計(jì)算機(jī)在材料成形加工中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在材料成形加工中的應(yīng)用摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是微型計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。在材料成形加工領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也有了很大的發(fā)展，主要集中在材料成形加工中的數(shù)值模擬和自動(dòng)控制。本文綜述了液態(tài)成形、塑性成形、連接成形的計(jì)算機(jī)模擬及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在材料成形加工中的應(yīng)用及其發(fā)展。關(guān)鍵字:計(jì)算機(jī)模擬控制材料成形加工應(yīng)用一、 材料成形加工技術(shù)的作用及地位材料成形加工行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，材料成形加工技術(shù)是汽車、電力、石化、造船及機(jī)械等支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)制造技術(shù)，新一代材料加工技術(shù)也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要內(nèi)容,C27鑄造、鍛造及焊接等材料加工技術(shù)是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主體技術(shù)。高速發(fā)展的工業(yè)技術(shù)要求加工制造的產(chǎn)品精密化、輕量化、集成化；國際競爭更加激烈的市場要求產(chǎn)品性能高、成本低、周期短；日益惡化的環(huán)境要求材料加工原料與能源消耗低、污染少。為了生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)品，材料正由單一的傳統(tǒng)型向復(fù)合型、多功能型發(fā)展;材料成形加工制造技術(shù)逐漸綜合化、多樣化、柔性化、多學(xué)科化。因此，而對市場經(jīng)濟(jì)、參與全球競爭，必須十分重視先進(jìn)制造技術(shù)及成形加工技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步。二、 計(jì)算機(jī)模擬在材料成形加工中的應(yīng)用材料成形過程是極其復(fù)雜的高溫、動(dòng)態(tài)和瞬時(shí)過程，難以直接觀察。利用計(jì)算機(jī)模擬材料成形過程，可預(yù)測產(chǎn)品的質(zhì)量，減少試驗(yàn)次數(shù);確定最佳的工藝流程，以達(dá)到某一特殊性能的要求;動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)物理量的演變歷程和空間分布；提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。目前，模擬仿真技術(shù)己能用在壓力鑄造、熔模鑄造等精確成形加工工藝中，而焊接過程的模擬仿真研究也取得了可喜的進(jìn)展。1液態(tài)成形的計(jì)算機(jī)模擬[1]液態(tài)成形過程的計(jì)算機(jī)模擬已由形狀尺寸的宏觀模擬進(jìn)入微觀模擬階段。從1992年至今，開展了微觀組織形態(tài)的計(jì)算機(jī)模擬，獲得了可重復(fù)的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了工藝的可視化。1.1液態(tài)金屬充型過程的計(jì)算機(jī)模擬到目前為止，已研究出許多算法，如并行算法、三維有限單元法、三維有限差分法、數(shù)值方法與解析方法混合的算法等。充型過程的數(shù)值模擬已出現(xiàn)了一些商品化的軟件包，并在壓力鑄造、低壓鑄造、消失模鑄造等鑄造方法中，在對實(shí)際鑄件的缺陷分析和優(yōu)化工藝等方面得到了積極的應(yīng)用。今后充型模擬的研究發(fā)展趨勢就是輔助設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。1.2凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬鑄件凝固過程數(shù)值模擬的基本理論基礎(chǔ)是傅里葉導(dǎo)熱微分方程。數(shù)值模擬的基本方法主要是有限差分法、有限元法和邊界元法.目前，縮孔、縮松定量預(yù)測的方法已經(jīng)在鑄造廠得以應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。如德陽中國二重集團(tuán)鑄造廠于2001年用計(jì)算機(jī)模擬試制成功的長江三峽水輪機(jī)葉輪，結(jié)束

