材料热加工工艺模拟的研究现状及技术发展趋势

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　　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。 (作者：房贵如)
　　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。
　　0、引言
　　0.1 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。
　　0.2 是预测并保证材料热加工过程质量的先进手段，特别对确保关键大件一次制造成功，具有重大的应用背景和效益
　　我国重大机电设备研制、生产的一个难点是大件制造;大件制造的关键又是热加工。我国在2015年以前，水电、火电、核电、冶金、矿山、石化等重大机电设备对关键大件制造均有迫切的需求。以三峡水电机组为例，单机容量达70万千瓦，五大部件(转轮、蜗壳、主轴、座环、顶盖)的重量和尺寸均居世界第一。其转轮直径达9.8米，重量达500吨，采用铸焊结构，制造难度很大。
　　由于大件形大体重，品种多，批量小，生产周期长，造价高，迫切要求“一次制造成功”，一旦报废，在经济和时间上都损失惨重，无法挽回。由于传统的热加工工艺设计只能凭经验，采用试错法(Test and Error Method)，无法对材料内部宏观、微观结构的演化进行理想控制，因而发生多次大件报废的惨痛事故，投入使用的大件，也难以消除缩孔、缩松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺陷，很多大件带伤运行。建立在工艺模拟、优化基础上的热加工工艺设计技术，可以将“隐患”消灭在计算机拟实加工的反复比较中，从而确保关键大件一次制造成功。这已为国内外不少应用实例所证实。
　　0.3 是实现快速设计制造、虚拟设计制造、分布式设计制造的技术基础
　　热加工是制造业的重要工序，制造业的发展及制造模式的变革离不开热加工的技术进步。美国国家科学基金会(NSF)用“知识/自动化的不同发展阶段对制造业的影响”的图表(见图1)形象地说明设计制造技术水平对知识及自动化的依赖关系[1]。从知识这一坐标看，人类经历了从技艺→手册指导→专家系统的过程，要达到更为完善的水平，必须进行过程/工艺模拟。因为只有通过模拟仿真，人们才能认识过程的本质，预测并优化过程的结果，并快速对瞬息万变的市场变化作出设计及工艺的改变;另外，只有通过过程模拟，才能使设计与制造联成一体。它是实现快速设计、制造，拟实设计、制造以及分布式设计、制造的知识(技术)基础。
　　0.4 本领域是多项学科的交叉，对应用高新技术改造传统学科进而开拓新兴工程技术学科具有重大意义
　　本研究领域涉及金属材料的铸造、锻压、焊接、 热处理等热加工学科;物理化学、计算数学、图形学、材料成形理论、传热学、传质学、流体力学、固体力学、金属学、金属物理学等技术基础学科;计算机应用、测试技术、网络技术、新材料等高新技术学科。本项研究的学术价值在于：以现代计算机、测试技术为手段，架起技术基础学科与金属材料热加工的桥梁，使基础学科的理论能够直接定量地指导材料热加工过程，体现了基础学科、高新技术与材料热加工学科三者之间的相互交叉和有机结合。它使材料热加工学科由“技艺”真正成为一门“科学”，它将推动材料热加工理论、计算机图形学、计算机金相学、计算机体视学、计算传热学、计算流体力学、并行工程等新兴交叉学科的形成发展。
　　图1 知识/自动化的不同发展阶段对制造业的影响

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　　1、材料热加工工艺模拟的研究历程及技术发展趋势
　　材料热加工工艺模拟研究开始于铸造过程，这是因为铸件凝固过程温度场模拟计算相对简单。1962年，丹麦 Forsund首次采用计算机及有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算[2]，继丹麦人之后，美国在60年代中期在NSF资助下，开拓进行大型铸钢件温度场的数值模拟研究，进入70年代后，更多的国家(我国从70年代末期开始)加入到这个研究行列，并从铸造逐步扩展到锻层、焊接、热处理。在全世界形成了一个材料热加工工艺模拟的研究热潮。在最近十几年来召开的材料热加工各专业的国际会议上，该领域的研究论文数量居各类论文的首位;另外从1981年开始，每两年还专门召开一届铸造和焊接过程的计算机数值模拟国际会议，至今已举办了八届。近一、二十年来，材料热加工工艺模拟技术不断向广度、深度扩展，其发展历程及发展趋势有以下七个方面。
　　1.1 宏观→中观→微观
　　材料热加工工艺模拟的研究工作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(米量级)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)及微观尺度模拟阶段，研究对象涉及结晶、再结晶、重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变等微观层次，甚至达到单个枝晶的尺度。
　　1.2 单一分散→耦合集成
　　模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场模拟普遍进入到耦合集成阶段。包括：流场←→温度场;温度场←→应力/应变场;温度场←→组织场;应力/应变场←→组织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。
