CN102831265A

CN102831265A - 一种锻造穿流和粗晶缺陷的分析及预防方法

Info

Publication number: CN102831265A
Application number: CN2012102823983A
Authority: CN
Inventors: 王高潮; 邓同生; 窦忠林; 王志录; 董洪波; 徐雪峰; 韩志飞; 刘秀良
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2012-12-19

Abstract

一种锻造穿流和粗晶缺陷的分析及预防方法，首先，通过等温恒应变速率压缩试验获得金属的原始流动应力-应变数据，构建材料的本构模型：然后导入有限元数值模拟软件，并建立数值分析模型，计算结束后获得锻件内部的金属流动、应力应变及温度场分布情况；另外通过镦粗试验对金属的锻造过程进行物理模拟，获得金属粗晶的温度和应变等临界条件；结合数值模拟及物理模拟两方面试验结果分析出现穿流和粗晶的原因，对锻造工艺进行优化，并在有限元软件中对优化后的锻造工艺进行模拟验证：本发明创新地将有限元数值模拟技术和物理模拟技术结合起来，实现锻造工艺的优化，且可以验证优化后的锻造工艺条件，从而能够节省材料和能源，提高效率。

Description

一种锻造穿流和粗晶缺陷的分析及预防方法

技术领域

本发明涉及一种锻件缺陷分析加工优化的方法，尤其涉及一种锻造穿流和粗晶缺陷的分析及预防方法。

背景技术

锻造通常有两个目的，即成形和成性。“成形”不仅包括要获得足够精度的锻件，也包含避免不合理的内部流线和折叠缺肉等缺陷；“成性”则是指改善内部铸态缺陷和细化晶粒，为后续的热处理等工艺准备良好的初始组织状态。在锻造过程中，除了表面缺陷、尺寸和几何形状方面的缺陷以外，还有可能出现内部流线或组织方面的缺陷，如穿流、穿筋和低倍粗晶等。因此，对锻件内部组织缺陷的分析研究，是锻件生产中的一项重要工作。而传统的预防锻造穿流和粗晶等缺陷的方法是依靠工程技术人员的知识和经验，改变锻造的工艺条件后试制锻件，直到生产出合格锻件为止，既浪费材料和能源，又强烈依赖于人为因素。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种锻造穿流和粗晶缺陷的分析及预防方法，它具有优化锻件加工工艺、提高加工质量和效率的优点。

本发明是这样来实现的，一种锻造穿流和粗晶缺陷的分析及预防方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）采集原始流动应力-应变数据：对所研究的金属通过等温恒应变速率压缩实验，采集不同热力参数条件下的流动应力-应变数据；

（2）构建材料的本构模型：根据步骤（1）采集的流动应力-应变数据，选定合适的本构模型，运用数值回归分析等手段处理实验数据，求得材料的本构方程；

（3）设定计算机数值模拟的有限元模型：导入锻造模具及坯料等的三维数字模型至有限元分析软件（如DEFORM-3D）中，输入步骤（2）所求得的本构方程至材料特性数据库，设定变形的边界条件；

（4）提交运算，结束后获得锻件变形过程中内部金属流动、应力、应变及温度场等的情况；

（5）通过物理模拟试验获得金属不同热力参数条件下的微观组织：制备若干圆柱形试样，在锻造设备上进行镦粗试验，模拟金属的锻造变形过程，获得金属在不同温度及变形量等热力学参数条件下的微观组织形态；

（6）总结金属出现粗晶的条件：分析步骤（5）所得不同条件下的微观组织形态，发现金属出现粗晶的温度及变形程度等的临界条件；

（7）制定优化的锻造工艺条件：通过制订合理的锻造温度、修改锻造模具的结构和减小锻造速度等措施，改善锻件成形过程中金属的流动状况、降低金属变形局部温度和应变；

（8）验证优化后的锻造工艺条件：对优化后的锻造工艺路线进行数值模拟，验证锻件内部金属温度及应变等条件未落入粗晶的条件范围内，确保在新的锻造工艺条件下不再出现穿流和粗晶等缺陷；

（9）将优化后的锻造工艺条件应用于实际生产。

本发明的技术效果是：本发明创新地将有限元数值模拟技术和物理模拟技术结合起来，综合分析锻件内部穿流和粗晶缺陷产生的原因，实现锻造工艺的优化，且可以验证优化后的锻造工艺条件能否有效避免穿流和粗晶的再次出现，从而能够节约材料和能源，提高效率。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

本发明实施的关键在于准确获取材料的原始应力-应变数据，构建精度尽可能高的材料本构方程，合理设定锻造过程有限元模型的边界条件；在物理模拟试验中，则要求获得尽可能接近于实际锻造环境下的镦粗试样。

