1. <meter id="61616"></meter>
      1. <meter id="61616"></meter>
        Go to Top

          工藝仿真軟件在材料成型控制中的應用

          來源:e-works????特約撰稿人:黃引平

          材料熱成型是一個很復雜的變化過程,所以鑄件品質很難控制。在這個過程中,材料經液態流動充型、凝固結晶、固態流動變形、相變、再結晶和重結晶等多種微觀組織變化及缺陷的產生與消失等一系列復雜的物理、化學、冶金變化,而最后成為毛坯或構件。另一方面,大型復雜鑄鍛件熱成型工藝的設計長期依賴人員的經驗和素質,導致了鑄造工藝的優劣很難預判。傳統的鑄造工藝設計都是由人工進行的,不可避免地存在一些問題:對工藝設計人員要求高;工作量大,效率低下;CAD工藝設計工程師之間難于信息共享以及保證數據的準確性;……。

          傳統材料成型控制如大型復雜鑄鍛件的熱成型,在試制和生產階段,因為沒有應用仿真手段,只能憑借經驗一遍遍地試驗不同的工藝方案(試錯法),再進行不斷地改進,直至成功。有些新產品的試制時間甚至需要數月乃至幾年,特別是在復雜工況條件服役下的零部件更是如此,由于驗收條件高,其間不僅過多地消耗人力、物力、財力、時間,而且直接影響著裝備制造的數量和質量,乃至國民經濟的發展。熱成型過程仿真的應用不但能有效地進行仿真分析及檢測,確定產品零部件的相關技術參數,發現產品設計和制造過程中的問題和缺陷,優化產品的設計及生產工藝,而且能夠縮短開發周期,降低開發成本。船舶柴油機缸體鑄造工藝仿真分析如圖1所示,船舶柴油機連桿鍛造仿真分析如圖2所示。

          圖1 船舶柴油機缸體鑄造仿真分析

          圖1 船舶柴油機缸體鑄造仿真分析

          圖2 船舶柴油機連桿鍛造仿真分析

          圖2 船舶柴油機連桿鍛造仿真分析

          因此,徹底改變過去那種“睜眼造型,閉眼澆注”的被動落后生產技術狀況,應用先進的模擬軟件進行工藝仿真成為現代熱加工發展的一個重要方向。針對大型復雜鑄鍛件開展成形工藝試驗及驗證,通過篩選比較,最終確定出優化的成形工藝方案極有必要。同時,現代工業呼喚熱成型工藝仿真軟件給與技術上的支撐和保障,當前不少大型企業及外貿鑄鍛件產品在產品驗收或合同條款中,明確要求其關鍵件的制造必須經過熱成型模擬仿真環節,以保證產品的成品率、可靠性及批產穩定性。鑄鍛件研制現行的工藝驗證流程如圖3所示。加入仿真技術的工藝驗證流程如圖4所示。

          圖3 現行的工藝驗證流程簡圖

          圖3 現行的工藝驗證流程簡圖

          圖4 加入仿真技術的工藝驗證流程簡圖

          圖4 加入仿真技術的工藝驗證流程簡圖

          1 熱物性參數測試

          由于熱成型工藝仿真需要的物性參數必須在高溫、熱輻射、熱流動、化學變化等復雜苛刻條件下測試獲得,而測試精度又受制于測試儀器精度、測試方法和數據處理等因素的影響。熱成型仿真首先需要攻克高溫環境的測試難關,以保證仿真初始條件的一致性;其次,缺陷等情景復現驗證是熱成型仿真的關鍵環節,這是仿真技術工程應用的一把尺子,更是后期優化的基礎。

          材料熱成形工藝仿真分析中,材料參數、加載工藝參數和邊界條件與實際的符合程度,在很大程度上影響仿真的準確性。目前,有些仿真所選用的材料間的界面換熱系數為一固定值,精度較低,而實際上界面換熱系數通常是隨溫度或時間變化的一個值,即為一曲線函數。同時,隨著新增合金材料及鑄型材料的增加,界面的換熱條件因材料的不同而變化,因此要提高鑄造工藝仿真分析上的準確度,就要求測定新增材料間界面換熱參數。圖5是精確鑄造工藝仿真技術流程。

          ??? 1.1 材料模型

          根據鑄鍛件生產工廠的現場情況,對鑄鍛件生產的主、輔原材料,測定其熱導率、比熱、密度、熱擴散率等熱物性參數。

          圖5 精確鑄造工藝仿真技術流程

          圖5 精確鑄造工藝仿真技術流程

          ??? 1.2 界面模型和邊界條件

          為了使仿真軟件的分析適應鑄鍛件的實際生產現場情況,對引進的鑄鍛工藝仿真軟件進行開發研究,研究鑄型界面換熱系數的測定方法,設計模擬件開展溫度場測定,并經過理論建模和反求計算方法,從根本上提高鑄造仿真的模擬精度。

          邊界條件是在求解區域的邊界上所求解的變量或其導數隨地點和時間的變化規律。通過熱電偶等傳感器檢測計算獲得準確的冒口和大氣、鑄件和鑄型(或砂芯和冷鐵)、鍛件與模具、鑄型和大氣、冷鐵和砂型(或砂芯)、鑄型和地面等邊界條件參數,建立適用于鑄鍛件的成形工藝仿真數據庫。并成功應用于柴油機關鍵件的仿真分析。圖6是熱電偶放置圖,圖7是現場測溫驗證。

