CN101833598A - 一种基于有限元技术和加工图技术来优化金属精确锻造工艺条件的方法 - Google Patents
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Abstract
种基于有限元技术和加工图技术来优化金属精确锻造工艺条件的方法，其特征方法步骤为：(1)采集原始流动应力数据；(2)制作功率耗散图；(3)制作失稳图；(4)制作加工图；(5)组织和缺陷的定性和定量表征；(6)确定功率耗散效率-组织/缺陷类型之间的内在关系；(7)建立热力参数边界条件-组织/缺陷类型之间的关系；(8)热力参数边界条件-组织/缺陷类型关系引入到有限元模型中；(9)精确锻造工艺条件的模拟优化。本发明的优点是：通过将有限元技术和加工图技术有效结合起来，综合发挥有限元技术在“精确控形”方面的工艺条件优化功能和加工图技术在“精确控性”方面的变形热力参数优化功能，以实现金属精确锻造工艺条件的优化。
Description
技术领域
本发明涉及一种优化金属精确锻造工艺条件的方法，尤其涉及一种基于有限元技术和加工图技术来优化金属精确锻造工艺条件的方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展，对锻件的组织和性能要求越来越高，锻件的形状结构也越来越复杂，金属构件朝着形状结构复杂化、大型构件整体化、形状尺寸精密化、组织结构精确化、高效率低成本化的方向发展。这种发展趋势使得传统的依据浅显理论+经验+反复试制的产品研发模式已不能满足现代工业的发展要求。因此，研究金属精确锻造，实现锻件形状尺寸和组织性能的精确控制，已成为现代工业发展的当务之急。
金属精确锻造包含两个方面的含义：一是精确控制锻件的形状尺寸；二是精确控制锻件的组织结构，从而控制锻件的性能。前者概括为“精确控形”，后者概括为“精确控性”。两者结合既可精确控制锻件的形状尺寸，又可控制锻件的组织性能，从而实现精确锻造的目的。
在“精确控形”方面，利用有限元技术从“精确控形”角度来优化锻造工艺条件(锻造热力参数、坯料设计、模具设计和摩擦条件)已相当成熟，但这种优化基本上是从成形角度来考虑的，即以“精确控形”为目标的，而以“精确控性”为目标的锻造工艺条件的优化，目前的有限元技术还无能为力。
在“精确控性”方面，利用加工图技术来预测流变失稳区域，优化变形热力参数，实现组织与性能的控制已在国内外得到较广泛的应用，但这种优化是从组织性能控制角度来考虑的，它不能从“精确控形”角度来优化锻造工艺条件。
如何将有限元技术和加工图技术有效地结合起来是实现金属精确锻造工艺条件优化的关键。但目前国内外尚未见到将加工图技术和有限元技术相结合来研究金属精确锻造工艺条件优化的文献报道。只有如下两篇文献：
1)刘娟，崔振山，李从心.包含应变的三维加工图与有限元相结合的金属可加工性分析[J].机械工程学报，2008，44(5)：108-113
2)Juan Liu，Zhenshan Cui，Congxin Li.Analysis of metal workabilityby integration of FEM and 3-D processing maps[J].Journal ofmaterials processing technology，2008，205：497-505.
首次将加工图中的三维失稳图与有限元模拟出的温度场、应变速率场和应变场相结合，把失稳区的演化集成在金属压缩变形的金属流动有限元模拟中，为综合加工图技术和有限元技术来优化可避免流变失稳的工艺条件建立了一种方法。但该方法还比较初步，未能将加工图预测和优化的其它组织区域的信息引入到有限元模拟中，也末提到精确成形问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有限元技术和加工图技术来优化金属精确锻造工艺条件的方法，通过将有限元技术和加工图技术有效结合起来，综合发挥有限元技术在“精确控形”方面的工艺条件优化功能和加工图技术在“精确控性”方面的变形热力参数优化功能，以实现金属精确锻造工艺条件(即：锻造温度、变形速度、坯料设计、模具设计和摩擦条件等)的优化。
本发明是这样来实现的，其特征方法步骤为：
(1)采集原始流动应力数据：对所研究的金属通过等温恒应变速率压缩实验，采集不同热力参数下的流动应力数据；
(2)制作功率耗散图：根据采集的流动应力数据，采用数值计算方法，通过计算机编程来计算不同热力参数下的系统输入功率、功率耗散量、功率耗散协量、功率耗散效率，并采用Matlab和Origin软件来制作功率耗散图；
(3)制作失稳图：根据加工图理论中的失稳判据，采用数值计算方法，通过计算机编程来计算判据中的各项值，然后采用Matlab和Origin软件来制作失稳图；
(4)制作加工图：将功率耗散图和失稳图叠加得到加工图；
(5)组织和缺陷的定性和定量表征：采用金相显微镜、图像分析仪、扫描电镜和透射电镜微观分析和测试设备对变形试样进行组织和缺陷的观察和分析，并对组织和缺陷进行定性和定量表征；
