数值模拟技术在大型锻件生产中的应用

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。

(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。

图3   等径三通锻件图

为使问题简化，本文采用了平面应变模型，主要分析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显示的模拟结果表明，在水平冲头先挤入的方案中，当水平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，会脱离开水平冲头，从而在坯料与水平冲头之间形成一个空腔。这一结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，但模拟结果仍能揭示出该工艺的变形特点。

图4   三通挤压过程的模拟结果

在成功开发了二维分析程序的基础上，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，可以分析复杂的三维金属塑性成形问题。图5所示为生产大型曲轴TR法镦锻成形工艺的数值模拟结果。通过模拟计算可以有效地确定水平进给速度与垂直进给速度对成形的影响，可以帮助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法镦锻工艺的模拟结果
(等效塑性变形的分布)

3热处理过程模拟

热处理工序是热加工的最后一道工序，是保证产品内部质量、满足性能要求的关键环节。为保证产品的质量及性能要求，避免产生较大的残余应力，热处理工艺的制定普遍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，也会拖延产品投入市场的时间。如何在保证质量的前提下，缩短热处理加工工时，是改进热处理工艺的一个重要发展方向。

经过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理工艺的分析和优化方面，我们积累了大量的经验和数据。所开发的热处理专用软件NSHT不仅可以分析加热、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。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、回火热处理规范。通过对加热、淬火及回火不同方案的模拟计算表明：

a淬火规范

b回火规范
图6   6MW转子原工艺热处理规范示意图

a.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小时实际上可以取消，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。

b.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。

c.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数值模拟技术在大型锻件生产中应用展望

先进制造技术的一个趋势就是将各种技术有效地集成，从而使其发挥更大的效益。从国内大锻件生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，即根据某一产品的具体特点开发出一套专用的设计与模拟分析一体化的软件。该软件依靠现有的、成熟的CAD和CAE技术，只是在其基础上进行一些二次开发工作，这样可以避免较高的开发成本。软件只需要由工艺人员输入较少的产品信息数据，就可以完成如生成锻件图，模具图等工作，并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分析，给出不同工艺条件下的结果及其规律，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项目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优点，它必将在生产制造领域中得到广泛应用，这是技术进步的必然结果。在工艺设计中采用模拟技术替代传统的仅凭经验的方式，能够有效地提高生产效率、提高产品质量，这一认识在发达国家已经成为共识。近年来，国外用于分析锻造成形、凝固过程、热处理分析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相比，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生产当中，这还需要厂校之间加强合作。