專利名稱：一種預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法
技術領域：
本發(fā)明屬鍛造技術領域，涉及一種預測矩形截面大鍛件經(jīng)歷多道次的平砧拔長后 軸向中心線上空洞閉合率的方法。
背景技術：
大鍛件是航空、核電、化工、造船，冶金等重大工程和裝備的關鍵零部件，質量要求 高，加工困難，成本極高，其工藝制定幾乎不允許失敗。大鍛件一般以大型鑄錠為原材料，由 于大型鑄錠通常存在嚴重的偏析、縮孔、夾雜、晶粒粗大等內部缺陷，并且這些缺陷主要集 中在鑄錠的心部區(qū)域。因此對于大鍛件的鍛造工藝的制定，主要是要圍繞著大鍛件中心壓 實這個根本目標，通過使鍛件心部在鍛造過程中得到充分的變形來消除原材料存在的空洞 性缺陷。大鍛件內部空洞的消除分為兩個步驟第1步是空洞在變形的作用下閉合；第2步 是閉合空洞的表面在高溫下通過再結晶或者原子擴散焊合。實驗表明閉合的空洞在高溫 條件下很容易的焊合。因此，消除空洞缺陷主要是使空洞在鍛壓形變過程中閉合。目前對空洞閉合過程的研究，主要是探討一次鍛壓變形后空洞相對體積的變化規(guī) 律，即空洞當前體積與初始體積之比的演變。這種以空洞相對體積作為空洞閉合程度的判 據(jù)在一次鍛壓過程中是有效的，但是對于多道次平砧拔長過程，利用空洞相對體積作為空 洞閉合程度的判據(jù)卻無法進行。例如一個空洞在第一道次拔長過程中相對體積為0. 1，第2 道次壓下過程中相對體積為0. 1。如果采用相對體積的方法來評價，空洞經(jīng)歷兩個道次鍛壓 變形后，相對體積仍然是0. 1。顯然，不能反映空洞的實際變形規(guī)律。此外，用空洞相對體積 作為判據(jù)，不能體現(xiàn)空洞初始形狀系數(shù)對空洞閉合程度的影響。然而，大鍛件的成形都需經(jīng) 歷多個道次鍛壓才能完成，大鍛件內部的空洞也是經(jīng)歷多道次變形閉合的。因此，為了精確 預測大鍛件內部空洞在變形過程中的閉合情況，有必要提出新的空洞閉合程度判據(jù)。對于大鍛件內部空洞閉合情況的預測。目前普遍采用的是有限元法。一種是在有 限元模型中設置空洞，這種方法需要網(wǎng)格多，計算量大，耗時長；另一種是通過建立宏觀量 與空洞閉合程度之間的關聯(lián)模型，因此有限元模型中無需設置空洞，計算所需的網(wǎng)格少，計 算速度較快。但是對于大鍛件多道次平砧拔長過程，利用有限元法預測空洞閉合率，即使采 用不設置空洞的有限元模型，仍需花費大量時間。因此，利用有限元法優(yōu)化大鍛件的多道次 平砧拔長工藝，顯然是行不通的。為了能高效優(yōu)化大鍛件的多道次的平砧拔長工藝，有必要 提出能快速、定量預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法，解決了 目前不能快速定量預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的問題。本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案是—種預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法，其方法的步驟為步驟1 建立工藝參數(shù)與鍛件變形區(qū)軸向中心線上特征點的空洞形狀估計參數(shù)、相對位移的關聯(lián)數(shù)據(jù)庫的步驟；工藝參數(shù)包括砧寬比，料寬比與壓下率，其中砧寬比的范圍0.3 1.0，料寬比的 范圍0. 5 2. 0，壓下率的范圍0 30%。數(shù)據(jù)庫中的工藝參數(shù)取值范圍包括大鍛件平砧 拔長的常用范圍，能確保利用數(shù)據(jù)庫插值計算實際工藝參數(shù)時鍛件變形區(qū)特征點的空洞形 狀估計參數(shù)的精度?？斩葱螤罟烙媴?shù)是與空洞形狀系數(shù)相關聯(lián)的一個參數(shù)，其計算公式
為-Q, = \n-< )枚q 'Qy = |of(-<’a =w ’式中 Qx、Qy 與
Qz分別為空洞的X向、y向與Z向的形狀估計參數(shù)，O ' x、0' y與O' z分別為空洞的X 向、y向與z向的應力偏量，為等效應力，為等效應變，x、y與z向分別為鍛件變形 的寬展，伸長與壓下方向，如圖1所示。鍛件軸向中心線上特征點是指變形區(qū)均布的若干個位置點。變形區(qū)是指每次壓下 變形初始時平砧側面之內的鍛件部分材料，如圖1所示的P40點以內。一次壓下變形的鍛 造變形區(qū)軸向中心線上的特征點數(shù)要大于81個，以保證插值計算其它非特征點位置的空 洞形狀估計參數(shù)時結果具有足夠的精度。特征點的空洞形狀估計參數(shù)為空洞寬展方向與壓下方向的形狀估計參數(shù)1與讓， 其由有限元模擬與空洞形狀估計參數(shù)的計算公式計算獲得。相對位移為特征點實際位移與鍛件變形區(qū)軸向中心線初始長度的比值，特征點的 相對位移由有限元模擬計算得到，位移數(shù)據(jù)庫中的特征點數(shù)與空洞形狀估計參數(shù)數(shù)據(jù)庫中 的特征點數(shù)相同。步驟2 建立工藝信息、數(shù)據(jù)庫與初始空洞形狀系數(shù)輸入窗口的步驟；工藝信息主要包括各道次變形前、后鍛件的長度、寬度與高度尺寸，各道次的拔長 方向，各道次壓下前坯料的翻轉角度，各道次的壓下次數(shù)，每次壓下變形的絕對送進量及變 形后鍛件伸長量的一半。