(6)确定功率耗散效率-组织/缺陷类型之间的内在关系：分析加工图中各个局部有序区域内的功率耗散效率大小及其变化特征，根据变形试样组织和缺陷定性和定量的表征结果，确定出各局部有序区域的功率耗散效率-组织/缺陷类型之间的内在关系；
(7)建立热力参数边界条件-组织/缺陷类型之间的关系：由以上确定的各局部有序区域的功率耗散效率-组织/缺陷类型之间的内在关系，并结合功率耗散效率最大原则进一步建立出流变失稳区、稳定加工区、较佳加工区和最佳加工区的热力参数边界条件-组织/缺陷类型之间的关系；
(8)热力参数边界条件-组织/缺陷类型关系引入到有限元模型中：对商品化有限元软件进行二次开发，将各类热力参数边界条件及其对应的组织/缺陷类型引入到有限元模型中，使有限元模拟出的每一变形步的变形体内热力参数场变量与各类热力参数边界条件做比较，从而可预测出变形体中哪些部位属于流变失稳区或稳定加工区或较佳加工区或最佳加工区，由于这些区域已包含了组织/缺陷类型的信息，故同时也可预测出变形体中各个部位的组织/缺陷类型；
(9)精确锻造工艺条件的模拟优化：采用二次开发后的有限元软件，对具体锻件的成形过程进行模拟计算，反复调整外部锻造工艺条件(即：锻造温度、变形速度、坯料设计、模具设计和摩擦条件等)，优化出锻件整个变形区域的组织均为所需望的组织类型，且模具型腔被填充饱满的工艺条件，此工艺条件即为能实现精确锻造的工艺条件。
本发明的优点是：通过将有限元技术和加工图技术有效结合起来，综合发挥有限元技术在“精确控形”方面的工艺条件优化功能和加工图技术在“精确控性”方面的变形热力参数优化功能，以实现金属精确锻造工艺条件的优化。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，先采集原始流动应力数据，根据数据制作功率耗散图、失稳图和加工图技术确定出金属的流变失稳区、稳定加工区、较佳加工区和最佳加工区的热力参数边界条件及其对应的组织类型，然后对商品化有限元软件进行二次开发，将各类热力参数边界条件引入到有限元模型中，以“热力参数”为连接桥梁，将有限元模拟出的每一变形步的变形体内热力参数场变量与热力参数边界条件做比较，通过反复调整锻造工艺条件(即外部施加的锻造温度、变形速度、坯料设计、模具设计和摩擦条件等)，最终优化出在整个变形过程中，变形体内的热力参数场变量均落在所希望的热力参数边界条件内的锻造工艺条件。按此优化出的锻造工艺条件对金属进行锻造生产，即可实现精确锻造的目的。
这种建立在以科学理论为基础的金属精确锻造工艺条件优化方法，既可以实现锻件组织性能的精确控制，又可以实现锻件形状尺寸的精确控制。它与传统的锻造工艺研究方法相比，可以大大减少现场工艺实验，缩短研究开发周期，降低研究开发成本，有效克服锻造中经常出现的各类锻造缺陷，显著提高锻件质量和产品可靠性。
Claims (1)
1.一种基于有限元技术和加工图技术来优化金属精确锻造工艺条件的方法，其特征方法步骤为：
(1)采集原始流动应力数据：对所研究的金属通过等温恒应变速率压缩实验，采集不同热力参数下的流动应力数据；
(2)制作功率耗散图：根据采集的流动应力数据，采用数值计算方法，通过计算机编程来计算不同热力参数下的系统输入功率、功率耗散量、功率耗散协量、功率耗散效率，并采用Matlab和Origin软件来制作功率耗散图；
(3)制作失稳图：根据加工图理论中的失稳判据，采用数值计算方法，通过计算机编程来计算判据中的各项值，然后采用Matlab和Origin软件来制作失稳图；
(4)制作加工图：将功率耗散图和失稳图叠加得到加工图；
(5)组织和缺陷的定性和定量表征：采用金相显微镜、图像分析仪、扫描电镜和透射电镜微观分析和测试设备对变形试样进行组织和缺陷的观察和分析，并对组织和缺陷进行定性和定量表征；
(6)确定功率耗散效率-组织/缺陷类型之间的内在关系：分析加工图中各个局部有序区域内的功率耗散效率大小及其变化特征，根据变形试样组织和缺陷定性和定量的表征结果，确定出各局部有序区域的功率耗散效率-组织/缺陷类型之间的内在关系；
(7)建立热力参数边界条件-组织/缺陷类型之间的关系：由以上确定的各局部有序区域的功率耗散效率-组织/缺陷类型之间的内在关系，并结合功率耗散效率最大原则进一步建立出流变失稳区、稳定加工区、较佳加工区和最佳加工区的热力参数边界条件-组织/缺陷类型之间的关系；
(8)热力参数边界条件-组织/缺陷类型关系引入到有限元模型中：对商品化有限元软件进行二次开发，将各类热力参数边界条件及其对应的组织/缺陷类型引入到有限元模型中，使有限元模拟出的每一变形步的变形体内热力参数场变量与各类热力参数边界条件做比较，从而可预测出变形体中哪些部位属于流变失稳区或稳定加工区或较佳加工区或最佳加工区，由于这些区域已包含了组织/缺陷类型的信息，故同时也可预测出变形体中各个部位的组织/缺陷类型；
(9)精确锻造工艺条件的模拟优化：采用二次开发后的有限元软件，对具体锻件的成形过程进行模拟计算，反复调整外部锻造工艺条件，优化出锻件整个变形区域的组织均为所需望的组织类型，且模具型腔被填充饱满的工艺条件，此工艺条件即为能实现精确锻造的工艺条件。
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