材料熱加工工藝的現(xiàn)狀以及發(fā)展

1、材料熱加工工藝的現(xiàn)狀以及發(fā) 展' - ' - ' -當(dāng)前，金屬材料仍是應(yīng)用范圍最為廣 泛的機械工程材料，材料熱加工（包括鑄造、鍛 壓、焊接、熱處理等）是機械制造業(yè)重要的加工 工序，也是材料與制造兩大行業(yè)的交叉和接口技 術(shù)。材料經(jīng)熱加工才能成為零件或毛坯，它不僅 使材料獲得一定的形狀、尺寸，更重要的是賦予 材料最終的成份、組織與性能。由于熱加工兼有 成形和改性兩個功能，因而與冷加工及系統(tǒng)的材 料制備相比，其過程質(zhì)量控制具有更大的難度。 因此，對材料熱加工過程進行工藝模擬進而優(yōu)化 工藝設(shè)計，具有更為迫切的需求。近二十多年來， 材料熱加工工藝模擬技術(shù)得到迅猛發(fā)展，成為該 領(lǐng)域

2、最為活躍的研究熱點及技術(shù)前沿。0、引言0.1使金屬材料熱加工由 技藝”走向 科學(xué)” 徹底改變熱加工的落后面貌金屬材料熱加工過程是極其復(fù)雜的高溫、動態(tài)、瞬時過程， 難以直接觀察。在這個過程中，材料經(jīng)液態(tài)流動 充型、凝固結(jié)晶、固態(tài)流動變形、相變、再結(jié)晶 和重結(jié)晶等多種微觀組織變化及缺陷的產(chǎn)生與消失等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金變化而最 后成為毛坯或構(gòu)件。我們必須控制這個過程使材 料的成分、組織、性能最后處于最佳狀態(tài)，必須 使缺陷減到最小或?qū)⑺?qū)趕到危害最小的地方 去。但這一切都不能直接觀察到，間接測試也十 分困難。長期以來，基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識難以定量指導(dǎo)材料加工過程，材料熱加工工藝設(shè) 計只能建立在

3、 經(jīng)驗"基礎(chǔ)上。近年來，隨著試驗 技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展和材料成形理論的深 化，材料成形過程工藝設(shè)計方法正在發(fā)生著質(zhì)的 改變。材料熱加工工藝模擬技術(shù)就是在材料熱加 工理論指導(dǎo)下，通過數(shù)值模擬和物理模擬，在試 驗室動態(tài)仿真材料的熱加工過程，預(yù)測實際工藝 條件下材料的最后組織、性能和質(zhì)量，進而實現(xiàn) 熱加工工藝的優(yōu)化設(shè)計。它將使材料熱加工沿此 方向由 技藝"走向 科學(xué)”并為實現(xiàn)虛擬制造邁 出第一步，使機械制造業(yè)的技術(shù)水平產(chǎn)生質(zhì)的飛 躍。0.2是預(yù)測并保證材料熱加工過程質(zhì)量的 先進手段，特別對確保關(guān)鍵大件一次制造成功， 具有重大的應(yīng)用背景和效益我國重大機電設(shè)備研制、生產(chǎn)的一個難點是

4、大件制造；大件 制造的關(guān)鍵又是熱加工。我國在 2015年以前， 水電、火電、核電、冶金、礦山、石化等重大機 電設(shè)備對關(guān)鍵大件制造均有迫切的需求。以三峽 水電機組為例，單機容量達 70萬千瓦，五大部 件(轉(zhuǎn)輪、蝸殼、主軸、座環(huán)、頂蓋)的重量和尺 寸均居世界第一。其轉(zhuǎn)輪直徑達 9.8米，重量達 500噸，采用鑄焊結(jié)構(gòu)，制造難度很大。由于大件形大體重，品種多，批量小，生產(chǎn)周期 長，造價高，迫切要求一次制造成功”，一旦報 廢，在經(jīng)濟和時間上都損失慘重，無法挽回。由 于傳統(tǒng)的熱加工工藝設(shè)計只能憑經(jīng)驗，采用試錯 法(Test and Error Method)，無法對材料 內(nèi)部宏觀、微觀結(jié)構(gòu)的演化進行理想

