8-热加工过程的模拟与仿真

内容提要：本文首先论述了材料热加工工艺模拟研究的重大意义；回顾、分析了国内外热加工工艺模拟的研究历程和技术发展趋势和方向；提出了我国在该领域开展研究与应用工作的建议。

当前，金属材料仍是应用范围最为广泛的机械工程材料，材料热加工(包括铸造、锻压、焊接、热处理等)是机械制造业重要的加工工序，也是材料与制造两大行业的交叉和接口技术。

材料经热加工才能成为零件或毛坯，它不仅使材料获得一定的形状、尺寸，更重要的是赋予材料最终的成份、组织与性能。

由于热加工兼有成形和改性两个功能，因而与冷加工及系统的材料制备相比，其过程质量控制具有更大的难度。

因此，对材料热加工过程进行工艺模拟进而优化工艺设计，具有更为迫切的需求。

近二十多年来，材料热加工工艺模拟技术得到迅猛发展，成为该领域最为活跃的研究热点及技术前沿。

一、引言1.1 使金属材料热加工由"技艺"走向"科学"，彻底改变热加工的落后面貌金属材料热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，难以直接观察。

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。

我们必须控制这个过程使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态，必须使缺陷减到最小或将它驱赶到危害最小的地方去。

但这一切都不能直接观察到，间接测试也十分困难。

长期以来，基础学科的理论知识难以定量指导材料加工过程，材料热加工工艺设计只能建立在"经验"基础上。

近年来，随着试验技术及计算机技术的发展和材料成形理论的深化，材料成形过程工艺设计方法正在发生着质的改变。

材料热加工工艺模拟技术就是在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在试验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计。

它将使材料热加工沿此方向由"技艺"走向"科学"，并为实现虚拟制造迈出第一步，使机械制造业的技术水平产生质的飞跃。

热加工过程数值模拟仿真大赛
热加工过程数值模拟仿真大赛于2013年9月启动，通过动员和竞赛说明，介绍和宣传热加工过程数值模拟仿真大赛；然后组织学生报名，再由莫春立老师对参赛学生进行阶段性培训（见图1），讲解有限元软件的初级应用和高级应用，并针对不同的热加工模拟过程（热处理、焊接、锻压及铸造过程）进行培训。

在程序调试期间，学院提供了计算机工作站进行计算（见图2）。

图1 莫春立老师进行CAE讲座
（a）工作站7500
（b）移动工作站4600 图2计算机仿真工作站
图3部分竞赛成果
历时近四个月，大赛于12月27日进行了汇报评比。

由沙桂英、国旭明、
徐前刚、王继杰教授和莫春立、王艳晶、黄震威副教授以及季书记组成的评委对参赛各队的模拟结果进行了评审，评出一等奖二项，二等奖三项，三等奖三项。

部分竞赛成果见图3。

此次模拟大赛参赛的主要是全校大二以上的学生和研究生。

通过热处理、焊接、锻压及铸造等零件的热加工过程进行数值模拟仿真，提高了学生的计算机应用能力，同时，在模拟过程中学生对热加工工艺如焊接、锻造、热处理等工艺有了进一步的理解，对学习专业课程的兴趣大大增加。

通过参加培训、模拟计算与仿真，同学表示收获颇丰，在意识上重视计算机技术的发展，了解了当前计算机数值模拟与仿真技术在国内许多大型企业和国外许多企业得到的广泛的应用，以及具有广阔的应用前景。

在实际专业学习过程中重视相关课程的学习，乐于拥有良好的数值计算基础，为将来毕业后的就业奠定良好的技术基础。

引言热轧过程计算机模拟主要包括四个方面的功能,即:( 1 )模拟轧件、轧辊温度分布;( 2 )模拟应力、应变分布,求解轧制力、轧制力矩、功率、变形抗力;( 3)模拟轧件奥氏体晶粒尺寸及γ→α相变过程的组织变化:( 4 )预报轧件最终的机械性能(屈服强度,延伸率和硬度) <1,2 > 。

