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第三章 软件定义企业新模式

第一十三节 工艺仿真软件在材料成型控制中的应用

中国船舶重工集团公司第十二研究所 黄引平
 

        材料热成型是一个很复杂的变化过程,所以铸件品质很难控制。在这个过程中,材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化,而最后成为毛坯或构件。另一方面,大型复杂铸锻件热成型工艺的设计长期依赖人员的经验和素质,导致了铸造工艺的优劣很难预判。传统的铸造工艺设计都是由人工进行的,不可避免地存在一些问题:对工艺设计人员要求高;工作量大,效率低下;CAD工艺设计工程师之间难于信息共享以及保证数据的准确性;……。
        传统材料成型控制如大型复杂铸锻件的热成型,在试制和生产阶段,因为没有应用仿真手段,只能凭借经验一遍遍地试验不同的工艺方案(试错法),再进行不断地改进,直至成功。有些新产品的试制时间甚至需要数月乃至几年,特别是在复杂工况条件服役下的零部件更是如此,由于验收条件高,其间不仅过多地消耗人力、物力、财力、时间,而且直接影响着装备制造的数量和质量,乃至国民经济的发展。热成型过程仿真的应用不但能有效地进行仿真分析及检测,确定产品零部件的相关技术参数,发现产品设计和制造过程中的问题和缺陷,优化产品的设计及生产工艺,而且能够缩短开发周期,降低开发成本。船舶柴油机缸体铸造工艺仿真分析如图1所示,船舶柴油机连杆锻造仿真分析如图2所示。

船舶柴油机缸体铸造仿真分析

图1 船舶柴油机缸体铸造仿真分析

船舶柴油机连杆锻造仿真分析

图2 船舶柴油机连杆锻造仿真分析

        因此,彻底改变过去那种“睁眼造型,闭眼浇注”的被动落后生产技术状况,应用先进的模拟软件进行工艺仿真成为现代热加工发展的一个重要方向。针对大型复杂铸锻件开展成形工艺试验及验证,通过筛选比较,最终确定出优化的成形工艺方案极有必要。同时,现代工业呼唤热成型工艺仿真软件给与技术上的支撑和保障,当前不少大型企业及外贸铸锻件产品在产品验收或合同条款中,明确要求其关键件的制造必须经过热成型模拟仿真环节,以保证产品的成品率、可靠性及批产稳定性。铸锻件研制现行的工艺验证流程如图3所示。加入仿真技术的工艺验证流程如图4所示。

现行的工艺验证流程简图

图3 现行的工艺验证流程简图

加入仿真技术的工艺验证流程简图

图4 加入仿真技术的工艺验证流程简图

1 热物性参数测试

        由于热成型工艺仿真需要的物性参数必须在高温、热辐射、热流动、化学变化等复杂苛刻条件下测试获得,而测试精度又受制于测试仪器精度、测试方法和数据处理等因素的影响。热成型仿真首先需要攻克高温环境的测试难关,以保证仿真初始条件的一致性;其次,缺陷等情景复现验证是热成型仿真的关键环节,这是仿真技术工程应用的一把尺子,更是后期优化的基础。
        材料热成形工艺仿真分析中,材料参数、加载工艺参数和边界条件与实际的符合程度,在很大程度上影响仿真的准确性。目前,有些仿真所选用的材料间的界面换热系数为一固定值,精度较低,而实际上界面换热系数通常是随温度或时间变化的一个值,即为一曲线函数。同时,随着新增合金材料及铸型材料的增加,界面的换热条件因材料的不同而变化,因此要提高铸造工艺仿真分析上的准确度,就要求测定新增材料间界面换热参数。图5是精确铸造工艺仿真技术流程。
        1.1材料模型
        根据铸锻件生产工厂的现场情况,对铸锻件生产的主、辅原材料,测定其热导率、比热、密度、热扩散率等热物性参数。

精确铸造工艺仿真技术流程

图5 精确铸造工艺仿真技术流程

        1.2界面模型和边界条件
        为了使仿真软件的分析适应铸锻件的实际生产现场情况,对引进的铸锻工艺仿真软件进行开发研究,研究铸型界面换热系数的测定方法,设计模拟件开展温度场测定,并经过理论建模和反求计算方法,从根本上提高铸造仿真的模拟精度。
        边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。通过热电偶等传感器检测计算获得准确的冒口和大气、铸件和铸型(或砂芯和冷铁)、锻件与模具、铸型和大气、冷铁和砂型(或砂芯)、铸型和地面等边界条件参数,建立适用于铸锻件的成形工艺仿真数据库。并成功应用于柴油机关键件的仿真分析。图6是热电偶放置图,图7是现场测温验证。

