CN111753453B - 一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，包括：通过测量加热和冷却过程中锻件的温度变化，结合反算法，建立高温下高强度钢与空气的传热模型；通过自制模具，测量不同压力接触条件下试样和模具的温度变化，结合反算法，建立高强度钢高温氧化时锻件与模具的界面换热模型；通过圆环镦粗实验，建立考虑高温氧化条件下的锻件与模具的摩擦模型；通过热压缩模拟实验，建立基于摩擦修正的高强度钢材料真应力‑应变曲线；通过有限元模拟软件，对锻造过程进行仿真模拟，预测模锻件成形。该模拟方法通过传热模型、界面换热模型、摩擦模型和材料模型的建立与优化，结合有限元模拟软件，可有效提高高强度钢模锻件成形预测的精确度。

Description

一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法

技术领域

本发明属于高强度钢模锻件成形技术领域，尤其涉及一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法。

背景技术

大型整体航空模锻件具有材料变形抗力高、锻件尺寸大、截面面积变化大、结构复杂等特点。在模锻成形时，主要存在以下问题：锻件形状复杂，模锻成形填充、流线控制困难；锻件的力学性能和组织均匀性能控制困难；荒坯形状要求接近预锻件形状，制坯技术复杂；大型模具设计及制造难度大，且模具成本偏高；模锻润滑保温防氧化困难。

目前，我国现有大型锻件制造能力和质量水平与国外差距明显，大型锻造生产能力快速提升与锻造技术水平较为滞后的这一矛盾日益突出，成为制约我国重大技术装备制造业的瓶颈。大型锻件单件重、形体大、品种多、批量小、金属消耗量大、制造费用昂贵，迫切要求“一次制造成功”。利用模拟技术对大型锻件进行模拟，可以避免实际加工的浪费，并且能快速的对热加工工艺进行修改，极大的提高了效率，节约了成本。同时，模拟技术在新工艺研究和新产品开发中起着十分重要的作用。因此，在生产大锻件产品或制定大型锻造工艺时，综合采用先进的模拟技术，对提高我国大型锻造技术水平就显得非常重要。

现阶段，有限元模拟在大型锻件的优化设计、工艺方案制定、成形预测等方面的应用已经非常广泛，但是仍然存在模拟预测与工程实际偏差较大的情况，如模锻成形压力相差20％以上，综合其原因，主要有以下几点：

首先，材料模型的准确性不高。通过热模拟压缩实验获得的应力应变曲线，由于压缩过程中受到试样两端与压头之间摩擦的影响，其应力值普遍偏高，而在进行仿真模拟的时候，还会对锻件与模具之间进行摩擦系数的设定，重复考虑了摩擦的影响，导致实际成型吨位增加。

其次，锻件在高温下与空气之间的传热系数的选取较为简单。通常，在进行仿真模拟时，锻件与空气之间的传热系数选取使用的是系统推荐的默认值，一般为常数。而在实际生产过程中，高强度钢的加热温度很高，表面会产生氧化皮，会阻碍锻件表面与空气之间的传热。因此，常数的选取不能准确的反应实际的工况，导致温度变化不准确，影响模拟精度。

第三，锻件与模具之间的界面换热系数的选择无法反应复杂的现场工况。锻造时，高强钢的锻件温度一般在1000℃以上，而模具温度一般在300～400℃，两者之间的热传导非常显著。同时，锻造过程中还会使用纤维布等进行润滑、锻件表面在高温下氧化产生氧化皮、模具表面喷洒脱模剂等等，这些都会影响锻件与模具之间的热传导。通常，在进行仿真模拟时，热传导系数是根据经验或者软件推荐值设置，缺乏科学理论依据，无法真实反应现场工况，降低了模拟精度。

第四，锻件与模具之间摩擦系数的选择较为简单。锻造过程中的摩擦行为是一种多物理场的复杂耦合过程，与接触表面的硬度、润滑状态、接触应力和应变速率等特性有关，其对锻造精度控制、金属流动甚至组织演变起着至关重要的影响。锻造过程中摩擦行为极为复杂，难于对其准确测定和建模分析，因而在模拟的时候通常选用的是系统推荐的参数，不能反应不同锻件的实际生产状况，因此，有必要通过工艺实验来优化模拟系数的选取，提高模拟准确度。