5、控制，因而 發(fā)生多次大件報廢的慘痛事故，投入使用的大 件，也難以消除縮孔、縮松、夾雜、偏析、熱裂、 冷裂、混晶等缺陷，很多大件帶傷運行。建立在 工藝模擬、優(yōu)化基礎(chǔ)上的熱加工工藝設(shè)計技術(shù)， 可以將 隱患”消滅在計算機擬實加工的反復(fù)比 較中，從而確保關(guān)鍵大件一次制造成功。這已為 國內(nèi)外不少應(yīng)用實例所證實。0.3是實現(xiàn)快速設(shè)計制造、虛擬設(shè)計制造、分布 式設(shè)計制造的技術(shù)基礎(chǔ)熱加工是制造業(yè) 的重要工序，制造業(yè)的發(fā)展及制造模式的變革離 不開熱加工的技術(shù)進步。美國國家科學(xué)基金會（N SF）用知識/自動化的不同發(fā)展階段對制造業(yè)的 影響”的圖表（見圖1）形象地說明設(shè)計制造技術(shù) 水平對知識及自動化的依賴關(guān)系1。從

6、知識這 坐標(biāo)看，人類經(jīng)歷了從技藝t手冊指導(dǎo)t專家 系統(tǒng)的過程，要達到更為完善的水平，必須進行 過程/工藝模擬。因為只有通過模擬仿真，人們 才能認識過程的本質(zhì)，預(yù)測并優(yōu)化過程的結(jié)果， 并快速對瞬息萬變的市場變化作出設(shè)計及工藝 的改變；另外，只有通過過程模擬，才能使設(shè)計 與制造聯(lián)成一體。它是實現(xiàn)快速設(shè)計、制造，擬 實設(shè)計、制造以及分布式設(shè)計、制造的知識（技 術(shù)）基礎(chǔ)。0.4本領(lǐng)域是多項學(xué)科的交叉，對應(yīng)用高新技術(shù) 改造傳統(tǒng)學(xué)科進而開拓新興工程技術(shù)學(xué)科具有 重大意義本研究領(lǐng)域涉及金屬材料的鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等熱加工學(xué)科；物理化 學(xué)、計算數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、材料成形理論、傳熱學(xué)、 傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、固體

7、力學(xué)、金屬學(xué)、金屬物 理學(xué)等技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科；計算機應(yīng)用、測試技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料等高新技術(shù)學(xué)科。本項研究的 學(xué)術(shù)價值在于：以現(xiàn)代計算機、測試技術(shù)為手段， 架起技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科與金屬材料熱加工的橋梁，使 基礎(chǔ)學(xué)科的理論能夠直接定量地指導(dǎo)材料熱加 工過程，體現(xiàn)了基礎(chǔ)學(xué)科、高新技術(shù)與材料熱加 工學(xué)科三者之間的相互交叉和有機結(jié)合。它使材 料熱加工學(xué)科由 技藝”真正成為一門 科學(xué)”，它 將推動材料熱加工理論、計算機圖形學(xué)、計算機 金相學(xué)、計算機體視學(xué)、計算傳熱學(xué)、計算流體 力學(xué)、并行工程等新興交叉學(xué)科的形成發(fā)展。1、材料熱加工工藝模擬的研究歷程及技術(shù)發(fā)展 趨勢材料熱加工工藝模擬研究開始于鑄造過程，這是因為

8、鑄件凝固過程溫度場模擬計算 相對簡單。1962年，丹麥Forsund首次采用計 算機及有限差分法進行鑄件凝固過程的傳熱計 算，繼丹麥人之后，美國在60年代中期在N SF資助下，開拓進行大型鑄鋼件溫度場的數(shù)值 模擬研究，進入70年代后，更多的國家（我國 從70年代末期開始）加入到這個研究行列，并從 鑄造逐步擴展到鍛層、焊接、熱處理。在全世界 形成了一個材料熱加工工藝模擬的研究熱潮。在 最近十幾年來召開的材料熱加工各專業(yè)的國際 會議上，該領(lǐng)域的研究論文數(shù)量居各類論文的首 位；另外從1981年開始，每兩年還專門召開一 屆鑄造和焊接過程的計算機數(shù)值模擬國際會議， 至今已舉辦了八屆。近一、二十年來，材料

