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浅谈大锻件制造过程的智能化
信息来源: 发布时间:2017-5-22

刘建生  太原科技大学材料科学与工程学院院长、中国锻压协会首席专家

 

20155月,国务院正式颁布了《中国制造2025》,这是我国制造强国战略的行动纲领。《中国制造2025》聚焦在五大工程,即创新体系工程、智能制造工程、绿色制造工程、工业强基工程、高端装备工程,其中把智能制造工程作为主攻方向。两年来,智能制造在我国制造业全面展开,在一些领域进展迅速,如机器人、无人机等智能产品。与智能装备、智能产品相比,锻造等热加工基础制造行业的智能化发展似乎更为复杂。为此,以大锻件制造为例,谈谈对其制造过程智能化的一些看法。

一、大锻件生产特点及工艺科学化关键

大锻件是国家重型装备、重大工程建设所必需的重要基础部件,广泛用于冶金、矿山、能源、石化、船舶、军工等装备,在装备制造业占有十分重要地位,其生产制造能力和技术水平是衡量一个国家重大技术装备自给能力的重要标志,对国家的经济建设、国防力量、现代科学技术有着至关重要的意义。

大锻件是综合材料、冶炼、锻造、热处理和检测为一体的高技术产品,制造工艺流程长、技术难度大,其生产质量受钢锭原始组织、材料的热变形特性、组织变化行为、锻造火次设置、锻造工艺参数、变形方式、辅具结构及热处理工艺等众多因素的共同影响。此外,由于大锻件形大体重、品种多,单件或批量小,生产周期长,造价高,迫切要求“一次制造成功”。否则,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,无法对材料宏观、微观结构的演化进行控制,因而不能满足这一要求。20世纪80年代以来,随着计算机数值模拟技术的发展和完善,其在大锻件工艺模拟、工艺优化等方面得到越来越广泛地应用,逐步建立起在工艺模拟、优化基础上的热加工工艺设计技术,基于计算机设计、优化、仿真的科学技术和现代物理模拟及测试方法,在设计阶段同时考虑制造过程,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。

“十一五”以来,我国核电装备制造技术取得突破性进展。核电大锻件不仅数量多、种类繁杂,而且尺寸重量大、形状复杂。据测算一套1000MW核电装备中锻件达3070吨,大致可分为筒类件、封头类、饼类件、轴类件、环类件和管道锻件。其中,核反应堆压力容器(RPV)接管段及常规岛中汽轮机低压整体转子、发电机转子是超大型锻件,都需要500-600吨级特大型钢锭;RPV整体顶盖和接管段以及蒸汽发生器(SG)锥形筒体和水室封头为形状十分复杂的大锻件;SG管板、主管道则由于内部缺陷和组织控制难度大,其制造技术要求极高。我们在不到10年时间内完成了技术研发、产品试制到批量化生产,正是得益于广泛应用了数字化模拟技术,并与物理模拟、实验分析等方法集成,基本上掌握了核心制造技术,其中部分大锻件实现了“一次制造成功”。

如上所述,大锻件制造过程极其复杂,构建和应用数字化模拟技术、物理模拟及工艺试验集成化技术,是实现其制造过程的智能化重要途径。正如中国工程院院士、清华大学柳百成教授在2016第二届“中国制造2025与工业4.0全球年会”报告中指出:数字化设计与制造是智能制造的关键技术。

二、数字化设计与制造的几个基本问题

简言之,产品制造工艺的数字化设计与制造就是以计算机与模拟软件为平台,并基于材料各种模型,如塑性本构关系、动态再结晶模型、损伤模型等等,以及工艺模型、参数和其它有关数据,进行工艺过程的计算机仿真,获得工件内部的各种场变量分布及几何形状尺寸等大量计算结果,可以在虚拟现实(VR)再现制造过程。在此基础上,实现各种成型分析到组织、性能的预测,实现工艺优化。

众所周知,在冶铸、锻造、热处理等大锻件整个制造过程中,钢锭(锻件)内部的温度场是影响工艺控制和产品质量的关键因素之一。从理论上讲,温度场计算不太复杂,但要获得精确可靠的温度场计算结果并不容易,其关键在于所选用材料的热物性参数、界面传热系数等重要数据是否准确。因此,在具备适宜的计算机软件平台基础上,工艺过程的数字化设计与制造的质量就依赖于材料、工艺等相关模型和基础数据。如果没有这些数据,数字化建模只是空架子,其准确性对计算结果有很大影响。为此,要十分重视这些基础数据的获得。

以锻造工艺过程为例,其数字化设计与制造系统应包括数值模拟技术与物理模拟技术,并应注重其内在的集成机制,要点如下:

1、物理模拟是数值模拟建模的关键基础。为了准确模拟热锻过程,需要建立工件材料的塑性本构关系(应力应变关系)、变形组织演变模型、接触界面参数以及塑性、损伤等判据,若涉及温度场计算,还包括锻件和工具材料的热物性参数。物理模拟试验是获得上述基础数据的有效方法。这些数据的准确性与试样材料的来源、制备、试验参数范围、试验方法及设备仪器的精度有很大关系,如材料塑性本构关系可以用单向拉伸、单向压缩等试验方法,由于单向拉伸时会出现颈缩失稳现象,应变值较低,因此选用单向压缩试验为宜。

2、数值模拟是工艺方评价和工艺参数优化的主要手段,也是工艺模拟试验设计的依据。由于数值模拟可以提供整个变形过程十分翔实的相关数据,并且通过改变工艺参数对不同方案进行模拟分析,从各方案的对比中总结规律、分析原因,进而实现工艺的优化,确定工艺方案和主要工艺参数。对于一些重要的锻件,数值模拟还为其工艺模拟试验设计提供必要依据。大型锻造主要工艺参数可能涉及变形方式、变形量、变形温度、工具结构参数以及操作方式,如轴类大锻件的拔长工艺常用的有WHF法、FM法、JTS法等,相对压下量ΔH/H、变形温度、砧宽比W/H、翻料及走砧方式等是主要影响参数。

3、原则上讲数值模拟均需用工艺模拟试验校核,当两者有差别时,应以实验为准。要在大型锻造工艺研发的整体目标下设计工艺模拟试验,并与数值模拟研究充分结合,扬长避短,发挥两者的不同特长,认真论证试验的必要性与规模。对于数值模拟力不能及的问题或由于简化而导致误差过大的部位,可以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,尽量缩小试验规模,以节省费用和时间。

三、结束语

  《中国制造2025》为我国制造业及大锻件行业指明了未来的发展方向。大锻件制造过程的智能化是一项长期且十分艰巨的任务,就目前而言,不仅在技术上存在较大差距,并且在思想认识、体制机制、人才供给等方面也必须有较大转变。因此,需要行业企业、高校、科研院所及科技人员付出更加艰辛的努力,持之以恒,攻坚克难,实现大锻件制造强国的战略目标。

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