了該件從加拿大進(jìn)口(價(jià)值960美元)的局面。1.3應(yīng)力場的計(jì)算機(jī)模擬鑄件凝固過程應(yīng)力場的分析模擬也是建立在傳熱學(xué)基礎(chǔ)上的。應(yīng)力分析采用的模型有熱彈塑模型、熱彈粘塑性模型、熱彈性模型及彈性、理想塑性模型等,采用的方法多為有限元法、有限體積法、控制體積有限差分法等。1.4凝固組織形成過程的計(jì)算機(jī)模擬凝固微觀過程的模型化及其數(shù)值模擬是對鑄件凝固組織的相形態(tài)、晶粒度、枝晶間距等微觀組織和微觀缺陷形成過程的模擬，最終達(dá)到預(yù)測鑄件各部位組織和力學(xué)性能的目的以此為依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)重人件的鑄造工藝，保證其內(nèi)在質(zhì)量和提高鑄件的使用性能。凝固過程組織數(shù)值模擬的主要模型有蒙特卡羅模型(MonteCarlo)、相場模型和基于界面穩(wěn)定性理論的，鉆體生長模型。2塑性成形的計(jì)算機(jī)模擬[3]塑性成形過程的計(jì)算機(jī)模擬是在計(jì)算機(jī)上對金屬塑性成形過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤描述，并通過計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)演示整個(gè)過程的技術(shù)，如圖1所示。其目的在于通過建立分析模型對金屬的變形、應(yīng)力、應(yīng)變和組織等進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對工藝過程、毛坯形狀以及模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。它能縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長模具壽命，降低生產(chǎn)成本。在國外，塑性成形數(shù)值模擬已成為某些大型企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)鏈條中不可缺少的環(huán)節(jié)，同時(shí)數(shù)值模擬對優(yōu)化已有產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝同樣具有重要意義，如美國福特、通用汽車公司在開發(fā)新車型時(shí)，已將板材沖壓過程的數(shù)值模擬作為一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié);德國應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對質(zhì)量為400t的核電轉(zhuǎn)子鍛件的鍛造工藝進(jìn)行校核、優(yōu)化，確保了一次制造成功。材料模且■1具和II過程II邊界單元網(wǎng)1譴模型坯料墮"II柔桿1新:格生成前我理4系統(tǒng)■缺陷

判斷成形過期散缺陷

判斷工件兒何應(yīng)變場成力工件兒何應(yīng)變場成力房|辰M|能-可圖1塑性成形過程計(jì)算機(jī)模擬流程當(dāng)前塑性成形數(shù)值模擬面臨的挑戰(zhàn)是：在建立分析模型時(shí)輸人準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；進(jìn)一步改進(jìn)有限元軟件;開發(fā)旨在提高計(jì)算效率的并行計(jì)算系統(tǒng);開發(fā)工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng);優(yōu)化預(yù)鍛型腔;培訓(xùn)高水平的操作人員?，F(xiàn)有模擬分析塑性成形的方法有切塊法、滑移線法、上限法、有限元法和邊界元法等，其中以有限元法特別是剛性有限元法應(yīng)用最為廣泛。2.1數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用在塑性成形數(shù)值分析中應(yīng)用最廣泛、最有效、最具生命力的一種方法就是有限元法。有限元法分為靜態(tài)隱式有限元法和動(dòng)態(tài)顯式有限元法。數(shù)值模擬技術(shù)已應(yīng)用到體積成形、板料成形以及當(dāng)前塑性成形的前沿領(lǐng)域和鎂、鋁、等難變形輕合金的成形。2.2人工智能在塑性加工中的應(yīng)用人工智能也稱機(jī)器智能，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)及語言學(xué)等多種學(xué)科互相交叉滲透而發(fā)展起來的一門綜合性學(xué)科。近年來，智能化的研究成果己被成功地引入至金屬塑性加工領(lǐng)域板材沖壓成形、旋壓成形的智能化控制技術(shù)冷軋鋁箔、帶鋼以及棒材軋制的智能化控制技術(shù)、冷鍛工藝設(shè)計(jì)的智能知識(shí)庫系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，沖壓連續(xù)模交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)，彎曲工藝設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，熱模鍛工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)等方面的研究先后興起并迅速發(fā)展。3連接成形的計(jì)算機(jī)模擬連接成形的計(jì)算機(jī)模擬主要指對焊接工藝過程的計(jì)算機(jī)模擬，目前研究的領(lǐng)域包括焊接熱過程、焊接冶金過程、焊接熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和變形的模擬。目前，常用的焊接顯微組織模擬的方法主要有4種:①經(jīng)驗(yàn)法;②統(tǒng)計(jì)方法;③組織形成的直接模擬方法;④基于物理狀態(tài)變量法（內(nèi)部狀態(tài)變量法）。選用有效的方法將熱場、應(yīng)力場與顯微組織場三場進(jìn)行禍合，建立反映真實(shí)焊接組織變化過程的模型，并且利用模型對焊接接頭進(jìn)行性能預(yù)測，直接指導(dǎo)生產(chǎn)工藝，是今后顯微組織模型的發(fā)展方向。