数值模拟技术在大型锻件生产中的应用概述25770.docx

《数值模拟技术在大型锻件生产中的应用概述25770.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数值模拟技术在大型锻件生产中的应用概述25770.docx（9页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、数值模拟拟技术在在大型锻锻件生产产中的应应用摘要数值模模拟技术术在保证证工件质质量、减减少材料料消耗、提提高生产产效率、缩缩短试制制周期等等方面显显示出无无可比拟拟的优越越性。在在钢锭凝凝固方面面，有限限元模拟拟程序MMIPSS可以分分析凝固固过程中中温度场场的分布布，确定定不同时时刻凝固固前沿的的位置，而而且能预预测缩孔孔和疏松松的位置置及尺寸寸。使用用该程序序对2220吨钢钢锭的生生产工艺艺进行优优化，成成功地解解决了疏疏松进入入锭身的的问题。在在锻造方方面，已已开发出出了基于于ANSSYS的的三维大大变形弹弹塑性、弹弹粘塑性性程序，可可以分析析复杂的的三维金金属塑性性成形问问题。热热处理

2、专专用软件件NSHHT不仅仅可以分分析加热热、淬火火及回火火过程中中温度场场分布，而而且可以以给出应应力的分分布及相相态的变变化过程程，并已已在实际际生产中中取得了了成功。前言大锻锻件生产产具有单单件、小小批的特特点。生生产前需需要大量量的人力力和物力力准备原原材料、模模具或辅辅具，前前期投入入相当大大，一旦旦产品报报废，将将造成很很大的损损失，这这对工艺艺制定的的合理性性提出了了很高的的要求。在在生产新新产品或或制定新新工艺时时，工艺艺人员往往往无法法根据经经验确定定工艺是是否合理理，只能能采用大大量实验验的方法法进行研研究。由由于大型型锻件尺尺寸较大大，不可可能进行行111的实物物实验，而

3、而小件实实验有时时会与实实际生产产过程相相差过大大。而且且物理实实验通常常只能给给出工艺艺过程某某个阶段段的结果果，无法法全面了了解整个个工艺过过程，具具有一定定的局限限性。由由于大锻锻件生产产的这些些特殊性性，采用用先进的的数值模模拟技术术改变工工艺制定定过程中中仅凭经经验决定定的现状状是具有有重要意意义的。1数值值模拟技技术在现现代制造造中的地地位和作作用随着着计算机机技术的的飞速发发展，人人类社会会已经步步入了信信息时代代。计算算机及网网络不仅仅改变了了人们生生活方式式，也同同样改变变了传统统机械制制造的概概念与方方法。随随着计算算机辅助助技术(CAXX)的广广泛应用用，计算算机已经经深

4、入到到工业生生产的各各个环节节之中。一一个现代代的产品品制造过过程可以以由图11来描述述。当接接到生产产任务时时，首先先采用CCAD(Commputter Aidded Dessignn)系统统进行产产品设计计，其设设计结果果将由CCAE(Commputter Aidded Enggineeeriing)系统对对其生产产工艺的的可行性性及合理理性进行行评估，如如果其不不满足制制造要求求或所需需要成本本太高，将将返回到到CADD系统中中进行重重新设计计：如果果通过了了CAEE的评估估，就将将采用CCAM(Commputter Aidded Mannufaactuurinng)系系统进行行实际的的

5、生产制制造。这这一生产产模式已已在工业业发达国国家得到到了广泛泛的应用用，并且且近年来来更提出出了并行行工程技技术(CConccurrrentt Ennginneerringg)与虚虚拟制造造技术(Virrtuaal MManuufaccturringg)等新新概念和和新方法法，将产产品设计计、工艺艺制定、生生产制造造及管理理中的CCAD、CCAE、CCAM、CCAPPP、MRRP等计计算机辅辅助技术术，通过过先进的的信息技技术结合合起来，从从而达到到进一步步缩短产产品设计计、制造造周期，提提高产品品质量，降降低成本本，增强强产品竞竞争能力力的目的的。但不不论哪一一种方法法，CAAD/CCAE

6、/CAMM等仍是是整个计计算机辅辅助技术术的核心心与基础础。图1现现代产品品制造过过程示意意图数值值模拟技技术是CCAE的的关键技技术。通通过建立立相应的的数学模模型，可可以在昂昂贵费时时的模具具或辅具具制造之之前，在在计算机机中对工工艺的全全过程进进行分析析。不仅仅可以通通过图形形、数据据等方法法直观地地得到诸诸如温度度、应力力、载荷荷等各种种信息，而而且可预预测可能能存在的的缺陷；通过改改变工艺艺参数对对不同方方案进行行模拟分分析，可可以从各各方案的的对比中中总结出出规律，进进而实现现工艺的的优化。数数值模拟拟技术在在保证工工件质量量，减少少材料消消耗，提提高生产产效率，缩缩短试制制周期等

