專利名稱：一種基于有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)來優(yōu)化金屬精確鍛造工藝條件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化金屬精確鍛造工藝條件的方法，尤其涉及一種基于有限元技 術(shù)和加工圖技術(shù)來優(yōu)化金屬精確鍛造工藝條件的方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對鍛件的組織和性能要求越來越高，鍛件的形狀結(jié)構(gòu) 也越來越復(fù)雜，金屬構(gòu)件朝著形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、大型構(gòu)件整體化、形狀尺寸精密化、組織結(jié) 構(gòu)精確化、高效率低成本化的方向發(fā)展。這種發(fā)展趨勢使得傳統(tǒng)的依據(jù)淺顯理論+經(jīng)驗+ 反復(fù)試制的產(chǎn)品研發(fā)模式已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。因此，研究金屬精確鍛造，實現(xiàn) 鍛件形狀尺寸和組織性能的精確控制，已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的當務(wù)之急。金屬精確鍛造包含兩個方面的含義一是精確控制鍛件的形狀尺寸；二是精確控 制鍛件的組織結(jié)構(gòu)，從而控制鍛件的性能。前者概括為“精確控形”，后者概括為“精確控 性”。兩者結(jié)合既可精確控制鍛件的形狀尺寸，又可控制鍛件的組織性能，從而實現(xiàn)精確鍛 造的目的。在“精確控形”方面，利用有限元技術(shù)從“精確控形”角度來優(yōu)化鍛造工藝條件(鍛 造熱力參數(shù)、坯料設(shè)計、模具設(shè)計和摩擦條件)已相當成熟，但這種優(yōu)化基本上是從成形角 度來考慮的，即以“精確控形”為目標的，而以“精確控性”為目標的鍛造工藝條件的優(yōu)化， 目前的有限元技術(shù)還無能為力。在“精確控性”方面，利用加工圖技術(shù)來預(yù)測流變失穩(wěn)區(qū)域，優(yōu)化變形熱力參數(shù)，實 現(xiàn)組織與性能的控制已在國內(nèi)外得到較廣泛的應(yīng)用，但這種優(yōu)化是從組織性能控制角度來 考慮的，它不能從“精確控形”角度來優(yōu)化鍛造工藝條件。如何將有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)有效地結(jié)合起來是實現(xiàn)金屬精確鍛造工藝條件 優(yōu)化的關(guān)鍵。但目前國內(nèi)外尚未見到將加工圖技術(shù)和有限元技術(shù)相結(jié)合來研究金屬精確鍛 造工藝條件優(yōu)化的文獻報道。只有如下兩篇文獻1)劉娟，崔振山，李從心.包含應(yīng)變的三維加工圖與有限元相結(jié)合的金屬可加工 性分析[J]·機械工程學(xué)報，2008，44 (5) 108-1132)Juan Liu, Zhenshan Cui, Congxin Li.Analysis of metal workabilityby integration of FEM and 3-D processing maps[J]. Journal ofmaterials processing technology,2008,205 :497_505.首次將加工圖中的三維失穩(wěn)圖與有限元模擬出的溫度場、應(yīng)變速率場和應(yīng)變場相 結(jié)合，把失穩(wěn)區(qū)的演化集成在金屬壓縮變形的金屬流動有限元模擬中，為綜合加工圖技術(shù) 和有限元技術(shù)來優(yōu)化可避免流變失穩(wěn)的工藝條件建立了一種方法。但該方法還比較初步， 未能將加工圖預(yù)測和優(yōu)化的其它組織區(qū)域的信息引入到有限元模擬中，也末提到精確成形 問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)來優(yōu)化金屬精確鍛造 工藝條件的方法，通過將有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)有效結(jié)合起來，綜合發(fā)揮有限元技術(shù)在 “精確控形”方面的工藝條件優(yōu)化功能和加工圖技術(shù)在“精確控性”方面的變形熱力參數(shù)優(yōu) 化功能，以實現(xiàn)金屬精確鍛造工藝條件(即鍛造溫度、變形速度、坯料設(shè)計、模具設(shè)計和摩 擦條件等)的優(yōu)化。