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1、热加工工艺过程热加工工艺过程模拟与仿真模拟与仿真 报告内容报告内容1.1. 意义意义 2. 工艺模拟工艺模拟3. 工艺模拟研究方向工艺模拟研究方向4. 微观组织模拟微观组织模拟5. 微观研究方向微观研究方向6. 结论结论 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。 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。要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（如缩孔、缩松、热裂等）减到最小或将它驱赶到危害最小的地方去。但这一切很难直接观察到，间接测试也
2、十分困难。1、意义意义 热加工是装备制造业的基础，热加工产品的质量和成本直接影响着后道工序的产品质量和经济效益。检验检验粗加工粗加工精加工精加工热加工热加工零件零件检验检验 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。 如三峡水电机组，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，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。 总之，热加工工艺
3、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。 热加工工艺过程模拟内容包括：宏观热加工工艺过程模拟内容包括：宏观介观介观微观微观 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、性能为目的的介观尺度模拟(毫米量级)（缩孔、缩松、夹杂、宏观偏析、热裂、冷裂）及微观尺度模拟阶段（微米级）（结晶、再结晶、微观偏析、扩散、气体析出、相变等，甚至达到单个枝晶的
4、尺度）。 模拟目的主要是解释事物的本质，根据经验及凝固理论，推测产生缺陷的位置，并验证理论的正确性。工艺模拟可以做到事前预测，防止缺陷发生。由于材料形成过程的复杂性，要真正做到仿真还是有一定的距离。仿真仿真模拟模拟2 2、宏观工艺过程模拟、宏观工艺过程模拟（以支承辊为例）（以支承辊为例）CSiMnSPCrNiMoV0.35 -0.450.4-0.60.50-0.700.0150.0153.50-4.500.40-0.600.50-0.700.12-0.15支承辊的材料为支承辊的材料为Cr4，其化学成分如下，其化学成分如下：零件净重零件净重26吨吨铸件：重铸件：重40吨吨1435mm1615mm
5、4926 mm造型造型铸型预热铸型预热铸型装配铸型装配浇注浇注打箱打箱去应力及均去应力及均匀化热处理匀化热处理粗加工粗加工差硬热处理差硬热处理精加工精加工组织及力学组织及力学性能检测性能检测钢水冶炼钢水冶炼无损检测无损检测铸造工艺铸造工艺设计设计大型铸钢支承辊整体铸造工艺设计大型铸钢支承辊整体铸造工艺设计铸钢支承辊生产流程图铸钢支承辊生产流程图浇注系统设计浇注系统设计铸型设计铸型设计铸型材料的选用铸型材料的选用浇注工艺确定浇注工艺确定铸造工艺计算机模拟流程图铸造工艺计算机模拟流程图 铸件和铸型的铸件和铸型的几何造型几何造型对铸件作网格剖分，离对铸件作网格剖分，离散到所需的单元尺寸，散到所需的单
6、元尺寸，修正表面形状修正表面形状求解能量、动量等求解能量、动量等控制方程及缺陷预控制方程及缺陷预测的各种判据函数测的各种判据函数计算结果显示与分析计算结果显示与分析边界条件与初始条件边界条件与初始条件金属与铸型材料热物金属与铸型材料热物性参数数据的输入性参数数据的输入确定工艺确定工艺修改工艺设计修改工艺设计是是否否工艺是工艺是否合理否合理自然冒口，自然冒口，从底部到顶从底部到顶部的顺序凝部的顺序凝固方式固方式无气隙平稳充无气隙平稳充型浇注系统型浇注系统整个工装有整个工装有9m高，总高，总重约重约130吨。吨。整体铸造工艺装配图整体铸造工艺装配图应用计算机模拟技术进行工艺设计应用计算机模拟技术进
7、行工艺设计设计冒口设计冒口验证浇注系统设计是否合理验证浇注系统设计是否合理设计铸型设计铸型确定浇注工艺参数确定浇注工艺参数确定打箱时间确定打箱时间2.1.1 计算机模拟方法设计冒口计算机模拟方法设计冒口传统冒口设计方法传统冒口设计方法v模数法模数法v比例法比例法v补缩液量法补缩液量法v三次方程法三次方程法计算无冒口铸计算无冒口铸件的凝固过程件的凝固过程计算冒口计算冒口计算机模拟方法计算机模拟方法2.1 工艺初步设计及其计算机验证工艺初步设计及其计算机验证冒口计算结果冒口计算结果计算的高径比为计算的高径比为1的冒口的冒口计算的高径比为计算的高径比为1.5的冒口的冒口 选用高径比选用高径比为为1.