总之，以上几个方面均会降低模拟的精确度，因此，如何提高传热、界面换热、摩擦、本构方程的准确性，使其更好的反应实际工况，对提高模拟的精确度非常有意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，该模拟方法通过传热模型、界面换热模型、摩擦模型和材料模型的建立与优化，结合有限元模拟软件，可有效提高高强度钢模锻件成形预测的精确度。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，包括：

通过测量加热和冷却过程中高强度钢锻件的温度变化，结合反算法，建立高温下高强度钢锻件与空气的传热模型；

通过自制模具，测量不同压力接触条件下高强度钢锻件和模具的温度变化，结合反算法，建立高强度钢氧化时锻件与模具的界面换热模型；

通过圆环镦粗实验，结合逼近法，建立考虑高温氧化条件下的锻件与模具的摩擦模型；

通过热压缩模拟实验，建立基于摩擦修正的高强度钢材料真应力-应变曲线；

结合传热模型、界面换热模型、摩擦模型以及摩擦修正的真应力-应变曲线，通过有限元模拟软件，对锻造过程进行仿真模拟，预测模锻件成形。

具体的，对热压缩模拟实验获得的曲线进行摩擦修正采用的公式为：

其中，σ是摩擦修正后应力；σ₀是实测应力；R和H分别是试样在压缩过程中的瞬时半径和高度，R＝R₀exp(ε/2)，H＝h₀exp(-ε)；m是摩擦因子；b是鼓肚参数，m和b可以通过以下表达式计算：

其中R_ave是试样压缩后的平均半径，R_T为试样变形后的断面半径，h是试样压缩后的高度，h₀是试样压缩前的高度：

其中，R₀是试样压缩前的半径，R_M是试样压缩后鼓肚位置的最大半径。

具体的，摩擦模型的建立过程如下：

将试样加热至设定温度，然后在压机上按照设定变形速度和变形量进行压缩变形，变形后水冷，记录转运时间，并对变形后试样从三个不同方向测量内径和高度求得平均值，计算下压量Δh和内径缩减比Δd；

利用DEFORM-3D有限元分析软件对圆环镦粗过程进行模拟，每次模拟分别设置不同的摩擦系数，待模拟运行结束后，进入后处理模块，利用软件中自带的测量工具测定不同压下量Δh时试样的内径变化量Δd，据此绘制出不同摩擦系数对应的标定曲线Δh-Δd，最终获得了不同条件下的摩擦系数。

具体的，界面换热模型的建立过程如下：将模具加热到设定温度，锻件试样同样加热到预设温度，然后用多路数据记录仪不同截面接触条件、不同载荷和不同氧化时间下的温度变化下模具温度的变化，最后，用DEFORM-3D软件反求计算锻件试样与模具的界面接触换热系数。

具体的，传热模型的建立过程如下：

在锻件试样的中心孔内插入热电偶，试样随炉加热至设定温度，用多路数据记录仪记录加热过程中试样温度随时间的变化曲线，待温度稳定后，从炉中快速取出试样，再将其进行空冷，并记录空冷过程中试样温度随时间的变化曲线，然后采用Deform反传热模型求解表面换热系数。

具体的，锻件试样放置在隔热棉上进行空冷。

具体的，截面接触条件包括直接接触、接触面包裹玻璃纤维布、试样表面涂有抗氧化涂料且接触面包裹玻璃纤维布。

原理与优势：

本发明建立了锻件与空气的传热模型、锻件与模具的界面换热系数、锻件与模具的摩擦模型以及摩擦修正的真应力-应变曲线，仿真模拟时，锻件与空气之间的传热系数、锻件与模具之间的界面换热系数以及锻件与模具之间摩擦系数的选取，均是通过实际工艺实验优化获得，能够反映锻件的实际生产状况，因此可以提高仿真模拟边界条件和材料模型的准确性，进而可以提高模拟的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是试样热压缩前后的示意图；

