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数值模拟技术在大型锻件生产中的应用
2006年9月15日 9:47   作者:王本一 石伟 刘庄  
  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。

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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分析。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分析,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分析的计算程序。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有限元模拟程序MIPS。MIPS可以分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。

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(a)原工艺(b)改进工艺
图2220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分析程序,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,这是大锻件生产关键的一环,它的成功与否直接影响着整个生产。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,通用性比较差。一旦遇到新的问题,通常要对程序作较大的修改,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,利用ANSYS完善的前、后期处理功能,成功地解决了ANSYS不能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合适设备,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实验方法,如采用在铅试样对称面上划网格或做低倍实验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,所以这些物理实验方法都存在着一定的局限性,如网格法对于剧烈的变形将失去作用,低倍实验对于复杂的流动也会得不到清晰的金属流线。更重要的是,通过这些实验,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,可以完全避免这些缺陷,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。

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图3等径三通锻件图

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