7、等方面显显示出无无可比拟拟的优越越性。在工工业发达达国家，数数值模拟拟技术已已被认为为是生产产中必不不可少的的一个环环节，目目前在国国内数值值模拟技技术也早早已走出出象牙塔塔，并已已在实际际生产中中取得了了巨大成成功。本本文所提提到的例例子，都都具有明明确的生生产背景景，是近近十多年年来我们们利用数数值模拟拟方法解解决大锻锻件生产产实际问问题中较较为成功功的例子子。2数值值模拟技技术在大大型锻件件生产中中的应用用实例从八十年年代中期期开始，清清华大学学机械工工程系由由刘庄教教授领导导的课题题组就一一直从事事数值模模拟技术术在大锻锻件生产产上应用用的研究究，进行行了大量量有意义义的工作作。从钢钢

8、锭浇注注、锻件件生产及及锻后热热处理，所所进行的的研究工工作覆盖盖了大锻锻件热加加工生产产的各个个环节，完完成了可可以用于于钢锭凝凝固过程程模拟及及缺陷预预测，锻锻造过程程模拟及及工艺优优化，淬淬、回火火过程温温度及应应力场分分析的计计算程序序。通过过与各生生产厂家家的密切切合作，这这些程序序已经在在生产中中得到了了实际应应用，计计算结果果与实际际情况相相当吻合合，充分分证明了了程序的的可靠性性。而且且利用这这些软件件已经对对很多实实际生产产工艺进进行了优优化，取取得了显显著的经经济效益益。这些些软件可可以为大大锻件的的热加工工工艺制制定提供供一个全全面的CCAE解解决方案案，能够够有效地地提

9、高工工艺制定定的合理理性，提提高生产产效率。2.1钢锭凝凝固过程程模拟及及缺陷预预测众所周周知，大大型锻造造用钢锭锭中一般般存在缩缩孔、疏疏松、夹夹杂和偏偏析等缺缺陷。这这些缺陷陷的存在在会增大大材料的的消耗，而而且可能能会影响响到后续续锻造工工序。认认识缺陷陷形成及及分布的的规律，并并进而提提出合理理的铸锭锭工艺，对对于提高高大锻件件质量、缩缩短生产产周期、降降低材料料消耗具具有重大大意义。从从八十年年代中期期开始，作作者与第第一重型型机器厂厂合作，对对钢锭凝凝固过程程的温度度场进行行了大量量研究，建建立了钢钢锭凝固固中传热热过程的的数学模模型。同同时对发发热剂、保保温剂的的发热机机理进行行

10、了深入入的探讨讨，并建建立了相相应的数数学模型型。在此此基础上上开发出出一套专专用的有有限元模模拟程序序MIPPS。MMIPSS可以分分析凝固固过程中中温度场场的分布布，确定定不同时时刻凝固固前沿的的位置，而而且能预预测缩孔孔及疏松松的位置置及尺寸寸。使用用该程序序对一重重2200吨钢锭锭的生产产工艺所所进行的的优化，成成功地解解决了疏疏松进入入锭身的的问题。图图2显示示了工艺艺改进前前后，缩缩孔及疏疏松的模模拟结果果。(a)原原工艺(b)改进工工艺图222220吨钢钢锭上缩缩孔疏松松缺陷的的分布采用MIIPS软软件并结结合正交交设计的的方法，对对钢锭结结构等工工艺参数数对缩孔孔大小的的影响进

11、进行了研研究，得得出了“冒冒口端部部条件对对缩孔疏疏松的影影响最显显著，其其次是侧侧壁耐火火砖的导导热系数数，再次次是锭身身锥度，而而锭身高高径比则则影响不不大”的的结论。这这对于工工艺人员员掌握钢钢锭生产产规律，并并优化工工艺会有有很大的的帮助。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