　　1.3 共性、通用→专用、特性
　　由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的常规热加工，特别是铸造、冲压、铸造工艺模拟技术的日益成熟及商业化软件的不断出现，研究工作已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。主要有以下两个方向：
　　(1) 解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题：
　　为铸造专业中的压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连续铸造、电渣熔铸等;锻压专业中的液压胀形、楔横轧、辊锻等;焊接专业中的电阻焊、激光焊等。
　　(2) 解决热加工件的缺陷消除问题
　　应用模拟技术，已经成功地解决了大型铸钢件的缩孔、缩松，模锻件的折叠及冲压件的断裂、起皱问题，目前的研究热点集中在铸件的热裂、气孔、偏析;大型锻件的混晶;冲压件的回弹;焊接件的变形、冷裂、 热裂;淬火中的变形等常见缺陷的预防和消除方法的研究。
　　1.4 重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究
　　数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟的精度和速度是当前数值模拟的研究热点，为此非常重视在热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得与积累等基础性研究，为此需要多个专业学科的研究人员通力合作才能有所突破。
　　1.5 重视物理模拟及精确测试技术
　　物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。有以下一些新的动向：
　　(1) 应用高新技术，设计、开发新型物理模拟实验方法及装置。
　　现举两例：
　　①.美国衣阿华大学以乙二烃作为模拟物质(其结晶过程与金属相似，且本身透明，易于观看)， 通过四个CCD摄象机连续观察并记录其结晶过程，可以直接观看重力、对流等因素对结晶的影响，十分直观。
　　②.美国密西根大学吴贤铭制造中心研制的冲压件表面大应变量的激光测量系统：应用装在三坐标测量仪上的激光探头大视野扫描带变形网格的冲压件，经数据处理后，成为校核数值模拟结果的有效手段。
　　(2) 正确、合理处理数值模拟与物理模拟(含实验验证)之间的关系
　　①.根据模拟对象，合理确定两者的应用比例：
　　一般来讲：工件越大，设备越庞大，则数值模拟的作用及工作量比例越大。
　　以美国净成形工程研究中心(NSW/ERC)的研究工作为例，数值模拟占工作量比例分别为：
　　模锻：80%;管件液压成形：50%;切削30%。
　　②.扬长避短，发挥两者的不同特长
　　为此，要准确了解模拟软件的功能，对于软件力不能及的问题或由于简化而导致误差过大的部位，通过实验或物理模拟，进行修正;一旦确定了数值模拟的误差并加以修正后，应尽量发挥数值模拟的作用，以节省实验的花费。NSM/ERC在管件成形中，先采用实验确定单道次胀形机理并修正有限元数值模拟误差后，然后用有限元方法进行多道次工艺模拟，并完成预成形与最后胀形工序的协调。这种配合充分发挥了两者的长处。
　　一般来讲，数值模拟均需用实验或物理模拟方法校核，当两者有差别时，应以实验为准。
　　(3) 高度重视基础数据的测试技术
　　为了模拟材料的热加工过程，需要了解工件及模具(或铸型、介质、填充材料等)材料的热物性参数、高温力性参数、几何参数、本构参数、接触、摩擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等各种初始条件、边界条件的数据。没有这些数据，模型只是空架子;而这些数据的准确性对计算结果有很大的影响，为此，最近十分重视这些基础数据的获得。例如，为获得准确的摩擦边界数据，锻压工艺模拟的研究项目大多进行专门的摩擦实验来测量摩擦系数，并发现常用的库仑定律与实际情况有很大的差别。
　　材料的热物理及力性参数数值的一般获得途径是：通用材料主要靠查表;特殊材料由用户提供;尚无法通用实验获得的高温数据用外推法。
　　1.6 在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分
　　起初，工艺模拟多是孤立进行的，其结果只用于优化工艺设计本身，且多用于单件小批量毛坯件生产。近年来，已逐步进入大量生产的先进制造系统中，实现以下三种不同方式的集成。
　　(1) 与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成
　　美国金属加工先进技术研究中心(NCEMT)在海军资助下，正在开展并行工程环境下的RP2D(Rational Product/process Design)技术。将铸造工艺模拟与产品、模具设计和加工结合起来。
　　(2) 与零件加工制造系统集成
　　在零件加工制造系统中，工艺模拟作为重要的支撑技术，并朝着将模拟结果作为系统的过程闭环控制的参数这一方向努力。美国吴贤铭制造中心研究的“接近零余量的敏捷及精密冲压系统”及“智能电阻焊系统”等都属于这种类型。
　　3) 与零件的安全可靠性能实现集成
　　美国西北大学在航空重要复杂铸件的研究中，将模拟结果与铸件的性能，特别是安全可靠性联系起来，开发了铸件的安全临界设计系统(Safety critical casting design system)，用于指导铸件的损伤容限设计。
