塑性成形控形与控性技术发展概述.ppt

,塑性成形控形与控性技术发展,引言,概念,具体技术,我国制造业现状我国制造业发展的局限及原因制造业升级的解决办法,一、引言,目录,二、概念,三、具体技术,一、引言,目录,二、概念,三、具体技术,我国制造业现状,大而不强,我国制造业现状,究其原因,大而不强,一、引言,二、概念,三、具体技术,产品寿命低，可靠性差,重产量，轻质量，重成形制造，轻控性基础工艺,发展粗放，缺失高性能化制造技术,致命伤,一、引言,目录,二、概念,三、具体技术,高性能化制造高性能化智能制造成形制造的控形控性一体化智能技术数字化智能改性控形技术,一、引言,二、概念,三、具体技术,高性能化智能设计,智能改性与控性技术,融合,智能热处理,数字化智能改性控形技术,成形制造的控形控性一体化技术,铸造成形的控形控性一体化智能技术,塑性成形的控形控性一体化智能技术,焊接的控形控性一体化智能技术,增材制造的控形控性一体化智能技术,避免材料表面损伤的切削加工智能技术,一、引言,二、概念,三、具体技术,切削加工、铸、锻、焊、增材制造等加工环节，除了成形之外，也都在不同程度上改变材料的组织，影响材料的性能。,为何研究？,以模拟仿真和大数据知识建模为获取与利用知识的手段，在掌握成形过程中材料组织与缺陷演化规律的基础上优化加工工艺，实现控形与控性一体化。,特点,它们相互之间以及与智能热处理之间在数字化环境下并行处理，实现产品制造全流程的优化。,成形制造的控形控性一体化智能技术,一、引言,二、概念,三、具体技术,材料内部的组织转变无法实时测量与感知，以致材料改性控性成为装备制造业信息化的一个盲区和智能制造之死角。,为何研究？,采取基于模拟仿真的预报型智能决策的路径，发展具有自动生成优化的改性控性工艺和随机补偿过程偏差之遗传效应等功能的数字化智能改性控性技术。,特点,综合应用计算机模拟、试验研究，大数据等研究手段研发先进的材料改性控性工艺和装备，实现热处理和各个成形制造环节中的控性技术紧密结合，为提高工件内在质量，提高使用寿命和可靠性打实基础。,数字化智能改性控形技术,一、引言,二、概念,三、具体技术,塑性变形,靠压力,靠弯矩和剪力,轧制,锻造,挤压,弯曲,剪切,六七十年代，热处理及化学成分的调整；七八十年代，控轧方式实现强韧化；八十年代以后，控轧控冷技术实现强韧化；至此，热机械控制工艺得到了广泛应用。,一、引言,二、概念,三、具体技术,组织性能控制的发展,轧制,近年来，对轧制过程中钢材组织性能演变的模拟、预测与控制成为国际材料研究的热点,轧制过程及轧后冷却过程的组织演变规律是控轧控冷理论的基础,随着现代物理冶金热变形技术、热机械处理技术和计算机技术的兴起与发展使预测和控制合金热塑性变形过程中的组织演变从而获得良好的最终机械性能成为可能，因而当今的塑性成形正朝着控形控性即控制成形方向发展。其基本思想是应用新的理论优化产品塑性成形工艺及后续热处理工艺再应用现代控制技术控制塑性成形的全过程使产品的外形尺寸及其组织结构和性能均在塑性成形过程中一次达到设计要求。,基于物理冶金基础的数学模型已成功应用于组织和机械性能预测及工艺过程控制。采用Avrami模型描述动态再结晶过程的动力学过程,此领域日本学者做了大量的工作,并已将此方法用于轧制过程的在线控制。采用MonteCarlo随机统计方法对动态再结晶过程进行分析。采用元胞自动机(cellularautomaton,CA)法对动态再结晶过程进行分析。,一、引言,二、概念,三、具体技术,控制塑性成形过程微观组织变化,轧制,大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造,制造大型结构件/重要承载件服役条件恶劣要求工作寿命长重达几十到几百吨,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,（侧重控性预报）,“形”与“性”是在以高温高压为主要特征的工艺过程中形成的，过程中的温度场、应力场、应变场和应变速率场与材料的化学成分一起决定了金属的流动状态、缺陷和微观组织的演变过程。成本极高，试验研究困难,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟,成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟,研究手段：建立多场耦合的数值模拟模型，以计算机模拟代替部分大型锻造试验，构造大锻件控性锻造过程的数值模拟技术。