12、钢锭锭模的应力分析程序，有助于解决这一问题。2.2锻造过过程模拟拟及工艺艺优化钢锭锭需要经经过锻造造才能达达到产品品所希望望的形状状，这是是大锻件件生产关关键的一一环，它它的成功功与否直直接影响响着整个个生产。以以前开发发的一些些程序，由由于大多多针对某某一具体体的工艺艺过程，不不具备造造型功能能，在模模具运动动或边界界条件的的施加等等方面存存在着很很大的局局限性，通通用性比比较差。一一旦遇到到新的问问题，通通常要对对程序作作较大的的修改，无无法满足足锻造过过程模拟拟的需要要。针对对这一问问题，我我们采用用与世界界上成熟熟的商品品化软件件，如AANSYYS相结结合的道道路，利利用ANNSYSS

13、完善的的前、后后期处理理功能，成成功地解解决了AANSYYS不能能进行网网格重划划的难题题，开发发出了一一套二维维和三维维的弹塑塑性、弹弹粘塑性性大变形形通用的的锻造过过程模拟拟程序。该该程序可可以与AANSYYS实现现无缝集集成，从从而具有有了较强强的通用用性。该该软件可可以描述述多个模模具及其其运动，能能有效地地控制加加载；不不仅可以以得到金金属流动动、应力力、应变变的变化化，而且且可以得得到载荷荷力，模模具受力力等信息息，有助助于在制制定工艺艺时选择择合适设设备，评评估模具具的磨损损甚至破破坏。多向向模锻工工艺综合合了模锻锻和挤压压工艺的的特点，可可以制造造外形复复杂、中中空、无无飞边锻

14、锻件。过过去，这这方面的的研究多多采用物物理实验验方法，如如采用在在铅试样样对称面面上划网网格或做做低倍实实验等来来研究金金属的流流动情况况。由于于多向模模锻件外外形复杂杂、中空空，且在在封闭型型腔内成成形，影影响因素素较多，金金属变形形流动过过程极为为剧烈、复复杂，所所以这些些物理实实验方法法都存在在着一定定的局限限性，如如网格法法对于剧剧烈的变变形将失失去作用用，低倍倍实验对对于复杂杂的流动动也会得得不到清清晰的金金属流线线。更重重要的是是，通过过这些实实验，只只能对变变形过程程的某一一方面进进行研究究，而得得不到对对变形全全过程的的认识；而且由由于模具具的加工工、调试试费工费费时，需需要

15、大量量的资金金投入。而而采用数数值模拟拟方法，可可以完全全避免这这些缺陷陷，得到到整个变变形全过过程的各各种信息息。由于于多向模模锻的特特点，对对其工艺艺过程进进行数值值模拟具具有很大大的难度度，而且且也颇具具代表性性。由于等等径三通通的形状状特点，其其多向模模锻挤压压成形的的工艺过过程应为为一个三三维问题题，见图图3。为为使问题题简化，本本文采用用了平面面应变模模型，主主要分析析两正交交管轴线线所组成成对称面面上的金金属流动动及模具具受力情情况。图图4显示示的模拟拟结果表表明，在在水平冲冲头先挤挤入的方方案中，当当水平冲冲头挤到到打靠位位置时，冲冲头上部部的坯料料金属会会因为较较快地向向上流

16、动动，会脱脱离开水水平冲头头，从而而在坯料料与水平平冲头之之间形成成一个空空腔。这这一结果果与实际际吻合得得相当好好，由于于模拟采采用了平平面简化化模型，在在空腔的的大小上上与实际际还有一一些差别别，但模模拟结果果仍能揭揭示出该该工艺的的变形特特点。图3等等径三通通锻件图图图4三三通挤压压过程的的模拟结结果在成功开开发了二二维分析析程序的的基础上上，我们们已经开开发出了了基于AANSYYS的三三维大变变形弹塑塑性、弹弹粘塑性性程序，可可以分析析复杂的的三维金金属塑性性成形问问题。图图5所示示为生产产大型曲曲轴TRR法镦锻锻成形工工艺的数数值模拟拟结果。通通过模拟拟计算可可以有效效地确定定水平进

17、进给速度度与垂直直进给速速度对成成形的影影响，可可以帮助助工艺人人员确定定适宜的的速度匹匹配方案案，从而而达到优优化工艺艺的目的的。 图5曲曲轴TRR法镦锻锻工艺的的模拟结结果(等等效塑性性变形的的分布)3热处处理过程程模拟热处处理工序序是热加加工的最最后一道道工序，是是保证产产品内部部质量、满满足性能能要求的的关键环环节。为为保证产产品的质质量及性性能要求求，避免免产生较较大的残残余应力力，热处处理工艺艺的制定定普遍倾倾向于采采用保守守一点的的方法，所所以是耗耗时较长长的工序序之一。较较长的加加热、保保温时间间会大大大增加能能源的消消耗，也也会拖延延产品投投入市场场的时间间。如何何在保证证质

