[发明专利]一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法

说明书

本发明公开了一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法，包括：通过测量加热和冷却过程中锻件的温度变化，结合反算法，建立高温下高强度钢与空气的传热模型；通过自制模具，测量不同压力接触条件下试样和模具的温度变化，结合反算法，建立高强度钢高温氧化时锻件与模具的界面换热模型；通过圆环镦粗实验，建立考虑高温氧化条件下的锻件与模具的摩擦模型；通过热压缩模拟实验，建立基于摩擦修正的高强度钢材料真应力‑应变曲线；通过有限元模拟软件，对锻造过程进行仿真模拟，预测模锻件成形。该模拟方法通过传热模型、界面换热模型、摩擦模型和材料模型的建立与优化，结合有限元模拟软件，可有效提高高强度钢模锻件成形预测的精确度。

技术领域

本发明属于高强度钢模锻件成形技术领域，尤其涉及一种高强度钢模锻件成形工艺的高精度模拟方法。

背景技术

大型整体航空模锻件具有材料变形抗力高、锻件尺寸大、截面面积变化大、结构复杂等特点。在模锻成形时，主要存在以下问题：锻件形状复杂，模锻成形填充、流线控制困难；锻件的力学性能和组织均匀性能控制困难；荒坯形状要求接近预锻件形状，制坯技术复杂；大型模具设计及制造难度大，且模具成本偏高；模锻润滑保温防氧化困难。

目前，我国现有大型锻件制造能力和质量水平与国外差距明显，大型锻造生产能力快速提升与锻造技术水平较为滞后的这一矛盾日益突出，成为制约我国重大技术装备制造业的瓶颈。大型锻件单件重、形体大、品种多、批量小、金属消耗量大、制造费用昂贵，迫切要求“一次制造成功”。利用模拟技术对大型锻件进行模拟，可以避免实际加工的浪费，并且能快速的对热加工工艺进行修改，极大的提高了效率，节约了成本。同时，模拟技术在新工艺研究和新产品开发中起着十分重要的作用。因此，在生产大锻件产品或制定大型锻造工艺时，综合采用先进的模拟技术，对提高我国大型锻造技术水平就显得非常重要。

现阶段，有限元模拟在大型锻件的优化设计、工艺方案制定、成形预测等方面的应用已经非常广泛，但是仍然存在模拟预测与工程实际偏差较大的情况，如模锻成形压力相差20％以上，综合其原因，主要有以下几点：

首先，材料模型的准确性不高。通过热模拟压缩实验获得的应力应变曲线，由于压缩过程中受到试样两端与压头之间摩擦的影响，其应力值普遍偏高，而在进行仿真模拟的时候，还会对锻件与模具之间进行摩擦系数的设定，重复考虑了摩擦的影响，导致实际成型吨位增加。

其次，锻件在高温下与空气之间的传热系数的选取较为简单。通常，在进行仿真模拟时，锻件与空气之间的传热系数选取使用的是系统推荐的默认值，一般为常数。而在实际生产过程中，高强度钢的加热温度很高，表面会产生氧化皮，会阻碍锻件表面与空气之间的传热。因此，常数的选取不能准确的反应实际的工况，导致温度变化不准确，影响模拟精度。

第三，锻件与模具之间的界面换热系数的选择无法反应复杂的现场工况。锻造时，高强钢的锻件温度一般在1000℃以上，而模具温度一般在300～400℃，两者之间的热传导非常显著。同时，锻造过程中还会使用纤维布等进行润滑、锻件表面在高温下氧化产生氧化皮、模具表面喷洒脱模剂等等，这些都会影响锻件与模具之间的热传导。通常，在进行仿真模拟时，热传导系数是根据经验或者软件推荐值设置，缺乏科学理论依据，无法真实反应现场工况，降低了模拟精度。

第四，锻件与模具之间摩擦系数的选择较为简单。锻造过程中的摩擦行为是一种多物理场的复杂耦合过程，与接触表面的硬度、润滑状态、接触应力和应变速率等特性有关，其对锻造精度控制、金属流动甚至组织演变起着至关重要的影响。锻造过程中摩擦行为极为复杂，难于对其准确测定和建模分析，因而在模拟的时候通常选用的是系统推荐的参数，不能反应不同锻件的实际生产状况，因此，有必要通过工艺实验来优化模拟系数的选取，提高模拟准确度。

总之，以上几个方面均会降低模拟的精确度，因此，如何提高传热、界面换热、摩擦、本构方程的准确性，使其更好的反应实际工况，对提高模拟的精确度非常有意义。

发明内容