,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟,一、引言,二、概念,三、具体技术,1.在锻件内部取含有空洞的典型体元模型,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟,微观上(相对于空洞)体元无限大，研究空洞变形时，将体元边界力学量作为边界条件。,典型体元内空洞变形过程示意图,2.推导球形空洞和片状裂隙在远场应力应变作用下的体积演化方程式,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟,对于形状参数为的一般扁椭球空洞，其体积应变率可通过插值得到,3.插值得到形状参数为的一般扁椭球空洞的体积应变率,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟,4.得到任意形状参数的变化率,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,高温锻造过程中空洞型缺陷的演变及其数值模拟,4.对式(5)关于变形历程积分就得到空洞体积的变化率,式(10)计算的是空洞体积的变化率，因此应用时并不需要给出精确的初始空洞体积。空洞型缺陷的体积变化率是成形过程的积分量，任意瞬时的增量变化取决于该时刻的应力应变状态，将这种算法与有限元软件相结合，使空洞体积变化率和空洞形状参数成为有限元的单元量，就可以在每次增量步后得到相应的空洞体积变化率的增量。,大锻件拔长过程空洞体积演化模拟结果,一、引言,二、概念,三、具体技术,大锻件的成形通常经过多次压下(例如拔长、滚圆和打方等)，每次压下中和相邻两次压下之间锻件可能发生完全或不完全动态再结晶、亚动态再结晶和静态再结晶，部分晶粒得到细化，应变能降低或消失，而未发生再结晶的晶粒则仍然保留高应变能，这种变形能的差异导致在随后的变形中再结晶驱动力不同，微观组织演变非常复杂。,背景,模拟出微观组织的演变过程，为控制大锻件的微观组织提供可行的计算分析方法。,解决的问题,采用元胞自动机方法(Cellularautomata,CA)建立了微观组织演变的模拟方法，与热力耦合有限元法集成。,解决的方法,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟,基于生物体发育中的细胞自我复制原理,将一个长方形平面(或立方体)划分成若干个网格,每个网格表示一个细胞或系统的基元,用某一数值表示其所处的状态(如对再结晶问题表示晶格位向),基元的演化用状态的变动来表示。每个基元状态的转变由其相邻基元的状态根据给定的规则确定。CA法具有5个特性:基元均匀排列;基元的状态随时间演变;基元的数值是有限的;基元状态的演变规则是确定或随机的;每个基元的演化规则是局部的,仅同周围的基元有关系。该方法抓住了简单性与复杂性这一对主要矛盾,从而触及并体现了其他有关矛盾,如局部与整体、宏观与微观、线性与非线性、决定性和随机性、数学模型与物理本质之间的矛盾,因此它具有利用简单的、局部的规则和离散的方法描述复杂的、全局的、连续系统的能力,且容易与其他宏观方法(如有限元法)相耦合。,一、引言,二、概念,三、具体技术,锻造大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术,成形过程微观组织演变的元胞自动机模拟,由于CA模拟结果符合再结晶和残余应变能的关系，因而有望跟踪整个变形的晶粒演变过程，为控制大锻件的微观组织提供可行的计算分析方法。,当材料参数确定后，一点的微观组织演变取决于变形过程的温度、应变速率和应变量。,建立了高温下热冲压用硼钢的热拉伸变形本构模型；研究了硼钢在热冲压、保温和淬火过程中的相变组织重量百分比及相变后的维氏硬度和屈服强度；研究了热冲压过程中板料和模具的初始温度对制件温度变化、拉延减薄、回弹变形及应力分布的影响,构建了模具型面补偿优化设计规则；基于多场耦合数值模拟方法,分析了热冲压模具冷却系统的不足,以板料温度分布均匀和保证降温速率为优化目标,对模具冷却水道半径、相邻水道间隔尺寸和水道与模面距离进行了优化设计。利用正交试验法研究了热冲压成形和淬火过程中板料初始温度、模具初始温度、冲压速度、压边力、凸凹模间隙对制件的温度场和应力场的影响程