线。

更重要的是，通过这些尝试，只能对变形过程的某一方面进行研究，而得不到对变形全过程的认识；而且由于模具的加工、调试费工费时，需要大量的资金投入。

而采用数值模拟方法，可以完全防止这些缺陷，得到整个变
形全过程的各种信息。

由于多向模锻的特点，对其工艺过程进行数值模拟具有很大的难度，而且也颇具代表性。

由于等径三通的形状特点，其多向模锻挤压成形的工艺过程应为一个三维问题，见图3。

为使问题简化，本文采用了平面应变模型，主要阐发两正交管轴线所组成对称面上的金属流动及模具受力情况。

图4显示的模拟成果说明，在程度冲头先挤入的方案中，当程度冲头挤到打靠位置时，冲头上部的坯料金属会因为较快地向上流动，会脱离开程度冲头，从而在坯料与程度冲头之间形成一个空腔。

这一成果与实际吻合得相当好，由于模拟采用了平面简化模型，在空腔的大小上与实际还有一些差别，但模拟成果仍能揭示出该工艺的变形特点。

图3 等径三通锻件图
图4 三通挤压过程的模拟成果
在成功开发了二维阐发程序的根底上，我们已经开发出了基于ANSYS的三维大变形弹塑性、弹粘塑性程序，可以阐发复杂的三维金属塑性成形问题。

图5所示为出产大型曲轴TR法镦锻成形工艺的数值模拟成果。

通过模拟计算可以有效地确定程度进给速度与垂直进给速度对成形的影响，可以帮忙工艺人员确定适宜的速度匹配方案，从而达到优化工艺的目的。

图5 曲轴TR法镦锻工艺的模拟成果
(等效塑性变形的分布)
3 热处置过程模拟
热处置工序是热加工的最后一道工序，是包管产物内部质量、满足性能要求的关键环节。

为包管产物的质量及性能要求，防止发生较大的残剩应力，热处置工艺的制定遍及倾向于采用保守一点的方法，所以是耗时较长的工序之一。

较长的加热、保温时间会大大增加能源的消耗，也会迟延产物投入市场的时间。

如安在包管质量的前提下，缩短热处置加工工时，是改进热处置工艺的一个重要开展标的目的。

颠末十年来的大量研究工作，在使用数值模拟技术进行大锻件热处置工艺的阐发和优化方面，我们堆集了大量的经验和数据。

所开发的热处置专用软件NSHT不仅可以阐发加热、淬火及回火过程中温度场分布，而且可以给出应力的分布及相态的变化过程。

通过数值模拟不仅可以对整个工艺过程有更加深入、全面的认识，而且可以用来对工艺进行优化。

我们与一重集团合作，采用NSHT软件对材质为
26Cr2Ni4MoV的6MW转子工艺进行了优化。

图6是改进前的淬、回炽热处置尺度。

通过对加热、淬火及回火不同方案的模拟计算说明：
a 淬火尺度
b 回火尺度
图6 6MW转子原工艺热处置尺度示意图
●原工艺方案中，为达到蓄积热量，高速通过奥氏体化相变区的目的而在660℃保温8小时实际上可以打消，改为以适当的加热速度通过相变区，进入保温阶段，可以缩短加热所需要的时间。

●原工艺中空水交替冷却，最后油冷可以采用水淬激冷诚意部超过珠光体相变区，然后空冷通过贝氏体相变区，操作既便利又能满足应力的要求。

●回火过程中加热及保温阶段对回火后的应力影响较大，而冷却阶段的影响较小，因此可以提超出跨越炉温度以节省炉子的时间；回
火过程的保温时间有一个最正确时间，保温已底子上没有作用(应力降低很少)。

在回火件表里温差要求许可的条件下，可以缩短回火保温时间。

按照以上结论对6MW转子的工艺进行了改进，并已在实际出产中取得了成功，不仅缩短了工时、简化了操作，而且性能与应力程度仍能满足要求。

这一工艺改进成功说明，采用NSHT能够有效阐发烧处置工艺的各个环节对锻件内部质量的影响，从而可以使热处置工艺的制定更加合理，达到节省工时，降低成本，提高锻件内部质量的目的。

4 数值模拟技术在大型锻件出产中应用展望
先进制造技术的一个趋势就是将各种技术有效地集成，从而使其阐扬更大的效益。

从国内大锻件出产行业的应用现状来看，将CAD及CAE结合起来是一条现实而且见效快的途径，即按照某一产物的具体特点开发出一套专用的设计与模拟阐发一体化的软件。

该软件依靠现有的、成熟的CAD和CAE技术，只是在其根底长进行一些二次开发工作，这样可以防止较高的开发成本。

软件只需要由工艺人员输入较少的产物信息数据，就可以完成如生成锻件图，模具图等工作，而且可以自动生成数值模拟所用的输入信息，确定多个工艺方案。

然后，自动启动模拟软件进行阐发，给出不同工艺条件下的成果及其规律，进而对工艺方案进行优化。

我们已经在与第一重型机械集团公司合作研究封头成形的工程中初步实现了上面的设想。

由于数值模拟技术在工艺设计方面的突出长处，它必将在出产制
造领域中得到广泛应用，这是技术进步的必然成果。

在工艺设计中采用模拟技术替代传统的仅凭经验的方式，能够有效地提高出产效率、提高产物质量，这一认识在畅旺国家已经成为共识。

近年来，国外用于阐发锻造成形、凝固过程、热处置阐发的软件都已进入了商品化阶段，有些已经进入了中国市场。

这些软件与国内软件比拟，在通用性、易用性等方面具有较大的优势，但价格相当昂贵，而且材料库等只包含欧美等国常用的材料，不适合于中国国情。

所以结合国外的一些先进技术，尽快开发出适合于国内企业应用的数值模拟软件是当务之急。

但更为重要的是将现有的、成熟的数值模拟技术应用到实际出产傍边，这还需要厂校之间加强合作。