热电偶放置及铸造工艺截图

图6 热电偶放置及铸造工艺截图
现场测温验证

图7 现场测温验证

        测温点曲线对比如下:

热电偶测温曲线

图8 热电偶测温曲线

        图8是热电偶1、4、6测温曲线图。从试验数据得出结论:测试的3个位置点从浇注到冷却的温度曲线,最大偏差±10℃。可见,铸造工艺仿真精度得到了保障。

2 产品缺陷的实际复现验证

        对于热加工工艺的仿真分析,每一步都应以仿真精度提高为目标,与现场生产实际越贴合,结论才会越准确。开展实际复现研究是提高仿真精度的有效方法,以复现现场存在的产品缺陷等质量问题为突破口,确定产品的仿真判据。首先对同一种材料的试样、类比件复现验证,以效验材料模型的正确性;其次,再对同一种产品的历史工艺进行复现验证,通过数字化解剖、实物解剖方法逐一效验环境变量等条件的一致性,得到产品验收条件所对应的合理判据。
        2.1同一种材料的试样、类比件复现验证

试样浇铸工艺及其封闭区

图9 试样浇铸工艺及其封闭区
试样实际解剖图

图10 试样实际解剖图

        应用仿真软件对图9所示的试样进行了验证。选用NX构建实体模型;之后利用NX Advanced Simulation模块,高效地建立正确精准的CAE模型,将CAE模型输出给成型模拟软件,由仿真软件的计算可知,试验试样在凝固过程中存在封闭的液相区(图9),结合仿真软件对这些孤立区体积变化进行计算,对于试样a、b和c孤立区的体积变化进行计算,可知试样a、b均会出现缩孔缺陷,而且缺陷大小为a大于b,而对于试样c体积变化,则不会出现缩孔缺陷,这与实际浇铸试样的结果(图10)相吻合,如实反映了该试样的缩孔情况。材料试验完善了仿真软件的球墨铸铁缺陷预测功能,对仿真软件铸铁材料缺陷判据进行了回归及试验验证。
        2.2同一种产品的历史工艺的复现验证
        根据生产企业提供的技术资料:铸件或零件设计图纸、产品验收要求、铸造生产现场条件,如铸锻类型、工装条件等条件参数。以及生产企业提供的工作条件:现场工艺参数采集、现场工艺参数确定、模拟分析相关的材料试验,对同一种产品的历史工艺进行复现验证及判据优化。可采用数值模拟、可视化摄像、类比试验、首件实物验证相结合的方法,完成工艺仿真的数字化解剖及实际验证。验证结束后,与企业协商进行工艺改进。结合企业生产条件,通过优化工艺及成型参数,提前预测材料成型缺陷,以便在工艺定型前采取措施,最终形成适用于企业生产实际的铸锻热成型工艺方案。

3 高精度仿真实现三个重大“转变”

        计算机数值模拟仿真(简称CAE)的应用对传统生产模式进行了革新,是技术的高度集成和创新,为企业创新提供了不竭动力。高精度的热成型仿真促使铸锻件研制实现三个重大“转变”:
        第一个转变:仿真的“可视化”,由人工试错验证向计算机仿真参与验证的转变。材料热成型是一个复杂的过程,导致铸锻件品质难控制,需要产品和工艺设计前期的科学指导。图11为某铸件铸造工艺流场分析及抽取的内部复杂型腔模型。进行模型对照,实现浇注系统可视化分析。

850KW液压马达铸造工艺流场分析及抽取的内部复杂型腔模型

图11 850KW液压马达铸造工艺流场分析及抽取的内部复杂型腔模型

        第二个转变:仿真的“定量化”,由定性判定铸锻件缺陷向定量化判定铸锻件缺陷的转变。如图12所示。

图12 定量化分析固液相的位置与大小

图12 定量化分析固液相的位置与大小

        第三个转变:仿真的“集成化”,由“孤岛式”纸质工艺数据向集成数据库建立的转变。通过长期试验、验证等技术积淀,建立对应产品的工艺仿真数据库。
        高精度仿真研究与应用为大型复杂铸锻件的“可视化”、“定量化”和“集成化”奠定了基础,使产品实现了由“经验”制造向“精确”制造的飞跃。

4 结论

        高精度仿真的前处理参数必须从实际生产现场中来,即通过传感器采集获取实时数据。高精度仿真的后处理结果判定必须回倒实际生产现场中去,即采用虚实映射的情景复现验证方法获得校准,作为后续优化方案的基准。高精度仿真可以全新地改变传统铸锻行业生产流程,为铸锻件的一次研制成功提供技术指导,推进传统企业转型实现绿色制造。