8、5 冒口冒口2.1.2 浇注系统设计浇注系统设计浇注系统的作用浇注系统的作用控制浇注速度控制浇注速度控制浇注时间控制浇注时间控制金属液流入铸型时的线速度控制金属液流入铸型时的线速度 直浇道横浇道内浇道铸件型腔直浇道横浇道内浇道铸件型腔开放式浇注系统开放式浇注系统封闭式浇注系统封闭式浇注系统平稳充型浇注平稳充型浇注系统系统v控制充型过程的平稳性控制充型过程的平稳性v防止气体和夹杂物卷入金属液中防止气体和夹杂物卷入金属液中v提高工艺出品率提高工艺出品率浇注系浇注系统包括统包括浇口杯浇口杯直浇道直浇道横浇道横浇道内浇口内浇口2.1.3 铸型设计铸型设计顺序凝固原则顺序凝固原则金属型挂砂工艺金属型挂砂
9、工艺下辊颈采用厚大下辊颈采用厚大金属型金属型+薄挂砂层薄挂砂层凝固速度最快，定向凝固速度最快，定向向辊身凝固，圆弧处向辊身凝固，圆弧处快速建立起强度快速建立起强度辊身采用厚大金辊身采用厚大金属型属型+薄挂砂层薄挂砂层获得柱状晶组织，提获得柱状晶组织，提高金属型使用寿命高金属型使用寿命上辊颈采用上辊颈采用厚的挂砂层厚的挂砂层保证顺序凝固保证顺序凝固自然保温冒口自然保温冒口减少人为因减少人为因素的影响素的影响2.1.4 铸型材料的选用铸型材料的选用金属型金属型铸铁铸铁砂型砂型铬铁矿砂铬铁矿砂碱性酚醛树脂碱性酚醛树脂锆英粉涂料锆英粉涂料保温材料保温材料保温板保温板发热覆盖剂发热覆盖剂直浇道底部直浇道
10、底部和横浇道和横浇道耐火砖耐火砖2.1.5 铸造工艺整体设计思想铸造工艺整体设计思想整体设计思想整体设计思想充型过程获得充型过程获得纯净金属液纯净金属液凝固过程实凝固过程实现顺序凝固现顺序凝固无气隙平稳充无气隙平稳充型浇注系统型浇注系统金属型挂金属型挂砂工艺砂工艺自然保温冒口自然保温冒口1. 充型过程模拟（计算机验证浇注系统设计是否合理）充型过程模拟（计算机验证浇注系统设计是否合理） 模拟的初始条件：浇注模拟的初始条件：浇注温度为温度为1540，铸型预，铸型预热温度为热温度为150,剖分网剖分网格数为格数为100万单元。万单元。铸钢支承辊组装图铸钢支承辊组装图带浇注系统铸钢支承辊带浇注系统铸钢
11、支承辊充型模拟可以预测充型模拟可以预测卷气、浇不足和冷卷气、浇不足和冷隔缺陷。隔缺陷。2.1.6 铸造工艺初步设计验证铸造工艺初步设计验证流场模拟结果流场模拟结果(a)t=2s(a)t=3s(c)t=565(a) (b) (c) (d)温度场模拟结果温度场模拟结果 2. 温度场模拟（计算机验证冒口设计是否合理）温度场模拟（计算机验证冒口设计是否合理）充型凝固后产生的缩孔充型凝固后产生的缩孔 缩孔深缩孔深964mm缩孔位置模拟验证初次工艺设计思想是否合理方案一的装配图方案一的装配图 初始条件：浇注温度为初始条件：浇注温度为1540，铸型，铸型预热温度为预热温度为150，铸件，铸件/ /铸型的界面
12、铸型的界面换热系数为换热系数为10001000W/m2 K，剖分，剖分200万万单元单元方案一：下辊颈金方案一：下辊颈金属型直径属型直径2500mm.2500mm.方案二：下辊颈金方案二：下辊颈金属型直径属型直径2167mm.2167mm.2.2 2.2 根据凝固过初次模拟结果确定铸型设计方案根据凝固过初次模拟结果确定铸型设计方案方案一温度场模拟结果方案一温度场模拟结果(a) t=3745s(b) t=7320s(c) t=14471s方案一缩孔模拟结果方案一缩孔模拟结果缩孔深缩孔深1046mm方案二温度场模拟结果方案二温度场模拟结果(a) t=3625s(b) t=9013s(c) t=16
