数值模拟技术在大型锻件生产中的应用

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1、数值模拟技术在大型锻件生产中的应用

2、第1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

3、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(puterAidedDesign)系统进行产品设计，其设计结果将由CAE(puterAidedEngineering)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

4、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(puterAidedManufacturing)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(ConcurrentEngineering)与虚拟制造技术(VirtualManufacturing)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

5、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

6、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

7、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

8、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，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

9、　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