9、熱加 工工藝模擬技術(shù)不斷向廣度、深度擴展，其發(fā)展 歷程及發(fā)展趨勢有以下七個方面。1.1宏觀-中觀-微觀材料熱加工工藝模擬的研究工作已普遍由建立在溫度場、速度 場、變形場基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測形狀、尺寸、輪廓 的宏觀尺度模擬（米量級）進入到以預(yù)測組織、結(jié) 構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬（毫米量級）及微 觀尺度模擬階段，研究對象涉及結(jié)晶、再結(jié)晶、 重結(jié)晶、偏析、擴散、氣體析出、相變等微觀層 次，甚至達到單個枝晶的尺度。1.2單一分散耦合集成模擬功能已由單一的溫度場、流場、應(yīng)力/應(yīng)變場、組織場模 擬普遍進入到耦合集成階段。包括：流場一溫 度場；溫度場應(yīng)力/應(yīng)變場；溫度場組 織場；應(yīng)力/應(yīng)變場組織場等之間的耦

10、合， 以真實模擬復(fù)雜的實際熱加工過程。1.3共性、通用t專用、特性由于建立在溫度場、流場、應(yīng)力/應(yīng)變場數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的 常規(guī)熱加工，特別是鑄造、沖壓、鑄造工藝模擬 技術(shù)的日益成熟及商業(yè)化軟件的不斷出現(xiàn)， 研究 工作已由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特 性問題。主要有以下兩個方向：（1）解決特種熱加工工藝模擬及工藝優(yōu)化問題：為鑄造專業(yè)中 的壓鑄、低壓鑄造、金屬型鑄造、實型鑄造、連 續(xù)鑄造、電渣熔鑄等；鍛壓專業(yè)中的液壓脹形、 楔橫軋、輥鍛等；焊接專業(yè)中的電阻焊、激光焊 等。（2）解決熱加工件的缺陷消除問題：應(yīng)用模 擬技術(shù)，已經(jīng)成功地解決了大型鑄鋼件的縮孔、 縮松，模鍛件的折疊及沖壓件的斷裂、起皺問

11、題， 目前的研究熱點集中在鑄件的熱裂、氣孔、偏析; 大型鍛件的混晶；沖壓件的回彈；焊接件的變形、 冷裂、熱裂；淬火中的變形等常見缺陷的預(yù)防和 消除方法的研究。1.4重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎(chǔ)性研 究數(shù)值模擬是熱加工工藝模擬的重要方法，提高數(shù)值模擬的精度和速度是當(dāng)前數(shù)值模擬 的研究熱點，為此非常重視在熱加工基礎(chǔ)理論、 新的數(shù)理模型、新的算法、前后處理、精確的基 礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得與積累等基礎(chǔ)性研究，為此需要多個 專業(yè)學(xué)科的研究人員通力合作才能有所突破。1.5重視物理模擬及精確測試技術(shù)物理模擬揭示工藝過程本質(zhì)，得到臨界判據(jù)，檢驗、 校核數(shù)值模擬結(jié)果的有力手段，越來越引起研究 工作者的重視。有以下一些

12、新的動向：（1）應(yīng)用高新技術(shù)，設(shè)計、開發(fā)新型物理模擬實驗方法 及裝置?，F(xiàn)舉兩例：美國衣阿華大學(xué)以乙二 烴作為模擬物質(zhì)（其結(jié)晶過程與金屬相似，且本 身透明，易于觀看），通過四個CCD攝象機連續(xù) 觀察并記錄其結(jié)晶過程，可以直接觀看重力、對 流等因素對結(jié)晶的影響，十分直觀。美國密西 根大學(xué)吳賢銘制造中心研制的沖壓件表面大應(yīng) 變量的激光測量系統(tǒng)：應(yīng)用裝在三坐標(biāo)測量儀上 的激光探頭大視野掃描帶變形網(wǎng)格的沖壓件，經(jīng) 數(shù)據(jù)處理后，成為校核數(shù)值模擬結(jié)果的有效手 段。（2）正確、合理處理數(shù)值模擬與物理模擬 （含實驗驗證）之間的關(guān)系 根據(jù)模擬對象，合理 確定兩者的應(yīng)用比例：一般來講：工件越大，設(shè) 備越龐大，則數(shù)值