18、量的的前提下下，缩短短热处理理加工工工时，是是改进热热处理工工艺的一一个重要要发展方方向。经过过十年来来的大量量研究工工作，在在使用数数值模拟拟技术进进行大锻锻件热处处理工艺艺的分析析和优化化方面，我我们积累累了大量量的经验验和数据据。所开开发的热热处理专专用软件件NSHHT不仅仅可以分分析加热热、淬火火及回火火过程中中温度场场分布，而而且可以以给出应应力的分分布及相相态的变变化过程程。通过过数值模模拟不仅仅可以对对整个工工艺过程程有更加加深入、全全面的认认识，而而且可以以用来对对工艺进进行优化化。我们们与一重重集团合合作，采采用NSSHT软软件对材材质为226Crr2Nii4MooV的66M

19、W转转子工艺艺进行了了优化。图图6是改改进前的的淬、回回火热处处理规范范。通过过对加热热、淬火火及回火火不同方方案的模模拟计算算表明：a淬火火规范b回火火规范图666MW转转子原工工艺热处处理规范范示意图图原原工艺方方案中，为为达到蓄蓄积热量量，高速速通过奥奥氏体化化相变区区的目的的而在6660保温88小时实实际上可可以取消消，改为为以适当当的加热热速度通通过相变变区，进进入保温温阶段，可可以缩短短加热所所需要的的时间。原工艺中空水交替冷却，最后油冷可以采用水淬激冷至心部超过珠光体相变区，然后空冷通过贝氏体相变区，操作既方便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

20、冷却阶段的影响较小，因此可以提高出炉温度以节省炉子的时间；回火过程的保温时间有一个最佳时间，保温已基本上没有作用(应力降低很少)。在回火件内外温差要求许可的条件下，可以缩短回火保温时间。根据以上结论对6MW转子的工艺进行了改进，并已在实际生产中取得了成功，不仅缩短了工时、简化了操作，而且性能与应力水平仍能满足要求。这一工艺改进成功表明，采用NSHT能够有效分析热处理工艺的各个环节对锻件内部质量的影响，从而可以使热处理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数值值模拟技技术在大大型锻件件生产中中应用展展望先进进制造技技术的一一个趋势势就是将将各种技技术有效效地集成成

21、，从而而使其发发挥更大大的效益益。从国国内大锻锻件生产产行业的的应用现现状来看看，将CCAD及及CAEE结合起起来是一一条现实实而且见见效快的的途径，即即根据某某一产品品的具体体特点开开发出一一套专用用的设计计与模拟拟分析一一体化的的软件。该该软件依依靠现有有的、成成熟的CCAD和和CAEE技术，只只是在其其基础上上进行一一些二次次开发工工作，这这样可以以避免较较高的开开发成本本。软件件只需要要由工艺艺人员输输入较少少的产品品信息数数据，就就可以完完成如生生成锻件件图，模模具图等等工作，并并且可以以自动生生成数值值模拟所所用的输输入信息息，确定定多个工工艺方案案。然后后，自动动启动模模拟软件件

22、进行分分析，给给出不同同工艺条条件下的的结果及及其规律律，进而而对工艺艺方案进进行优化化。我们们已经在在与第一一重型机机械集团团公司合合作研究究封头成成形的项项目中初初步实现现了上面面的设想想。由于数数值模拟拟技术在在工艺设设计方面面的突出出优点，它它必将在在生产制制造领域域中得到到广泛应应用，这这是技术术进步的的必然结结果。在在工艺设设计中采采用模拟拟技术替替代传统统的仅凭凭经验的的方式，能能够有效效地提高高生产效效率、提提高产品品质量，这这一认识识在发达达国家已已经成为为共识。近近年来，国国外用于于分析锻锻造成形形、凝固固过程、热热处理分分析的软软件都已已进入了了商品化化阶段，有有些已经经进入了了中国市市场。这这些软件件与国内内软件相相比，在在通用性性、易用用性等方方面具有有较大的的优势，但但价格相相当昂贵贵，而且且材料库库等只包包含欧美美等国常常用的材材料，不不适合于于中国国国情。所所以结合合国外的的一些先先进技术术，尽快快开发出出适合于于国内企企业应用用的数值值模拟软软件是当当务之急急。但更更为重要要的是将将现有的的、成熟熟的数值值模拟技技术应用用到实际际生产当当中，这这还需要要厂校之之间加强强合作。