上世纪70年代,国外开始金属轧制过程中微观组织模拟的研究。

Sheffield大学的Sellars等人研究了C -Mn钢和含Nb钢热轧过程的微观组织演变,并首次提出板材从再加热到相变结束过程中组织演变的数学模型<3 > 。

80年代,我国开始热轧过程计算机模拟研究。

预测和控制热轧带钢组织与性能的意义在于:利用数学模型对热轧过程中的传热、应力—应变、组织变化等现象进行计算机预演与再现,从而优化钢种组分及轧制工艺,控制轧件性能、质量<4> 。

热轧过程的微观组织—性能模拟,是有限元数值模拟技术和工程优化理论在金属塑性成形领域中的应用和发展。

2热轧过程中微观组织模拟及试验方法在早期,优化金属塑性成形过程的基本方法是将主要工艺参数作为优化设计变量,而目标是产品中的温度分布均匀性。

随着组织模拟与优化研究的深入,目前将平均晶粒尺寸与实际晶粒尺寸之差定义为优化工作的最终目标,即把目标函数定义为所有单元体的晶粒尺寸与最终轧件的平均晶粒尺寸的均方差<5> 。

如图l 所示,在热轧流程中,加热过程使钢完全奥氏体化,包括碳氮化合物的溶解和奥氏体晶粒长大;在轧制及轧制间隙,钢坯发生奥氏体的回复和再结晶。

同时,组织变化影响材料的变形抗力;轧后冷却时,金属发生奥氏体相变和碳氮化合物的析出;最终产品的力学性能可由室温下金属的微观组织计算得到。

因此,描述轧制过程微观组织演变的物理冶金模型主要包括4个子模型:奥氏体再结晶模型、碳氮化合物析出模型、奥氏体相变模型和组织与性能对应关系模型<4> 。

图l热轧过程微观组织及性能预报模型流程图成熟的有限元软件在塑性力学方面可保证很高的精度,模拟的误差主要取决于边界条件和材料特征值是否正确。

热加工工艺模拟及优化设计技术一、技术概述热加工工艺模拟及优化设计技术是应用模拟仿真、试验测试等手段，在拟实的环境下模拟材料加工工艺过程，显示材料在加工过程中形状、尺寸、内部组织及缺陷的演变情况，预测其组织性能质量，达到优化工艺设计目的的一门崭新技术。

它的研究范围一般可分为：1．热加工过程的数值模拟。

通过建立能准确描述某一热加工工艺过程的数理模型及对数理方程的简化求解，动态显示该过程并预测其结果。

分为宏观（mm-m级）、微观（µm-mm级）、原子（nm-µm级）三个不同的模拟尺度。

2．热加工过程的物理模拟及专家系统。

通过得到准确的临界判据，检验、校核数值模拟的结果；用于影响因素十分复杂的工艺过程，作为数值模拟的必要补充。

3．热加工过程的基础理论及缺陷形成原理。

它是准确地建立过程数理模型，得到缺陷科学判据的研究基础。

二、现状及国内外发展趋势1．国内外发展现状材料热加工工艺模拟研究于1962年开始于铸造过程，进入70年代后，从铸造逐步扩展到锻压、焊接、热处理，在全世界形成了材料热加工工艺模拟的研究热潮。

经多年研究开发，针对常规铸造、冲压、热锻已经形成一批热加工工艺模拟商业软件；并已在铸造、锻压生产中得到一定应用，在注塑、焊接、热处理中的应用刚刚起步；同时数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。

2．发展趋势展望近年来，热加工工艺模拟不断向广度、深度拓展，其技术发展趋势是：（1）宏观－中观－微观已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸，轮廓的宏观尺度模拟（mm-m级）进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟（毫米量级）及微观尺度模拟（微米量级）阶段。

（2）单－分散－耦合集成模拟功能已由单一的物理场模拟普遍进入到多种物理场相互耦合集成的阶段，以真实模拟复杂的热加工过程。

（3）共性、通用－专用、特性由于普通铸造、冲压、锻造工艺模拟的日益成熟及商业软件的出现，研究工作的重点和前沿已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。

