塑性成形控形與控性技術(shù)發(fā)展

1、塑性成形控形與控性技術(shù)發(fā)展目 錄引言概念一二三具體技術(shù) 我國制造業(yè)現(xiàn)狀 我國制造業(yè)發(fā)展的局限及原因 制造業(yè)升級的解決辦法一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)沒有競爭力的低附加值產(chǎn)品高端裝備關(guān)鍵零部件我國制造業(yè)現(xiàn)狀大而不強(qiáng)我國制造業(yè)現(xiàn)狀究其原因大而不強(qiáng)一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)產(chǎn)品壽命低，可靠性差重產(chǎn)量，輕質(zhì)量，重成形制造，輕控性基礎(chǔ)工藝發(fā)展粗放，缺失高性能化制造技術(shù)致命傷致命傷一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)成形制造高性能制造控形控性20世紀(jì)90年代獲得所需制件的形狀和尺寸通過成形過程改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，從而大幅度改善和提高材料性能 高性能

2、化制造 高性能化智能制造 成形制造的控形控性一體化智能技術(shù) 數(shù)字化智能改性控形技術(shù)一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)目 錄高性能化制造高性能智能化制造數(shù)字化高性能化智能設(shè)計(jì)智能改性與控性技術(shù)融合智能熱處理數(shù)字化智能改性控形技術(shù)成形制造的控形控性一體化技術(shù)鑄造成形的控形控性一體化智能技術(shù)塑性成形的控形控性一體化智能技術(shù)焊接的控形控性一體化智能技術(shù)增材制造的控形控性一體化智能技術(shù)避免材料表面損傷的切削加工智能技術(shù)功能強(qiáng)、壽命長、可靠性高和輕量化以使用/服役性能為第一要求，性能驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造新原理和新方法強(qiáng)調(diào)控形控性一體化，并在數(shù)字化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程各個(gè)環(huán)節(jié)的并行處理一、引言目 錄二、概念三

3、、具體技術(shù)切削加工、鑄、鍛、焊、增材制造等加工環(huán)節(jié)，除了成形之外，也都在不同程度上改變材料的組織，影響材料的性能。為何研究？以模擬仿真和大數(shù)據(jù)知識建模為獲取與利用知識的手段，在掌握成形過程中材料組織與缺陷演化規(guī)律的基礎(chǔ)上優(yōu)化加工工藝，實(shí)現(xiàn)控形與控性一體化。特點(diǎn)它們相互之間以及與智能熱處理之間在數(shù)字化環(huán)境下并行處理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造全流程的優(yōu)化。成形制造的控形控性一體化智能技術(shù)一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)材料內(nèi)部的組織轉(zhuǎn)變無法實(shí)時(shí)測量與感知，以致材料改性控性成為裝備制造業(yè)信息化的一個(gè)盲區(qū)和智能制造之死角。為何研究？采取基于模擬仿真的預(yù)報(bào)型智能決策的路徑，發(fā)展具有自動(dòng)生成優(yōu)化的改性控性工藝和隨機(jī)

4、補(bǔ)償過程偏差之遺傳效應(yīng)等功能的數(shù)字化智能改性控性技術(shù)。特點(diǎn)特點(diǎn)綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬、試驗(yàn)研究，大數(shù)據(jù)等研究手段研發(fā)先進(jìn)的材料改性控性工藝和裝備，實(shí)現(xiàn)熱處理和各個(gè)成形制造環(huán)節(jié)中的控性技術(shù)緊密結(jié)合，為提高工件內(nèi)在質(zhì)量，提高使用壽命和可靠性打?qū)嵒A(chǔ)。數(shù)字化智能改性控形技術(shù)一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)塑性變形靠壓力靠彎矩和剪力軋制鍛造擠壓靠拉力沖壓拉深拉拔拉形彎曲剪切 六七十年代，熱處理及化學(xué)成分的調(diào)整； 七八十年代，控軋方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化； 八十年代以后，控軋控冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化； 至此，熱機(jī)械控制工藝得到了廣泛應(yīng)用。一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)組織性能控制的發(fā)展軋制近年來，對軋制過程中鋼材組織