13、模擬的作用及工作量比例越 大。以美國凈成形工程研究中心（NSW/ERC）的 研究工作為例，數(shù)值模擬占工作量比例分別為： 模鍛：80% ;管件液壓成形：50% ;切削30% o 揚長避短，發(fā)揮兩者的不同特長為此，要準(zhǔn)確了解模擬軟件的功能，對于軟件力不 能及的問題或由于簡化而導(dǎo)致誤差過大的部位， 通過實驗或物理模擬，進行修正；一旦確定了數(shù) 值模擬的誤差并加以修正后，應(yīng)盡量發(fā)揮數(shù)值模 擬的作用，以節(jié)省實驗的花費。NSM/ERC在管 件成形中，先采用實驗確定單道次脹形機理并修 正有限元數(shù)值模擬誤差后，然后用有限元方法進 行多道次工藝模擬，并完成預(yù)成形與最后脹形工 序的協(xié)調(diào)。這種配合充分發(fā)揮了兩者的長處

14、。一般來講，數(shù)值模擬均需用實驗或物理模 擬方法校核，當(dāng)兩者有差別時，應(yīng)以實驗為準(zhǔn)。(3)高度重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測試技術(shù)為了模擬材料的熱加工過程，需要了解工件及模具 (或鑄型、介質(zhì)、填充材料等)材料的熱物性參數(shù)、 高溫力性參數(shù)、幾何參數(shù)、本構(gòu)參數(shù)、接觸、摩 擦、界面間隙、氣體析出、結(jié)晶潛熱等各種初始 條件、邊界條件的數(shù)據(jù)。沒有這些數(shù)據(jù)，模型只 是空架子；而這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對計算結(jié)果有很大的影響，為此，最近十分重視這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的 獲得。例如，為獲得準(zhǔn)確的摩擦邊界數(shù)據(jù)，鍛壓 工藝模擬的研究項目大多進行專門的摩擦實驗 來測量摩擦系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)常用的庫侖定律與實際 情況有很大的差別。材料的熱物理及力性參數(shù)數(shù)值

15、的一般獲得途徑是：通用材料主要靠查 表；特殊材料由用戶提供；尚無法通用實驗獲得 的高溫數(shù)據(jù)用外推法。1.6在并行環(huán)境下，工藝模擬與生產(chǎn)系統(tǒng)其它技 術(shù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)集成，成為先進制造系統(tǒng)的重要組成 部分起初，工藝模擬多是孤立進行的，其結(jié)果只 用于優(yōu)化工藝設(shè)計本身，且多用于單件小批量毛 坯件生產(chǎn)。近年來，已逐步進入大量生產(chǎn)的先進 制造系統(tǒng)中，實現(xiàn)以下三種不同方式的集成。(1) 與產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成美國金 屬加工先進技術(shù)研究中心(NCEMT)在海軍資助 下，正在開展并行工程環(huán)境下的 RP2D (Ration al Product/processDesign)技術(shù)。將鑄造工藝模擬與產(chǎn)品

16、、模具設(shè)計和加工結(jié)合起來。(2)與零件加工制造系統(tǒng)集成：在零件加工制造系 統(tǒng)中，工藝模擬作為重要的支撐技術(shù)，并朝著將模擬結(jié)果作為系統(tǒng)的過程閉環(huán)控制的參數(shù)這一 方向努力。美國吳賢銘制造中心研究的接近零余量的敏捷及精密沖壓系統(tǒng)”及智能電阻焊系 統(tǒng)”；西北大學(xué)研究的板料成形計算機集成控制 系統(tǒng)”其技術(shù)路線見圖2）等都屬于這種類型。 與零件的安全可靠性能實現(xiàn)集成：美國西北 大學(xué)在航空重要復(fù)雜鑄件的研究中，將模擬結(jié)果 與鑄件的性能，特別是安全可靠性聯(lián)系起來，開 發(fā)了鑄件的安全臨界設(shè)計系統(tǒng)（Safety critica l casting design system），用于指導(dǎo)鑄件的 損傷容限設(shè)計。1.7