4展望計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括材料液態(tài)成形、塑性成形、連接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、復(fù)合材料成形等各種材料成形領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料成形加工中的應(yīng)用，使材料成形工藝從定性描述走向定量預(yù)測的新階段;為材料的加工及新工藝的研制提供理論基礎(chǔ)和優(yōu)選方案;從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法，推進(jìn)到以知識(shí)為基礎(chǔ)的計(jì)算試驗(yàn)輔助階段;對于實(shí)現(xiàn)批量小、質(zhì)量高、成本低、交貨期短、生產(chǎn)柔性、環(huán)境友好的未來制造模式具有非常重要的意義。三、計(jì)算機(jī)控制在材料成形加工中的應(yīng)用材料加工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在控制技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)和可編程控制器（PLC）在材料加工過程中的應(yīng)用正體現(xiàn)了這種發(fā)展和趨勢。在材料加工過程中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，更能改善產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，提高產(chǎn)量。用計(jì)算機(jī)可以對材料加工工藝過程進(jìn)行優(yōu)化控制。例如在計(jì)算機(jī)對工藝過程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上，可以用計(jì)算機(jī)對滲碳全過程進(jìn)行控制。在材料的制備中，可以對過程進(jìn)行精確的控制，例如材料表面處理（熱處理）中的爐溫控制等。計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，使工藝設(shè)備、檢測手段的準(zhǔn)確性和精確度等大大提高?？刂萍夹g(shù)也由最初的簡單順序控制發(fā)展到數(shù)學(xué)模型在線控制和統(tǒng)計(jì)過程控制，由分散的個(gè)別控制發(fā)展到計(jì)算機(jī)綜合管理與控制，控制水平提高，可靠性得到充分保證。1計(jì)算機(jī)控制原理在材料加工控制領(lǐng)域，運(yùn)用較多的是微型計(jì)算機(jī)和可編程控制器。計(jì)算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面:物化性能測試數(shù)據(jù)的自動(dòng)聚集和處理、加工過程的自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)、計(jì)算機(jī)輔助研究、材料加工過程的全面質(zhì)量管理等。利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測與控制，是計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中應(yīng)用的重要內(nèi)容。計(jì)算機(jī)的控制部件，儀表結(jié)合形成計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)，如圖2所示，生產(chǎn)過程將被測試和控制的信號(hào)，如溫度、壓力、流量等參數(shù)，首先通過傳感器采集并將這些非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如電壓、電流等,再將信號(hào)放大，滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的要求，放大后的電信號(hào)傳遞給A/D，由A/D板將電信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)輸入輸出接口(I/O)輸入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)按事先編好的檢測和控制程序進(jìn)行運(yùn)算，邏輯判斷、比較，將結(jié)果再由I/O接口輸出。輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(D/A)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)(如電壓電流信號(hào))，經(jīng)放大器放大后，用于帶動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測與控制。⑵圖2計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)示意圖2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用[3]塑性加工作為一種傳統(tǒng)工藝，提高其生產(chǎn)率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、開發(fā)高精度產(chǎn)品的重要前提是設(shè)備的高精度化和自動(dòng)化控制。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)極大地提高了塑性成形設(shè)備的柔性化和控制的可靠性。目前，計(jì)算機(jī)控制的成形設(shè)備和系統(tǒng)主要有以下幾類CNC成形設(shè)備主要指的是由計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控成形設(shè)備，其主要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡和執(zhí)行部件(如沖頭)回轉(zhuǎn)等程序化動(dòng)作，在一定模具的配合下，可以實(shí)現(xiàn)多工序的加工。