机械产品热加工工艺仿真标准研究
机械产品热加工工艺仿真标准研究
万向钱潮股份有限公司□李平一邱宝象
【摘要】本文从机械产品热加工工艺仿真的通用规则出发，面向不同机械制造企业、不同产品类型、不同产品开发模式、不同仿真软件平台，归纳出铸造、锻压、焊接等热加工工艺仿真普遍适用的总体要求和技术要点，提出热加工工艺仿真的精度和速度、物理仿真、系统集成等的规范化要求，并分别给出典型热加工工艺仿真的主要内容、主要步骤和关键要素等，为机械产品热加工工艺仿真提供指导和参考。

【期刊名称】机械工业标准化与质量
【年(卷),期】2017(000)007
【总页数】4
【关键词】热加工仿真标准
1 引言
按照《国家智能制造标准体系建设指南（2015版）》的要求，为了充分发挥标准的基础规范、技术支撑和示范引领的作用，促进仿真技术的广泛深入应用，推动机械行业企业建立数字化研发体系，形成智能制造新模式，促进智能转型，急需制定一批数字化仿真类标准满足企业的迫切需求。

随着制造信息化水平的不断提升，机械行业企业为应对激烈的市场竞争而不断提升自身生产效率和柔性化能力，使机械产品制造过程数字化仿真技术逐渐受到重视。

机械产品制造过程数字化仿真技术以产品全生命周期的数据为基础进行数字化模型的构建，基于数字化模型对产品制造过程进行仿真，进而优化和重组制造系统。

目前的机械产品制造过程数字化仿真系统，由于相关标准的缺。

第三章物理模拟技术在焊接领域的应用3.1焊接热循环曲线及其基本参数焊接是通过连接处的局部熔化或相互扩散，将简单零件拼接成大的复杂零件或构件的一种加工手段。

图3.1描述了一个手工电弧焊接过程的示意图及其焊接接头的横截面剖视图。

焊接过程中，处于热源(电弧沖心区的焊件部位将熔化而成为焊缝，而离电弧较远的部位仍处于固态，但都受到焊接热的作用。

由图3.1中A向视图可知，焊接接头由焊缝(焊条与母材熔化混合后经化学冶金反应而结晶凝固成的结合体)及热影响区(固相母材中受电弧加热而引起组织或性能发生变化的区域)所组成，焊缝与热影响区的交界线称之为熔合线。

无论是熔化焊或固态焊接，通常接头中的母材将被加热到高温，而且，升温速度髙，冷却速度快，形成一种与普通热处理大不相同的特殊的热循环。

图3.2所示就是典型的熔焊接头热影响区内各部位所经历的不同焊接热循环(WeldingThermalCycle)曲线。

图3.1手工电弧焊焊接示意图图3.2距离焊缝不同各点的焊接热循环曲线在实际焊接过程中，焊接接头除经受热循环外，还同时经历应力、应变循环。

这是由于焊接过程中被焊接头中各部位经受不均匀的加热和冷却，使焊件中产生不均匀的膨胀、收缩而引起局部弹、塑性应变，从而在接头中形成了内应力、应变场，并往往导致焊后的残余应力和变形。

因此，研究焊接热循环曲线的特征及其塞本参数，进而计算、预测和评定焊接接头的受热受力情况及其带来的各种后果，是从事物理模拟技术在焊接领域研究的基础与前提。

3.1.1焊接热循环的主要参数及其物理意义图3.3示出了一条热循环曲线及其主要参数，它标志着在焊件的焊接热影响区上某一点在热源作用下所经历的热过程，亦即该点上的温度随时间的变化过程。

从图中看出，当焊接热源以一定的速度运动时，焊件上某点瞬时得到的能量是有限的。

对于近缝区某点来说，加热的开始阶段，由于电弧距离较远以及热量向焊件基体内部的传导，该点温度升高较慢，随着电弧的移近和焊缝周围金属的加热趋于饱和，该点的温度将急剧上升，并在峰温处维持一定时间，此时从该点导走的热量与电弧注入的热量相平衡。

1368.2 加工功能介绍仿真加工就是利用制造工程师软件模拟实际生产中每一道加工过程，将刀具在加工时的运行轨迹显示出来，并对加工轨迹进行动态图像模拟，实现刀具对毛坯切削的显示，以检查加工轨迹的正确性。