图2是300M钢终锻件成型情况的模拟与实物对比图；

图3是300M钢终锻件成型情况的模拟与实物剖面描边图对比图；

图4是300M钢模锻模拟过程中的载荷变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，包括：

通过测量加热和冷却过程中高强度钢锻件的温度变化，结合反算法，建立高温下高强度钢锻件与空气的传热模型；

通过自制模具，测量不同压力接触条件下高强度钢锻件和模具的温度变化，结合反算法，建立高强度钢氧化时锻件与模具的界面换热模型；

通过圆环镦粗实验，结合逼近法，建立考虑高温氧化条件下的锻件与模具的摩擦模型；

通过热压缩模拟实验，建立基于摩擦修正的高强度钢材料真应力-应变曲线；

结合传热模型、界面换热模型、摩擦模型以及摩擦修正的真应力-应变曲线，通过有限元模拟软件，对锻造过程进行仿真模拟，预测模锻件成形。

本发明建立了锻件与空气的传热模型、锻件与模具的界面换热系数、锻件与模具的摩擦模型以及摩擦修正的真应力-应变曲线，仿真模拟时，锻件与空气之间的传热系数、锻件与模具之间的界面换热系数以及锻件与模具之间摩擦系数的选取，均是通过实际工艺实验优化获得，能够反映锻件的实际生产状况，因此可以提高仿真模拟边界条件和材料模型的准确性，进而可以提高模拟的精度。

实施例1

实验用锻件材料为高强度钢300M钢，模具材料为55NiCrMoV7，仿真模拟软件为DEFORM-3D。

1.锻件与空气之间的传热模型的建立

将锻件试样加工成圆周状试样，并在试样的中心孔内插入K型热电偶。试样随炉加热至1150℃，用TP700多路数据记录仪记录加热过程中试样温度随时间的变化曲线。待温度稳定后，从高温箱式炉中快速取出试样，再将其放置在隔热棉上进行空冷，并记录空冷过程中试样温度随时间的变化曲线，然后采用Deform反传热模型求解表面换热系数。

2.锻件-模具之间的界面换热模型的建立

在模具侧部不同的热电偶安装孔内分别插入热电偶，将模具加热到400℃，试样加热到1150℃，然后用TP700多路数据记录仪不同截面接触条件(直接接触、接触面包裹玻璃纤维布、试样表面涂有抗氧化涂料且接触面包裹玻璃纤维布)、不同载荷(0Mpa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa和60MPa)和不同氧化时间(10min、1h、2h、3h、4h、5h)下的温度变化下模具温度的变化，最后，用DEFORM-3D软件反求计算300M钢试样与模具的界面接触换热系数。

3.锻件与模具之间的摩擦模型的建立

将试样加工成外径40mm、内径20mm、高度14mm的标准圆环状试样。将试样加热至1150℃，然后在压机上进行压缩变形，变形速度10mm/s，变形量10～60％，变形后水冷。记录转运时间，并对变形后试样从三个不同方向测量内径和高度求得平均值，计算下压量Δh和内径缩减比Δd。

利用DEFORM-3D有限元分析软件对圆环镦粗过程进行模拟。每次模拟分别设置0-1等多个不同的摩擦系数，待模拟运行结束后，进入后处理模块，利用软件中自带的测量工具测定不同压下量Δh时试样的内径变化量Δd，据此绘制出不同摩擦系数对应的标定曲线Δh-Δd，最终获得了不同条件下的摩擦系数。

4.300M钢真应力-应变曲线的摩擦修正

300M的真应力-应变曲线采用热压缩模拟实验获得，试样尺寸为

变形温度800～1200℃，应变速率0.001、0.01、0.1、1、10s^-1。热压缩模拟实验在Gleeble3800上进行，试样压缩前后的尺寸如图1所示。

对热压缩模拟获得的曲线进行摩擦修正采用的公式为：

其中，σ是摩擦修正后应力；σ₀是实测应力；R和H分别是试样在压缩过程中的瞬时半径和高度，R＝R₀exp(ε/2)，H＝h₀exp(-ε)；m是摩擦因子；b是鼓肚参数。m和b可以通过以下表达式计算：

其中R_ave是试样压缩后的平均半径，R_T为试样变形后的断面半径：

5.模拟结果与实际生产对比

将1-4获得的传热系数模型、界面换热系数模型、摩擦模型、真应力应力曲线导入DEFORM-3D软件，对300M钢某大型锻件成形模拟过程进行仿真模拟的。模拟过程与现场模锻保持过程一致，按照一火次进行，毛坯从加热炉中取出后的温度设置为1150℃，经过60s转运至模具，锻造完成后，欠压量为6mm。并将锻件与空气的换热系数设置为0.005-0.02N/(s.mm.℃)，锻件与模具的热交换系数设置为1-2N/(s.mm.℃)，锻件与模具的摩擦系数设置为干摩擦条件下的f＝0.3，初始温度锻件为1150℃，模具初始温度为400℃。模拟结果如图2-4所示。