          圖6 熱電偶放置及鑄造工藝截圖

          圖6 熱電偶放置及鑄造工藝截圖

          圖7 現場測溫驗證

          圖7 現場測溫驗證

          測溫點曲線對比如下:

          圖8 熱電偶測溫曲線

          圖8 熱電偶測溫曲線

          圖8是熱電偶1、4、6測溫曲線圖。從試驗數據得出結論:測試的3個位置點從澆注到冷卻的溫度曲線,最大偏差±10℃??梢?,鑄造工藝仿真精度得到了保障。

          2 產品缺陷的實際復現驗證

          對于熱加工工藝的仿真分析,每一步都應以仿真精度提高為目標,與現場生產實際越貼合,結論才會越準確。開展實際復現研究是提高仿真精度的有效方法,以復現現場存在的產品缺陷等質量問題為突破口,確定產品的仿真判據。首先對同一種材料的試樣、類比件復現驗證,以效驗材料模型的正確性;其次,再對同一種產品的歷史工藝進行復現驗證,通過數字化解剖、實物解剖方法逐一效驗環境變量等條件的一致性,得到產品驗收條件所對應的合理判據。

          ??? 2.1 同一種材料的試樣、類比件復現驗證

          圖9 試樣澆鑄工藝及其封閉區

          圖9 試樣澆鑄工藝及其封閉區

          圖10 試樣實際解剖圖

          圖10 試樣實際解剖圖

          應用仿真軟件對圖9所示的試樣進行了驗證。選用NX構建實體模型;之后利用NX Advanced Simulation模塊,高效地建立正確精準的CAE模型,將CAE模型輸出給成型模擬軟件,由仿真軟件的計算可知,試驗試樣在凝固過程中存在封閉的液相區(圖9),結合仿真軟件對這些孤立區體積變化進行計算,對于試樣a、b和c孤立區的體積變化進行計算,可知試樣a、b均會出現縮孔缺陷,而且缺陷大小為a大于b,而對于試樣c體積變化,則不會出現縮孔缺陷,這與實際澆鑄試樣的結果(圖10)相吻合,如實反映了該試樣的縮孔情況。材料試驗完善了仿真軟件的球墨鑄鐵缺陷預測功能,對仿真軟件鑄鐵材料缺陷判據進行了回歸及試驗驗證。

          ??? 2.2 同一種產品的歷史工藝的復現驗證

          根據生產企業提供的技術資料:鑄件或零件設計圖紙、產品驗收要求、鑄造生產現場條件,如鑄鍛類型、工裝條件等條件參數。以及生產企業提供的工作條件:現場工藝參數采集、現場工藝參數確定、模擬分析相關的材料試驗,對同一種產品的歷史工藝進行復現驗證及判據優化??刹捎脭抵的M、可視化攝像、類比試驗、首件實物驗證相結合的方法,完成工藝仿真的數字化解剖及實際驗證。驗證結束后,與企業協商進行工藝改進。結合企業生產條件,通過優化工藝及成型參數,提前預測材料成型缺陷,以便在工藝定型前采取措施,最終形成適用于企業生產實際的鑄鍛熱成型工藝方案。

          3 高精度仿真實現三個重大“轉變”

          計算機數值模擬仿真(簡稱CAE)的應用對傳統生產模式進行了革新,是技術的高度集成和創新,為企業創新提供了不竭動力。高精度的熱成型仿真促使鑄鍛件研制實現三個重大“轉變”:

          第一個轉變:仿真的“可視化”,由人工試錯驗證向計算機仿真參與驗證的轉變。材料熱成型是一個復雜的過程,導致鑄鍛件品質難控制,需要產品和工藝設計前期的科學指導。圖11為某鑄件鑄造工藝流場分析及抽取的內部復雜型腔模型。進行模型對照,實現澆注系統可視化分析。

          圖11 850KW液壓馬達鑄造工藝流場分析及抽取的內部復雜型腔模型

          圖11 850KW液壓馬達鑄造工藝流場分析及抽取的內部復雜型腔模型

          第二個轉變:仿真的“定量化”,由定性判定鑄鍛件缺陷向定量化判定鑄鍛件缺陷的轉變。如圖12所示。

          圖12 定量化分析固液相的位置與大小

          圖12 定量化分析固液相的位置與大小

          第三個轉變:仿真的“集成化”,由“孤島式”紙質工藝數據向集成數據庫建立的轉變。通過長期試驗、驗證等技術積淀,建立對應產品的工藝仿真數據庫。

          高精度仿真研究與應用為大型復雜鑄鍛件的“可視化”、“定量化”和“集成化”奠定了基礎,使產品實現了由“經驗”制造向“精確”制造的飛躍。

          4 結論

          高精度仿真的前處理參數必須從實際生產現場中來,即通過傳感器采集獲取實時數據。高精度仿真的后處理結果判定必須回倒實際生產現場中去,即采用虛實映射的情景復現驗證方法獲得校準,作為后續優化方案的基準。高精度仿真可以全新地改變傳統鑄鍛行業生產流程,為鑄鍛件的一次研制成功提供技術指導,推進傳統企業轉型實現綠色制造。

        ?
        分分快三