5、性能演變的模擬、預(yù)測與控制成為國際材料研究的熱點(diǎn)軋制過程及軋后冷卻過程的組織演變規(guī)律是控軋控冷理論的基礎(chǔ)隨著現(xiàn)代物理冶金熱變形技術(shù)、熱機(jī)械處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起與發(fā)展使預(yù)測和控制合金熱塑性變形過程中的組織演變從而獲得良好的最終機(jī)械性能成為可能，因而當(dāng)今的塑性成形正朝著控形控性即控制成形方向發(fā)展。其基本思想是應(yīng)用新的理論優(yōu)化產(chǎn)品塑性成形工藝及后續(xù)熱處理工藝再應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)控制塑性成形的全過程使產(chǎn)品的外形尺寸及其組織結(jié)構(gòu)和性能均在塑性成形過程中一次達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 基于物理冶金基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型已成功應(yīng)用于組織和機(jī)械性能預(yù)測及工藝過程控制。 采用Avrami模型描述動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué)過程,此領(lǐng)

6、域日本學(xué)者做了大量的工作,并已將此方法用于軋制過程的在線控制。 采用Monte Carlo隨機(jī)統(tǒng)計(jì)方法對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行分析。 采用元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automaton,CA)法對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行分析。一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)控制塑性成形過程微觀組織變化軋制 大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù) 上海交通大學(xué)材料學(xué)院開展了基于模擬仿真的“控形控性一體化”鍛造工藝研究，應(yīng)用于核電一體化封蓋和主管道等大鍛件生產(chǎn)，收到了正確控制大鍛件材料質(zhì)量的效果。鍛造 制造大型結(jié)構(gòu)件/重要承載件 服役條件惡劣 要求工作壽命長 重達(dá)幾十到幾百噸一、引言目 錄

7、二、概念三、具體技術(shù)鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)縮孔、偏析、晶粒粗大大型鑄錠鍛造大鍛件獲得足夠精度的鍛件避免不合理的內(nèi)部流線和折疊缺肉等缺陷成形指改善內(nèi)部鑄態(tài)缺陷和細(xì)化晶粒，為后續(xù)熱處理準(zhǔn)備良好的初始組織狀態(tài)成性（側(cè)重控性預(yù)報(bào)） “形”與“性”是在以高溫高壓為主要特征的工藝過程中形成的，過程中的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和應(yīng)變速率場與材料的化學(xué)成分一起決定了金屬的流動(dòng)狀態(tài)、缺陷和微觀組織的演變過程。 成本極高，試驗(yàn)研究困難一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬成形過程微觀組織演變的元胞自動(dòng)機(jī)模擬 研究手段：建立多

8、場耦合的數(shù)值模擬模型，以計(jì)算機(jī)模擬代替部分大型鍛造試驗(yàn)，構(gòu)造大鍛件控性鍛造過程的數(shù)值模擬技術(shù)。一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù) 大鍛件鍛造的一個(gè)重要目的就是要?jiǎng)?chuàng)造合適的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，以閉合原始鑄錠內(nèi)部的空洞和疏松型缺陷，并通過高溫保壓使缺陷焊合。背景如果鍛件內(nèi)任意一點(diǎn)有空洞型缺陷(給定缺陷體積百分比)，在宏觀應(yīng)力應(yīng)變作用下，該缺陷的體積會(huì)如何發(fā)生變化，以及在何種條件下會(huì)閉合。解決的問題建立基于典型體元模型的空洞體積變化與宏觀應(yīng)力應(yīng)變場的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，與有限元法集成。解決的方法鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)1

9、.在鍛件內(nèi)部取含有空洞的典型體元模型鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬微觀上(相對于空洞)體元無限大，研究空洞變形時(shí)，將體元邊界力學(xué)量作為邊界條件。典型體元內(nèi)空洞變形過程示意圖2.推導(dǎo)球形空洞和片狀裂隙在遠(yuǎn)場應(yīng)力應(yīng)變作用下的體積演化方程式 一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬對于形狀參數(shù)為 的一般扁橢球空洞，其體積應(yīng)變率可通過插值得到 3.插值得到形狀參數(shù)為 的一般扁橢球空洞的體積應(yīng)變率 一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)高溫鍛造過程

