数值模拟技术在大型锻件生产中的应用

数值模拟技术在大型锻件生产中的应用

摘要数值模拟技术在保证工件质量、减少材料消耗、提高生产效率、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，元模拟程序MIPS可以解析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吨钢锭的生产工艺进行优化，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，可以解析复杂的三维属塑性成形问题。热处理专用软件NSHT不仅可以解析加热、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，并已在实际生产中取得了成功。

前言

大锻件生产具有单件、小批的特点。生产前需要大量的人力和物力准备原材料、模具或辅具，前期投入相当大，一旦产品报废，将造成很大的损失，这对工艺制定的合理性提出了很高的要求。在生产新产品或制定新工艺时，工艺人员往往无法根据经验确定工艺是否合理，只能采用大量实验的方法进行研究。由于大型锻件尺寸较大，不可能进行1∶1的实物实验，而小件实验有时会与实际生产过程相

差过大。而且物理实验通常只能给出工艺过程某个阶段的结果，无法全面了解整个工艺过程，具有一定的局限性。由于大锻件生产的这些特殊性，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发展，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生产的各个环节之中。一个现代的产品制造过程可以由图1来描述。当接到生产任务时，首先采用CAD(Computer Aided Design)系统进行产品设计，其设计结果将由CAE(Computer Aided Engineering)系统对其生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系统中进行重新设计：如果通过了CAE的评估，就将采用CAM(Computer Aided Manufacturing)系统进行实际的生产制造。这一生产模式已在工业发达国家得到了广泛的应用，并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，将产品设计、工艺制定、生产制造及管理中的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品设计、制造周期，提高产品质量，降低成本，增强产品竞争能力的目的。但不论哪一种方法，CAD/CAE/CAM等仍是整个计算机辅助技术的核心与基础。

图1 现代产品制造过程示意图

数值模拟技术是CAE的关键技术。通过建立相应的数学模型，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解析。不仅可以通过图形、数据等方法直观地得到诸如温度、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解析，可以从各方案的对比中总结出规律，进而实现工艺的优化。数值模拟技术在保证工件质量，减少材料消耗，提高生产效率，缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。

在工业发达国家，数值模拟技术已被认为是生产中必不可少的一个环节，目前在国内数值模拟技术也早已走出象牙塔，并已在实际生产中取得了巨大成功。本文所提到的例子，都具有明确的生产背景，是近十多年来我们利用数值模拟方法解决大锻件生产实际问题中较

为成功的例子。

2 数值模拟技术在大型锻件生产中的应用实例

从八十年代中期开始，清华大学机械工程系由刘庄教授领导的课题组就一直从事数值模拟技术在大锻件生产上应用的研究，进行了大量有意义的工作。从钢锭浇注、锻件生产及锻后热处理，所进行的研究工作覆盖了大锻件热加工生产的各个环节，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解析的计算程序。通过与各生产厂家的密切合作，这些程

序已经在生产中得到了实际应用，计算结果与实际情况相当吻合，充分证明了程序的可靠性。而且利用这些软件已经对很多实际生产工艺进行了优化，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，提高生产效率。

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、缩短生产周期、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，建立了钢锭凝固中传热过程的数学模型。同时对发热剂、保温剂的发热机理进行了深入的探讨，并建立了相应的数学模型。在此基础上开发出一套专用的元模拟程序MIPS。MIPS 可以解析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吨钢锭的生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，缩孔及疏松的模拟结果。

(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，对钢锭结构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，而锭身高径比则影响不大”的结论。这对于工艺人员掌握钢锭生产规律，并优化工艺会有很大的帮助。

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当中。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，锭模出现裂纹甚至报废的现象也是不容忽视的。在MIPS软件成功应用的基础上，我们又开发了三维钢锭锭模的应力解析程序，有助于解决这一问题。

2.2 锻造过程模拟及工艺优化

钢锭需要经过锻造才能达到产品所希望的形状，这是大锻件生产