CAXA制造工程师通过轨迹仿真器可直观、精确地对加工过程进行模拟仿真，并且可以在仿真过程中实现以下功能：●可以调节仿真时的速度，还可以随意放大、缩小、旋转以便于观察细节。

●能显示多道加工轨迹的加工结果。

●仿真过程中可以检查刀柄干涉、快速移动过程（G00）中的干涉、刀具无切削刃部分的干涉情况。

●可以将切削残余量用不同颜色区分表示，并把切削仿真结果与零件理论形状进行比较等。

制造工程师仿真加工分为两个步骤，首先需要选择正确的加工方法使软件生成加工轨迹，然后启动轨迹仿真器进行轨迹仿真。

一个毛坯件采用的加工方法不同，其生成的加工轨迹也不同。

8.2 常用加工方法前面已经提到，在生成轨迹前需要根据毛坯采取正确的加工方法，所以了解各种加工方法的区别是非常必要的。

本节将针对几种主要粗加工方法（区域式粗加工、等高线粗加工、扫描线粗加工、摆线式粗加工、插铣式粗加工、等壁厚粗加工、导动线粗加工）的加工参数分别进行讲解。

当然，实际生产中加工方式远远不止这些，如果对其他没有涉及到的加工方式感兴趣可以参考相关书籍。

其他参数的含义（切入切出、切削用量、下刀方式、刀具参数、加工边界）在不同的加工方法中基本相同，可参考本书第7章中的相关内容，这里不再复述。

选择加工方式可以通过单击“加工”主菜单下的子选项来实现，如图8-1所示。

第8章 仿真加工1378.2.1 区域式粗加工区域式粗加工是根据给定的轮廓和岛屿，生成分层的加工轨迹，如图8-2所示。

单击“加工”主菜单下的“粗加工”，选择“区域式粗加工”。

这时将会弹出“加工参数”设置对话框，如图8-3所示。

图8-1 选择加工方式CAXA制造工程师2006基础实例教程138图8-2 轮廓和岛屿图8-3 区域式粗加工设置第8章 仿真加工139【相关参数】 1．加工方向加工方向的设定有两种选择：顺铣或逆铣。

一热模拟的原理物理模拟是指缩小或放大比例，或简化条件，或代用材料，用试验模拟来代替原型的研究。

对于材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件，借助于某些实验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热与受力的物理过程，充分而精确的暴露于揭示材料或构件在热加工过程中的组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。

材料现代物理模拟技术是一种高技术。

它融材料科学，传热学，力学，机械学，工程检测技术，电子模拟技术以及计算机领域的知识和技能为一体，构成了一个独特的，跨学科的专业领域。

二热模拟技术在研究焊接热裂纹方面的应用热模拟技术经过近三十年的试验研究，已经成为一种比较成熟的研究手段，可用于研究焊接热裂纹。

利用焊接热模拟技术，可以用于新合金的研制阶段，探讨合金产生裂纹的冶金过程，从而研究出焊接性能良好的材料，而且在常规实验的基础上，作为一种实验方案来推测材料的焊接性能。

三热塑性试验一般来说，焊接热裂纹发生在焊接过程的高温冷却阶段，由于金属的塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性变形而导致开裂。

因此，热模拟技术便被应用于测量金属的高温塑性，作为评价金属材料热裂纹敏感性的重要方法。

1 早期的研究早期的工作从1949年开始，Nippers等人把金属材料再加热过程中的塑性降低作为评定其裂纹敏感性和合理性选材的标准，用断面收缩率来表示热塑性。

1957年Nippers等人报道了他们对十七类34重金属材料所做的热塑性实验结果。

在这一时期的实验研究中，加热的峰值温度都定在加热时的零塑性温度点，虽然也对试样的强度进行测量，但并没有吧测量结果与实际的焊接性能联系起来。

2 热强度1963年，Williams 等人通过研究发现热强度的测量应当是裂纹敏感性试验的重要组成部分，热强度的恢复情况也是决定热裂纹敏感性的重要指标。

Solda 等人解释：虽然塑性在冷却过程中恢复缓慢，但强度恢复缺很迅速。