10、中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬4.得到任意形狀參數(shù)的變化率 一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)高溫鍛造過程中空洞型缺陷的演變及其數(shù)值模擬4.對式(5)關(guān)于變形歷程積分就得到空洞體積的變化率 式(10)計(jì)算的是空洞體積的變化率，因此應(yīng)用時(shí)并不需要給出精確的初始空洞體積?？斩葱腿毕莸捏w積變化率是成形過程的積分量，任意瞬時(shí)的增量變化取決于該時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，將這種算法與有限元軟件相結(jié)合，使空洞體積變化率和空洞形狀參數(shù)成為有限元的單元量，就可以在每次增量步后得到相應(yīng)的空洞體積變化率的增量。大鍛件拔長過程空洞體積演化模擬結(jié)果一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù) 大鍛

11、件的成形通常經(jīng)過多次壓下(例如拔長、滾圓和打方等)，每次壓下中和相鄰兩次壓下之間鍛件可能發(fā)生完全或不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶，部分晶粒得到細(xì)化，應(yīng)變能降低或消失，而未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒則仍然保留高應(yīng)變能，這種變形能的差異導(dǎo)致在隨后的變形中再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力不同，微觀組織演變非常復(fù)雜。背景模擬出微觀組織的演變過程，為控制大鍛件的微觀組織提供可行的計(jì)算分析方法。 解決的問題采用元胞自動(dòng)機(jī)方法(Cellular automata, CA)建立了微觀組織演變的模擬方法，與熱力耦合有限元法集成。解決的方法鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)成形過程微觀組織演變的元胞自動(dòng)機(jī)模擬一、引言目 錄二、

12、概念三、具體技術(shù)鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)成形過程微觀組織演變的元胞自動(dòng)機(jī)模擬基于生物體發(fā)育中的細(xì)胞自我復(fù)制原理,將一個(gè)長方形平面(或立方體)劃分成若干個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格表示一個(gè)細(xì)胞或系統(tǒng)的基元,用某一數(shù)值表示其所處的狀態(tài)(如對再結(jié)晶問題表示晶格位向),基元的演化用狀態(tài)的變動(dòng)來表示。每個(gè)基元狀態(tài)的轉(zhuǎn)變由其相鄰基元的狀態(tài)根據(jù)給定的規(guī)則確定。CA法具有5個(gè)特性:基元均勻排列;基元的狀態(tài)隨時(shí)間演變;基元的數(shù)值是有限的;基元狀態(tài)的演變規(guī)則是確定或隨機(jī)的;每個(gè)基元的演化規(guī)則是局部的,僅同周圍的基元有關(guān)系。該方法抓住了簡單性與復(fù)雜性這一對主要矛盾,從而觸及并體現(xiàn)了其他有關(guān)矛盾,如局部與整體、宏觀

13、與微觀、線性與非線性、決定性和隨機(jī)性、數(shù)學(xué)模型與物理本質(zhì)之間的矛盾,因此它具有利用簡單的、局部的規(guī)則和離散的方法描述復(fù)雜的、全局的、連續(xù)系統(tǒng)的能力,且容易與其他宏觀方法(如有限元法)相耦合。一、引言目 錄二、概念三、具體技術(shù)鍛造大鍛件控性鍛造過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)成形過程微觀組織演變的元胞自動(dòng)機(jī)模擬由于 CA 模擬結(jié)果符合再結(jié)晶和殘余應(yīng)變能的關(guān)系，因而有望跟蹤整個(gè)變形的晶粒演變過程，為控制大鍛件的微觀組織提供可行的計(jì)算分析方法。 當(dāng)材料參數(shù)確定后，一點(diǎn)的微觀組織演變?nèi)Q于變形過程的溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變量。 建立了高溫下熱沖壓用硼鋼的熱拉伸變形本構(gòu)模型； 研究了硼鋼在熱沖壓、保溫和淬火過程中的相變組織重量百分比及相變后的維氏硬度和屈服強(qiáng)度； 研究了熱沖壓過程中板料和模具的初始溫度對制件溫度變化、拉延減薄、回彈變形及應(yīng)力分布的影響,構(gòu)建了模具型面補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)則； 基于多場耦合數(shù)值模擬方法,分析了熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的不足,以板料溫度分布均勻和保證降溫速率為優(yōu)化目標(biāo),對模具冷卻水道半徑、相鄰水道間隔尺寸和水道與模面距離進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 利用正交試驗(yàn)法研究了熱沖壓成形和淬火過程中板料初始溫度、模具初始溫度