　　1.7 以商业软件为基础，改进提高研究与普及应用相结合
　　(1) 经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件
　　主要有MAGMA、PROCAST、SIMULOR、SOLDIA、SOLSIAR、AFS Solidification System3D(铸造)、DEFORM、AUTOFORGE、SUPERFORGE (体积塑性成形)、DYNA3D、PAM-STAMP、ANSYS (板料塑性成形)、ABAQUS (焊接)等。
　　(2) 已在铸造、锻压行业生产中得到较广泛应用
　　如日本已有约10%铸造工厂采用此项技术;美国福特、通用汽车公司在开发新车型时，已将板材冲压过程的数值模拟作为一个重要技术环节;法国应用此技术对400吨重的核电转子锻件的锻造工艺进行了校核、优化，确保了一次制造成功。
　　(3) 数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。
　　在工业发达国家(如美国)，应用商业软件进行数值模拟已成为与实验同样重要的实现技术创新，开发新工艺的基本研究手段。
　　(4) 选择合适的商业软件为软件平台，结合具体问题，进行改进提高研究，逐步成为多快好省的研究方法。具体方式有：
　　①.对现有软件的某些技术问题进行理论研究;
　　②.为解决具体问题插入自编软件模块;
　　③.应用理论分析补偿法、实验补偿法等，找出并消除商用软件的误差，使模拟结果更精确;
　　④.与软件公司合作，增加软件功能，实现软件升级。
　　2、对我国开展热加工工艺模拟研究与应用的建议
　　我国七十年代末，从铸造行业开始，开展了该领域的研究工作。十几年来，在机械部、国家科委、国家自然科学基金会的支持下，在本领域的研究工作先后全面展开，全国很多单位投入这项工作，已在全国形成了一个较大的研究热潮。研究工作基本紧跟国外技术前沿的步伐，已从宏观模拟进入微观组织模拟阶段，并已开展并行工程环境下的模拟集成工作。特别是1997年国内多家研究院所和大学联手建议的“金属材料热成形过程的动态模拟及组织性能质量的优化控制”获得国家科委及机械部(基金会)的联合资助，入选国家攀登计划预选项目，为我国赶超世界先进水平提供了很好的条件。
　　根据本文对该领域研究历程及技术发展趋势的分析，结合我国情况，提出以下发展建议：
　　2.1 加强模拟软件商品化工作。
　　通过多年研究，我国已形成一些准商品化软件，如FTSOLVER 4.0、SIMU-3D等。但与工业发达国家相比，存在有较大的差距，我们应采取多种方式(自主开发、与国外软件公司合作开发、在已有商业软件中插入自主开发模块，实现软件升级等)加快模拟软件商品化工作，开发出有自主版权的商品化软件。特别要注意尽量应用国内外比较成熟的软件平台(特别是前后处理)，避免一切从零开始，做低水平的重复。
　　2.2 大力普及已经成熟的热加工工艺模拟技术
　　要在工厂及研究单位(包括大学的研究小组)普及热加工工艺模拟技术，使之成为优化工艺设计、科研攻关、技术创新的重要手段。普及方式可以购买、使用商业软件，也可采用比较成熟的国内开发的单项技术或模块。
　　2.3 重视物理模拟及测试技术的配合使用，提高数值模拟的精度
　　在重视工艺数理模型及算法研究的同时，要重视加强物理模拟及测试技术，使其在揭示过程本质、检验、校核数值模拟结果，提高模拟精度方面发挥重要的作用。
　　2.4 集中优势力量，瞄准有限目标，攀登世界先进水平。
　　我国目前的研究工作，有一些已接近或达到世界先进水平。如：
　　*·焊接凝固裂纹精确评价技术及开裂判据;
　　*·焊接氢致裂纹精确评价技术及开裂判据;
　　*·伴随有动态再结晶过程的金属热塑性本构关系;
　　*·三维塑性成形晶粒度演化模拟及组织预测;
　　*·板料成形模拟的半显示时间积分的有限元算法;
　　*·金属材料准固相区热应力本构方程及模拟仿真;
　　*·电渣熔铸工艺过程三维模拟及优化;
　　*·球墨铸铁及镍基合金的微观组织模拟;
　　*·固态相变条件下弹塑应力场应变分量的理论分析及模拟;
　　*·并行工程环境下金属热成形模拟仿真。
　　我们应瞄准上述有限目标，集中优势力量，刻苦攻关，争取作出较大的成绩，攀登世界科技前沿水平。
　　2.5 多渠道资助热加工工艺模拟技术研究
　　除国家攀登计划资助基础性及前沿研究工作，国家及部门级各类计划都应把过程/工艺模拟技术的研究、开发及应用作为资助重点，支持不同层次的工作。
　　主要参考文献
　　[1] 机械科学研究院、机械部先进制造技术研究中心，美国材料热加工工艺模拟技术考察报告，1998年5月
　　[2] 张毅，铸凝固数值模拟及铸造工艺CAD现代进展，铸造，1987年，№6 P8～12
　　[3] Anand J.Paul and Oliver J.Huey.U.S.Navy Program Advances Casting Technology，Modern Casting，1992(3)：P26～28
　　[4] 国家自然科学基金会工程与材料科学部，机械工程科学技术前沿，机械工业出版社，1996年。P76～80
　　[5] 柳百成等。铸造工艺计算机辅助设计研究进展，机械工程学报，1994。29(5)，P28～33
　　[6] 机械部科技与质量监督司，日本、美国机械与汽车制造技术考察报告 1996年12月

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