FMC成形設(shè)備是在一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)控制下，由一臺(tái)CNC成形設(shè)備為主機(jī)并輔助一些交換工作臺(tái)、上下料機(jī)械手組成的柔性制造單元。它在CNC單機(jī)的基礎(chǔ)上增加了設(shè)備的自動(dòng)化和柔性化程度，可實(shí)現(xiàn)無人化操作。FMS成形設(shè)備在一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)的控制下，由一些CNC成形設(shè)備和FMC設(shè)備配備一些輔助設(shè)備及倉庫組成，所有這些設(shè)備都由一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)控制。CIMS系統(tǒng)CIMS是一種基于CIM理念構(gòu)成的計(jì)算機(jī)化、信息化、智能化、綠色化、集成優(yōu)化的制造系統(tǒng)。CIM是一種組織、管理和運(yùn)行企業(yè)的理念，它將傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合，借助計(jì)算機(jī)使企業(yè)產(chǎn)品全生命周期，各階段活動(dòng)中有關(guān)的人力組織、經(jīng)營管理和技術(shù)要素及信息流、物流、能量流和價(jià)值流等有機(jī)集成，并優(yōu)化運(yùn)行，以達(dá)到產(chǎn)品上市快、高質(zhì)、低耗、服務(wù)好、環(huán)境清潔，進(jìn)而提高企業(yè)的柔性、敏捷性，使企業(yè)具有較強(qiáng)的市場競爭力。3展望目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家計(jì)算機(jī)對塑性成形設(shè)備的控制率已達(dá)到80%以上，而我國成形設(shè)備的計(jì)算機(jī)控制率不僅大大低于發(fā)達(dá)國家，而且其他加工設(shè)備、自行研制的大規(guī)模的智能化塑性加工生產(chǎn)線還較少。因此相對塑性加工工藝來說，在成形設(shè)備上加大計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用還任重道遠(yuǎn)。材料制備加工、復(fù)雜形狀金屬零件的成形工藝，計(jì)算機(jī)模擬、專家數(shù)據(jù)庫技術(shù)、智能控制技術(shù)，己成為先進(jìn)塑性加工技術(shù)和傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)改造的必要手段。很多新工藝的出現(xiàn)都是以數(shù)控加工控制為前提的，過去無法實(shí)現(xiàn)的一些塑性加工工藝，在智能控制等基礎(chǔ)上都可以實(shí)現(xiàn)。材料成形加工技術(shù)的發(fā)展趨勢:?。菝绹凇靶乱淮圃煊?jì)劃(NextGenerationManufacturing)”中指出未來的制造模式將是批量小、質(zhì)量高、成本低、交貨期短、生產(chǎn)柔性、環(huán)境友好。下一代制造工藝包括精確成形加工制造或稱凈成形加工工藝(NetShapeProcess)。凈成形加工工藝要求材料成形加工制造向更輕、更薄、更精、更強(qiáng)、更韌、成本低、周期短、質(zhì)量高的方向發(fā)展。近幾十年來，在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的帶動(dòng)下，隨著塑性加工理論、數(shù)字化技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已逐漸用于解決金屬塑性加工中的各種復(fù)雜問題，包括計(jì)算機(jī)輔助規(guī)劃(LAPP)、輔助設(shè)計(jì)(CAD)、輔助制造(CAM)、輔助過程模擬(CAPS)、輔助產(chǎn)品檢測(CAT)和質(zhì)量監(jiān)控(CAQ)等方面。這些計(jì)算機(jī)技術(shù)的成功應(yīng)用，大大促進(jìn)了材料加工技術(shù)的快速發(fā)展。四、結(jié)論先進(jìn)的制造技術(shù)是制造業(yè)賴以生存、國民經(jīng)濟(jì)得以發(fā)展的主體技術(shù)，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域，是國際上高技術(shù)競爭的重要戰(zhàn)場。一個(gè)以制造技術(shù)為焦點(diǎn)的技術(shù)競爭已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家之間展開，許多發(fā)展中國家也深切體會(huì)到發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的重要性和緊迫性，因而制定了戰(zhàn)略發(fā)展的規(guī)劃。而我國的材料成形加工技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有很大差距。重大工程的關(guān)鍵鑄鍛件如長江三峽水輪機(jī)的第一個(gè)葉輪仍從國外進(jìn)口;航空工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)及其他重要的動(dòng)力機(jī)械的核心成形制造技術(shù)尚有待突破。因此，在振興我國制造業(yè)的同時(shí)，要加強(qiáng)和重視材料成