[发明专利]一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法

说明书

技术领域

本发明属锻造技术领域，涉及一种预测矩形截面大锻件经历多道次的平砧拔长后轴向中心线上空洞闭合率的方法。

背景技术

大锻件是航空、核电、化工、造船，冶金等重大工程和装备的关键零部件，质量要求高，加工困难，成本极高，其工艺制定几乎不允许失败。大锻件一般以大型铸锭为原材料，由于大型铸锭通常存在严重的偏析、缩孔、夹杂、晶粒粗大等内部缺陷，并且这些缺陷主要集中在铸锭的心部区域。因此对于大锻件的锻造工艺的制定，主要是要围绕着大锻件中心压实这个根本目标，通过使锻件心部在锻造过程中得到充分的变形来消除原材料存在的空洞性缺陷。大锻件内部空洞的消除分为两个步骤：第1步是空洞在变形的作用下闭合；第2步是闭合空洞的表面在高温下通过再结晶或者原子扩散焊合。实验表明：闭合的空洞在高温条件下很容易的焊合。因此，消除空洞缺陷主要是使空洞在锻压形变过程中闭合。

目前对空洞闭合过程的研究，主要是探讨一次锻压变形后空洞相对体积的变化规律，即空洞当前体积与初始体积之比的演变。这种以空洞相对体积作为空洞闭合程度的判据在一次锻压过程中是有效的，但是对于多道次平砧拔长过程，利用空洞相对体积作为空洞闭合程度的判据却无法进行。例如一个空洞在第一道次拔长过程中相对体积为0.1，第2道次压下过程中相对体积为0.1。如果采用相对体积的方法来评价，空洞经历两个道次锻压变形后，相对体积仍然是0.1。显然，不能反映空洞的实际变形规律。此外，用空洞相对体积作为判据，不能体现空洞初始形状系数对空洞闭合程度的影响。然而，大锻件的成形都需经历多个道次锻压才能完成，大锻件内部的空洞也是经历多道次变形闭合的。因此，为了精确预测大锻件内部空洞在变形过程中的闭合情况，有必要提出新的空洞闭合程度判据。

对于大锻件内部空洞闭合情况的预测。目前普遍采用的是有限元法。一种是在有限元模型中设置空洞，这种方法需要网格多，计算量大，耗时长；另一种是通过建立宏观量与空洞闭合程度之间的关联模型，因此有限元模型中无需设置空洞，计算所需的网格少，计算速度较快。但是对于大锻件多道次平砧拔长过程，利用有限元法预测空洞闭合率，即使采用不设置空洞的有限元模型，仍需花费大量时间。因此，利用有限元法优化大锻件的多道次平砧拔长工艺，显然是行不通的。为了能高效优化大锻件的多道次的平砧拔长工艺，有必要提出能快速、定量预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法，解决了目前不能快速定量预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法，其方法的步骤为：

步骤1：建立工艺参数与锻件变形区轴向中心线上特征点的空洞形状估计参数、相对位移的关联数据库的步骤；

工艺参数包括砧宽比，料宽比与压下率，其中砧宽比的范围0.3～1.0，料宽比的范围0.5～2.0，压下率的范围0～30％。数据库中的工艺参数取值范围包括大锻件平砧拔长的常用范围，能确保利用数据库插值计算实际工艺参数时锻件变形区特征点的空洞形状估计参数的精度。空洞形状估计参数是与空洞形状系数相关联的一个参数，其计算公式为：式中Q_x、Q_y与Q_z分别为空洞的x向、y向与z向的形状估计参数，σ′_x、σ′_y与σ′_z分别为空洞的x向、y向与z向的应力偏量，σ_eq为等效应力，ε_eq为等效应变，x、y与z向分别为锻件变形的宽展，伸长与压下方向，如图1所示。

锻件轴向中心线上特征点是指变形区均布的若干个位置点。变形区是指每次压下变形初始时平砧侧面之内的锻件部分材料，如图1所示的P40点以内。一次压下变形的锻造变形区轴向中心线上的特征点数要大于81个，以保证插值计算其它非特征点位置的空洞形状估计参数时结果具有足够的精度。

特征点的空洞形状估计参数为空洞宽展方向与压下方向的形状估计参数Q_x与Q_z，其由有限元模拟与空洞形状估计参数的计算公式计算获得。

相对位移为特征点实际位移与锻件变形区轴向中心线初始长度的比值，特征点的相对位移由有限元模拟计算得到，位移数据库中的特征点数与空洞形状估计参数数据库中的特征点数相同。

步骤2：建立工艺信息、数据库与初始空洞形状系数输入窗口的步骤；