以某7B04铝合金锻件的锻造工艺优化为例，具体方法如下：

（1）在Gleeble-3500型动态热模拟试验机上对尺寸为Φ10×12mm的7B04铝合金试样进行等温恒应变速率压缩试验，压下量约60%，设备自动控制温度、位移和位移速度等，并可以自动采集或计算载荷、流动应力-应变等有关数据；

（2）分析材料原始应力-应变数据特征，选取合适的本构模型，本例选用修正的双曲正弦Arrhenius方程

，运用线性回归等数值分析方法处理步骤（1）所获取的相关数据，求得方程中各参数值：

=1.15×10¹⁷,

=0.00882,

=18.068,

=228.62KJ/mol；

（3）将锻造模具及工件坯料的三维数字模型转换为STL格式文件后导入DEFORM-3D软件的前处理器中，检查几何模型后对坯料和模具划分网格，网格数量要求需要视特定情况取一个最优值；设定模具及坯料的材料模型，其中坯料的本构模型由步骤（2）所求得；设定其他的锻造变形条件，如变形步数、接触条件、摩擦条件等；

（4）所有的初始条件都设置好后，在生成数据窗口对模型进行检查，检查无误后即可生成数据库文件，然后提交进行模拟运算；运算结束后在软件的后处理模块查看工件的变形、内部金属流动、温度场、应变场等各种数据；

（5）制备若干个Φ30×30mm的7B04圆柱形试样及不同高度的垫圈若干个，置于电炉中加热后在400公斤自由锻锤上对试样进行镦粗试验，镦粗后热处理制度与实际锻件的锻后热处理制度相同，随后对试样进行剖切，制备金相试样，在光学显微镜下观察试样内部各部位的微观组织形态；

（6）分析步骤（5）所获得的微观组织数据，总结金属微观组织变化规律，发现金属出现粗晶的温度及变形程度的条件为温度高于490℃且等效应变大于0.85；

（7）为降低金属流动速度，改善金属流动情况，控制穿流和粗晶区的变形温度，本例采取以下两方面的工艺优化措施：降低锤击能量，即将每次锤击的能量由125KJ降低至100KJ；修改模具圆角，即将下模L形筋的根部圆角由R10修改为R15；

（8）在DEFORM-3D软件中对优化后的锻造工艺进行有限元模拟，模拟结果发现锻件成形所需要的锤击数由3锤增加至4锤，但金属充满型腔后，工件的温度并没有低于合金允许的终锻温度，且成形情况良好，说明优化后的工艺可以使锻件顺利成形，另外对穿流区进行分析后发现金属的流动情况明显改善，温度低于金属出现粗晶的临界温度，等效应变低于金属出现粗晶的临界等效应变，说明优化后工艺能有效地防止穿流和粗晶的再次产生；

（9）将优化后的锻造工艺应用于锻件的实际生产。

从本发明的上述实施细则可以看出，本发明可以有效地避免反复试错的传统工艺优化方法，创新地将有限元数值模拟技术和物理模拟技术结合起来，综合分析锻件内部穿流和粗晶缺陷产生的原因，实现锻造工艺的优化，且可以验证优化后的锻造工艺条件能否有效避免穿流和粗晶的再次出现，以达到节约材料和能源、提高生产效率的目的。

Claims

1.一种锻造穿流和粗晶缺陷的分析及预防方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）采集原始流动应力-应变数据：对所研究的金属进行等温恒应变速率压缩实验，采集不同热力参数条件下的流动应力-应变数据；

（2）构建材料的本构模型：根据（1）采集的流动应力-应变数据，选定合适的本构模型，对实验数据进行处理，进而求得材料的本构方程；

（3）设定计算机数值模拟的有限元模型：导入锻造成型零件的三维数字模型至有限元分析软件中，输入步骤（2）所求得的本构方程至材料特性数据库，设定变形的边界条件；

（4）提交运算，获得锻件变形过程中内部金属流动、应力、应变及温度场的情况；

（5）通过物理模拟试验获得金属不同热力参数条件下的微观组织：在锻造设备上对圆柱形试样进行镦粗试验，获得金属在不同温度及变形量的热力参数条件下的微观组织形态；

（6）总结金属出现粗晶的条件：分析步骤（5）所得不同热力参数条件下的微观组织形态，发现金属出现粗晶的温度及变形程度的临界条件；

（7）制定优化的锻造工艺条件：通过制订合理的锻造温度、修改锻造模具的结构和减小锻造速度，改善锻件成形过程中金属的流动状况、降低金属变形局部温度和应变；

（8）验证优化后的锻造工艺条件：对优化后的锻造工艺路线进行数值模拟，验证锻件内部金属温度及应变条件未落入粗晶的热力参数条件范围内，确保在新的锻造工艺条件下不再出现穿流和粗晶缺陷；

（9）将优化后的锻造工艺条件应用于实际生产。