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，其特征方法步驟為(1)采集原始流動應(yīng)力數(shù)據(jù)對所研究的金屬通過等溫恒應(yīng)變速率壓縮實驗，采 集不同熱力參數(shù)下的流動應(yīng)力數(shù)據(jù)；(2)制作功率耗散圖根據(jù)采集的流動應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用數(shù)值計算方法，通過計算機 編程來計算不同熱力參數(shù)下的系統(tǒng)輸入功率、功率耗散量、功率耗散協(xié)量、功率耗散效率， 并采用Matlab和Origin軟件來制作功率耗散圖；(3)制作失穩(wěn)圖根據(jù)加工圖理論中的失穩(wěn)判據(jù)，采用數(shù)值計算方法，通過計算機 編程來計算判據(jù)中的各項值，然后采用Matlab和Origin軟件來制作失穩(wěn)圖；(4)制作加工圖將功率耗散圖和失穩(wěn)圖疊加得到加工圖；(5)組織和缺陷的定性和定量表征采用金相顯微鏡、圖像分析儀、掃描電鏡和透 射電鏡微觀分析和測試設(shè)備對變形試樣進行組織和缺陷的觀察和分析，并對組織和缺陷進 行定性和定量表征；(6)確定功率耗散效率-組織/缺陷類型之間的內(nèi)在關(guān)系分析加工圖中各個局 部有序區(qū)域內(nèi)的功率耗散效率大小及其變化特征，根據(jù)變形試樣組織和缺陷定性和定量的 表征結(jié)果，確定出各局部有序區(qū)域的功率耗散效率_組織/缺陷類型之間的內(nèi)在關(guān)系；(7)建立熱力參數(shù)邊界條件-組織/缺陷類型之間的關(guān)系由以上確定的各局部 有序區(qū)域的功率耗散效率_組織/缺陷類型之間的內(nèi)在關(guān)系，并結(jié)合功率耗散效率最大 原則進一步建立出流變失穩(wěn)區(qū)、穩(wěn)定加工區(qū)、較佳加工區(qū)和最佳加工區(qū)的熱力參數(shù)邊界條 件_組織/缺陷類型之間的關(guān)系；(8)熱力參數(shù)邊界條件-組織/缺陷類型關(guān)系引入到有限元模型中對商品化有 限元軟件進行二次開發(fā)，將各類熱力參數(shù)邊界條件及其對應(yīng)的組織/缺陷類型引入到有限 元模型中，使有限元模擬出的每一變形步的變形體內(nèi)熱力參數(shù)場變量與各類熱力參數(shù)邊界 條件做比較，從而可預(yù)測出變形體中哪些部位屬于流變失穩(wěn)區(qū)或穩(wěn)定加工區(qū)或較佳加工區(qū) 或最佳加工區(qū)，由于這些區(qū)域已包含了組織/缺陷類型的信息，故同時也可預(yù)測出變形體 中各個部位的組織/缺陷類型；(9)精確鍛造工藝條件的模擬優(yōu)化采用二次開發(fā)后的有限元軟件，對具體鍛件 的成形過程進行模擬計算，反復(fù)調(diào)整外部鍛造工藝條件(即鍛造溫度、變形速度、坯料設(shè) 計、模具設(shè)計和摩擦條件等)，優(yōu)化出鍛件整個變形區(qū)域的組織均為所需望的組織類型，且 模具型腔被填充飽滿的工藝條件，此工藝條件即為能實現(xiàn)精確鍛造的工藝條件。本發(fā)明的優(yōu)點是通過將有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)有效結(jié)合起來，綜合發(fā)揮有限 元技術(shù)在“精確控形”方面的工藝條件優(yōu)化功能和加工圖技術(shù)在“精確控性”方面的變形熱 力參數(shù)優(yōu)化功能，以實現(xiàn)金屬精確鍛造工藝條件的優(yōu)化。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，先采集原始流動應(yīng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)制作功率耗散圖、失穩(wěn)圖和加工 圖技術(shù)確定出金屬的流變失穩(wěn)區(qū)、穩(wěn)定加工區(qū)、較佳加工區(qū)和最佳加工區(qū)的熱力參數(shù)邊界 條件及其對應(yīng)的組織類型，然后對商品化有限元軟件進行二次開發(fā)，將各類熱力參數(shù)邊界 條件引入到有限元模型中，以“熱力參數(shù)”為連接橋梁，將有限元模擬出的每一變形步的變 形體內(nèi)熱力參數(shù)場變量與熱力參數(shù)邊界條件做比較，通過反復(fù)調(diào)整鍛造工藝條件(即外部 施加的鍛造溫度、變形速度、坯料設(shè)計、模具設(shè)計和摩擦條件等)，最終優(yōu)化出在整個變形過 程中，變形體內(nèi)的熱力參數(shù)場變量均落在所希望的熱力參數(shù)邊界條件內(nèi)的鍛造工藝條件。 按此優(yōu)化出的鍛造工藝條件對金屬進行鍛造生產(chǎn)，即可實現(xiàn)精確鍛造的目的。這種建立在以科學(xué)理論為基礎(chǔ)的金屬精確鍛造工藝條件優(yōu)化方法，既可以實現(xiàn)鍛 件組織性能的精確控制，又可以實現(xiàn)鍛件形狀尺寸的精確控制。它與傳統(tǒng)的鍛造工藝研究 方法相比，可以大大減少現(xiàn)場工藝實驗，縮短研究開發(fā)周期，降低研究開發(fā)成本，有效克服 鍛造中經(jīng)常出現(xiàn)的各類鍛造缺陷，顯著提高鍛件質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性。