17、以商業(yè)軟件為基礎(chǔ)，改進提高研究與普及應(yīng) 用相結(jié)合（1）經(jīng)多年研究開發(fā)，已經(jīng)形成一批熱 加工工藝商業(yè)軟件，主要有MAGMA、 PROCA ST、SIMULOR、SOLDIA、SOLSIAR、AFSS olidificationSystem3D（鑄造）、DEFORM、AUTOFORGE、SUPERFORGE （體積塑性成 形）、DYNA3D、PAM-STAMP、ANSYS （板料 塑性成形）、ABAQUS （焊接）等。已在鑄造、 鍛壓行業(yè)生產(chǎn)中得到較廣泛應(yīng)用：如日本已有約 10%鑄造工廠采用此項技術(shù)；美國福特、通用汽 車公司在開發(fā)新車型時，已將板材沖壓過程的數(shù)值模擬作為一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)；法國應(yīng)用此

18、技術(shù) 對400噸重的核電轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造工藝進行了 校核、優(yōu)化，確保了一次制造成功。（3）數(shù)值模擬已逐步成為新工藝研究開發(fā)的重要手段和方 法。在工業(yè)發(fā)達國家（如美國），應(yīng)用商業(yè)軟件進 行數(shù)值模擬已成為與實驗同樣重要的實現(xiàn)技術(shù) 創(chuàng)新，開發(fā)新工藝的基本研究手段。（4）選擇合適的商業(yè)軟件為軟件平臺，結(jié)合具體問題，進行 改進提高研究，逐步成為多快好省的研究方法。 具體方式有：對現(xiàn)有軟件的某些技術(shù)問題進 行理論研究； 為解決具體問題插入自編軟件模塊； 應(yīng)用理論分析補償法、實驗補償法等，找出并 消除商用軟件的誤差，使模擬結(jié)果更精確； 與軟件公司合作，增加軟件功能，實現(xiàn)軟件升 級。2、對我國開展熱加工工藝模擬

19、研究與應(yīng)用的建 議我國七十年代末，從鑄造行業(yè)開始，開展了該領(lǐng)域的研究工作。十幾年來，在機械部、 國家科委、國家自然科學(xué)基金會的支持下，在本領(lǐng)域的研究工作先后全面展開，全國很多單位投 入這項工作，已在全國形成了一個較大的研究熱 潮。研究工作基本緊跟國外技術(shù)前沿的步伐，已從宏觀模擬進入微觀組織模擬階段，并已開展并 行工程環(huán)境下的模擬集成工作。特別是 1997年 國內(nèi)多家研究院所和大學(xué)聯(lián)手建議的 金屬材料 熱成形過程的動態(tài)模擬及組織性能質(zhì)量的優(yōu)化 控制”獲得國家科委及機械部（基金會）的聯(lián)合資 助，入選國家攀登計劃預(yù)選項目，為我國趕超世 界先進水平提供了很好的條件。根據(jù)本文對該領(lǐng) 域研究歷程及技術(shù)發(fā)展趨勢的分析，結(jié)合我國情 況，提出以下發(fā)展建議：2.1加強模擬軟件商品化工作通過多年研究，我國已形成一些準(zhǔn)商品化軟件，如 FTSOLVER 4.0、SIMU-3D等。但與工業(yè)發(fā)達國家相 比，存在有較大的差距，我們應(yīng)采取多種方式（自 主開發(fā)、與國外軟件公司合作開發(fā)、在已有商業(yè) 軟件中插入自主開發(fā)模塊，實現(xiàn)軟件升級等）加 快模擬軟件商品化工作，開發(fā)出有自主版權(quán)的商 品化軟件。特別要注意盡量應(yīng)用國內(nèi)外比較成