图2为300M钢终锻件的实际成型情况与模拟成型情况对比，A处为模拟件，B处为实际扫描件，锻件外溢出来的部分为锻造后产生的飞边。图3为300M钢模锻件不同典型部位实际成型情况与模拟成型情况的剖面描边图对比，C曲线为实际成型情况的剖面描边，D曲线为模拟成型情况的剖面描边。由此对比可以发现，采用该边界条件模型进行数值模拟得到的终锻件尺寸与生产现场实际终锻件尺寸几乎完全吻合，大大提升了锻造模拟的精确度。图4为300M钢模拟锻造过程中，模具竖直方向上的载荷随时间(行程)的变化曲线，最大载荷为6.4万吨，与实际生产现场锻造过程中的最大载荷6.1万吨相差仅为4％左右，精确度高。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，其特征在于，包括：

通过测量加热和冷却过程中高强度钢锻件的温度变化，结合反算法，建立高温下高强度钢锻件与空气的传热模型；

通过自制模具，测量不同压力接触条件下高强度钢锻件和模具的温度变化，结合反算法，建立高强度钢氧化时锻件与模具的界面换热模型；

通过圆环镦粗实验，结合逼近法，建立考虑高温氧化条件下的锻件与模具的摩擦模型；

通过热压缩模拟实验，建立基于摩擦修正的高强度钢材料真应力-应变曲线；

结合传热模型、界面换热模型、摩擦模型以及摩擦修正的真应力-应变曲线，通过有限元模拟软件，对锻造过程进行仿真模拟，预测模锻件成形；

对热压缩模拟实验获得的曲线进行摩擦修正采用的公式为：

其中，σ是摩擦修正后应力；σ₀是实测应力；R和H分别是试样在压缩过程中的瞬时半径和高度，R＝R₀exp(ε/2)，H＝h₀exp(-ε)；m是摩擦因子；b是鼓肚参数，m和b通过以下表达式计算：

其中R_ave是试样压缩后的平均半径，R_T为试样变形后的断面半径，h是试样压缩后的高度，h₀是试样压缩前的高度：

其中，R₀是试样压缩前的半径，R_M是试样压缩后鼓肚位置的最大半径；

摩擦模型的建立过程如下：

将试样加热至设定温度，然后在压机上按照设定变形速度和变形量进行压缩变形，变形后水冷，记录转运时间，并对变形后试样从三个不同方向测量内径和高度求得平均值，计算下压量Δh和内径变化量Δd；

在DEFORM-3D软件中对圆环镦粗过程进行建模，通过设定不同的摩擦系数，进行变形模拟，待模拟结束后，进入后处理模块测定圆环试样在不同下压量Δh时的内径变化量Δd，据此可绘制出不同摩擦系数时对应的标定曲线Δh-Δd，最终获得了不同条件下的摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，其特征在于：界面换热模型的建立过程如下：将模具加热到设定温度，锻件试样同样加热到预设温度，然后用多路数据记录仪不同截面接触条件、不同载荷和不同氧化时间下的温度变化下模具温度的变化，最后，用DEFORM-3D软件反求计算锻件试样与模具的界面接触换热系数。

3.根据权利要求2所述的高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，其特征在于：传热模型的建立过程如下：

在锻件试样的中心孔内插入热电偶，试样随炉加热至设定温度，用多路数据记录仪记录加热过程中试样温度随时间的变化曲线，待温度稳定后，从炉中快速取出试样，再将其进行空冷，并记录空冷过程中试样温度随时间的变化曲线，然后采用Deform反传热模型求解表面换热系数。

4.根据权利要求3所述的高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，其特征在于：锻件试样放置在隔热棉上进行空冷。

5.根据权利要求2-4任一项所述的高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，其特征在于：截面接触条件包括直接接触、接触面包裹玻璃纤维布、试样表面涂有抗氧化涂料且接触面包裹玻璃纤维布。

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