權(quán)利要求
一種基于有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)來優(yōu)化金屬精確鍛造工藝條件的方法，其特征方法步驟為(1)采集原始流動應(yīng)力數(shù)據(jù)對所研究的金屬通過等溫恒應(yīng)變速率壓縮實驗，采集不同熱力參數(shù)下的流動應(yīng)力數(shù)據(jù)；(2)制作功率耗散圖根據(jù)采集的流動應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用數(shù)值計算方法，通過計算機編程來計算不同熱力參數(shù)下的系統(tǒng)輸入功率、功率耗散量、功率耗散協(xié)量、功率耗散效率，并采用Matlab和Origin軟件來制作功率耗散圖；(3)制作失穩(wěn)圖根據(jù)加工圖理論中的失穩(wěn)判據(jù)，采用數(shù)值計算方法，通過計算機編程來計算判據(jù)中的各項值，然后采用Matlab和Origin軟件來制作失穩(wěn)圖；(4)制作加工圖將功率耗散圖和失穩(wěn)圖疊加得到加工圖；(5)組織和缺陷的定性和定量表征采用金相顯微鏡、圖像分析儀、掃描電鏡和透射電鏡微觀分析和測試設(shè)備對變形試樣進行組織和缺陷的觀察和分析，并對組織和缺陷進行定性和定量表征；(6)確定功率耗散效率-組織/缺陷類型之間的內(nèi)在關(guān)系分析加工圖中各個局部有序區(qū)域內(nèi)的功率耗散效率大小及其變化特征，根據(jù)變形試樣組織和缺陷定性和定量的表征結(jié)果，確定出各局部有序區(qū)域的功率耗散效率-組織/缺陷類型之間的內(nèi)在關(guān)系；(7)建立熱力參數(shù)邊界條件-組織/缺陷類型之間的關(guān)系由以上確定的各局部有序區(qū)域的功率耗散效率-組織/缺陷類型之間的內(nèi)在關(guān)系，并結(jié)合功率耗散效率最大原則進一步建立出流變失穩(wěn)區(qū)、穩(wěn)定加工區(qū)、較佳加工區(qū)和最佳加工區(qū)的熱力參數(shù)邊界條件-組織/缺陷類型之間的關(guān)系；(8)熱力參數(shù)邊界條件-組織/缺陷類型關(guān)系引入到有限元模型中對商品化有限元軟件進行二次開發(fā)，將各類熱力參數(shù)邊界條件及其對應(yīng)的組織/缺陷類型引入到有限元模型中，使有限元模擬出的每一變形步的變形體內(nèi)熱力參數(shù)場變量與各類熱力參數(shù)邊界條件做比較，從而可預(yù)測出變形體中哪些部位屬于流變失穩(wěn)區(qū)或穩(wěn)定加工區(qū)或較佳加工區(qū)或最佳加工區(qū)，由于這些區(qū)域已包含了組織/缺陷類型的信息，故同時也可預(yù)測出變形體中各個部位的組織/缺陷類型；(9)精確鍛造工藝條件的模擬優(yōu)化采用二次開發(fā)后的有限元軟件，對具體鍛件的成形過程進行模擬計算，反復(fù)調(diào)整外部鍛造工藝條件，優(yōu)化出鍛件整個變形區(qū)域的組織均為所需望的組織類型，且模具型腔被填充飽滿的工藝條件，此工藝條件即為能實現(xiàn)精確鍛造的工藝條件。
全文摘要
種基于有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)來優(yōu)化金屬精確鍛造工藝條件的方法，其特征方法步驟為(1)采集原始流動應(yīng)力數(shù)據(jù)；(2)制作功率耗散圖；(3)制作失穩(wěn)圖；(4)制作加工圖；(5)組織和缺陷的定性和定量表征；(6)確定功率耗散效率-組織/缺陷類型之間的內(nèi)在關(guān)系；(7)建立熱力參數(shù)邊界條件-組織/缺陷類型之間的關(guān)系；(8)熱力參數(shù)邊界條件-組織/缺陷類型關(guān)系引入到有限元模型中；(9)精確鍛造工藝條件的模擬優(yōu)化。本發(fā)明的優(yōu)點是通過將有限元技術(shù)和加工圖技術(shù)有效結(jié)合起來，綜合發(fā)揮有限元技術(shù)在“精確控形”方面的工藝條件優(yōu)化功能和加工圖技術(shù)在“精確控性”方面的變形熱力參數(shù)優(yōu)化功能，以實現(xiàn)金屬精確鍛造工藝條件的優(yōu)化。
文檔編號G06F17/50GK101833598SQ20101014352
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者李鑫, 歐陽德來, 王克魯, 董顯娟, 魯世強 申請人:南昌航空大學(xué)