13、237s方案二缩孔模拟结果方案二缩孔模拟结果缩孔深度缩孔深度为为948mm优先选用第二种方案优先选用第二种方案金属型重量减轻金属型重量减轻20吨吨 不同浇注温度、铸型预热温度、界面换热系数的缩孔模拟结果不同浇注温度、铸型预热温度、界面换热系数的缩孔模拟结果Tp:1540Tm:150，H:1100W/m2 K Tp:1580Tm:150，H:1100W/m2 K Tp:1540Tm:100，H:800W/m2 K Tp:1510Tm:100，H:1500W/m2 K 确定浇注工艺：确定浇注工艺：浇注温度浇注温度155015505 5，铸型温度控制，铸型温度控制1501501010 2.3 2.3
14、 确定浇注工艺参数确定浇注工艺参数2.3 工艺模拟试验验证工艺模拟试验验证500kg小小型型轧轧辊辊装装配配图图加工后的小轧辊加工后的小轧辊验证造型材料的使用性能验证造型材料的使用性能, ,确确定造型工艺定造型工艺, ,验证浇注系统验证浇注系统. .500kg轧辊的充型过程模拟结果轧辊的充型过程模拟结果铸造轧辊冒口处缩孔加工后的轧辊超生波检测的缺陷超声波探伤缺陷位置示意图超声波探伤缺陷位置示意图计算机模拟预测缩孔位置计算机模拟预测缩孔位置2.4 生产实践生产实践大型铸钢件实际浇注过程大型铸钢件实际浇注过程轧辊的铸造毛坯轧辊的铸造毛坯铸钢支承辊毛皮粗检铸钢支承辊毛皮粗检铸件整体表面质量完好铸件整
15、体表面质量完好, ,粗加粗加工后探伤内部没有缩孔缺陷工后探伤内部没有缩孔缺陷应力场模拟及热裂预测应力场模拟及热裂预测铸造过程应力模拟的数学模型铸造过程应力模拟的数学模型热弹性模型热弹性模型热弹塑性模型热弹塑性模型热粘弹塑性模型热粘弹塑性模型Heyn模型模型Perzyna模型模型内部统一变量模型内部统一变量模型准固相区间的流变学模型准固相区间的流变学模型精确度高，应精确度高，应用广泛用广泛热裂理论与热裂判据热裂理论与热裂判据热裂理论热裂理论液膜理论液膜理论强度理论强度理论晶间搭桥晶间搭桥凝固收缩补偿凝固收缩补偿热裂预测判据热裂预测判据基于凝固条件与补缩能力的热裂基于凝固条件与补缩能力的热裂模拟模
16、拟基于铸件高温应力应变场的热裂基于铸件高温应力应变场的热裂模拟模拟 当铸件中的薄弱环节当铸件中的薄弱环节(如如热节中的脆性区或液膜热节中的脆性区或液膜等等)的应力或者变形超过的应力或者变形超过某一临界值时就会导致某一临界值时就会导致热裂纹的产生热裂纹的产生模拟中采用基于应变的判据模拟中采用基于应变的判据第一次浇注工艺的轴向应力模拟结果第一次浇注工艺的轴向应力模拟结果(a) t=10h 10min(b) t=13.5h改进工艺方案的轴向应力模拟结果改进工艺方案的轴向应力模拟结果(a) t=5h(b) t=6.8h两种工艺方两种工艺方案的最大应案的最大应力相同，但力相同，但改进方案作改进方案作用时间短用时间短热裂倾向预测结果热裂倾向预测结果第一次浇注方案第一次浇注方案 t=10h 10min改进方案改进方案 t=5h第一次浇注第一次浇注工艺的热裂工艺的热裂倾向是改进倾向是改进工艺的工艺的2.52.5倍倍3 3、宏观工艺模拟研究方向、宏观工艺模拟研究方向 1 1） 单一分散单一分散耦合集成耦合集成 模拟功能由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场模拟进入耦合集成阶段。包括：流场温度场；温度