通過輸入的工藝方案信息，可以計算出每次壓下變形的工藝參數(shù) 砧寬比、料寬比與壓下率。步驟3 輸入工藝信息、數(shù)據(jù)庫與初始空洞形狀系數(shù)，計算鍛件經(jīng)歷多道次鍛壓變 形后軸向中心線上的空洞形狀系數(shù)與閉合率的步驟；步驟3包括如下子步驟(1)輸入鍛件工藝方案信息、數(shù)據(jù)庫與軸向中心線上寬展與壓下方向空洞初始形 狀系數(shù)SxO與SzO的步驟；空洞形狀系數(shù)的定義為:SX = 2a/(b+c),Sz = 2c/(a+b)，式中Sx與Sz分別為空洞 x向與z向的空洞形狀系數(shù)，a、b與c分別為空洞x向即寬展方向，y向即伸長方向與z向 即壓下方向的尺寸，如圖2所示?？斩闯跏夹螤钕禂?shù)是指坯料軸向中線上的空洞寬展與壓 下方向的形狀系數(shù)，即Sx0(l)與Sz0⑴。(2)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到特征點第1道次鍛壓變形后的空洞形狀估計參數(shù) Qx(l)與Qz(l)，然后根據(jù)空洞形狀估計參數(shù)與空洞形狀系數(shù)的關聯(lián)公式計算得到特征點第 1道次變形后寬展方向與壓下方向的空洞形狀系數(shù)Sx(l)與&(1)，若計算得到特征點的空 洞某方向形狀系數(shù)小于0，則空洞形狀系數(shù)取0的步驟；空洞形狀估計參數(shù)與空洞形狀系數(shù)的關聯(lián)公式如式(1)所示
S = (S0+l. 13485) exp (- A Q/0. 55887) 13485 (1)
式中S為變形后的空洞某方向形狀系數(shù)，&為空洞某方向初始形狀系數(shù)，AQ為空 洞某方向的形狀估計參數(shù)增量，第1道次的AQ*Qx(1)與讓(1)。(3)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到第1道次鍛壓變形后特征點的相對位移，相對位移 與特征點變形前相對位置相加得到特征點變形后的相對位置，然后將相對位置與轉化為絕 對位置P(l)的步驟；(4)插值計算鍛件第1道次鍛壓變形后軸向中心線上1000個均布位置的空洞寬 展方向與壓下方向的形狀系數(shù)與形狀估計參數(shù)，計算空洞閉合率，然后轉入步驟(11)的步 驟；(5)判斷所計算的道次前是否需翻轉90°，若翻轉90°，則道次變形前鍛件軸向 中心線上空洞寬展方向與壓下方向形狀估計參數(shù)與形狀系數(shù)均調換，若不翻轉，本道次變 形前的鍛件軸向中心線上的寬展方向與壓下方向空洞形狀估計參數(shù)與形狀系數(shù)均不變的 步驟；(6)根據(jù)位置插值計算得到道次前鍛件軸向中心線上特征點的形狀估計參數(shù) Qx0(n)與QzQ(n)，n表示第n道次，特征點空洞的初始形狀系數(shù)SxCI(n)與SzCI(n)的步驟；(7)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到特征點本道次鍛壓變形后空洞寬展方向與壓下方 向形狀估計參數(shù)的增加量AQx(n)與八0 ，根據(jù)公式0 =Qx0(n) + AQx(n), Qz(n)= Qz0(n) + AQz(n)計算得到特征點該道次后的總形狀估計參數(shù)的步驟；(8)根據(jù)空洞形狀估計參數(shù)與空洞形狀系數(shù)的關聯(lián)公式計算得到特征點該道次鍛 壓變形后空洞寬展方向與壓下方向的形狀系數(shù)Sx(n)與Sz(n)，若公式計算得到形狀系數(shù)小 于0，則形狀系數(shù)取0的步驟；(9)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到道次鍛壓變形后特征點的相對位移，相對位移與特 征點變形前相對位置相加得到特征點道次鍛壓變形后的相對位置，然后將相對位置與轉化 為絕對位置P(n)的步驟；(10)插值計算鍛件道次鍛壓變形后軸向中心線上1000個均布位置的空洞寬展方 向與壓下方向的形狀系數(shù)與形狀估計參數(shù)，計算道次鍛壓變形后空洞閉合率的步驟；(11)判斷是否所有道次均已計算完成，若完成，則進行下一步驟，若未完成，則返 回子步驟(5)步驟繼續(xù)計算的步驟；(12)輸出計算結果的步驟。本發(fā)明有益效果本發(fā)明提供一種預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法，能快速判斷所設計 的工藝是否能消除鍛件整個軸向中心線上的空洞缺陷，且能得到鍛件整個軸向中心線上的 空洞形狀分布情況。本發(fā)明所需計算時間很短，與有限元仿真相比，大大的縮短了計算時 間，為從大量工藝方案中選擇較優(yōu)方案提供了條件。本發(fā)明還提供了一種不需要在有限元中模型設置空洞就能得到各部位空洞的閉 合情況的方法，大大縮短了有限元模擬仿真的時間。


圖1平砧拔長1/8模型的特征點位置示意2空洞示意圖
圖3有限元模擬的1/8模型圖4300MW發(fā)電機轉子鍛件經(jīng)歷10個道次鍛壓后的軸向中心線上空洞形狀估計參 數(shù)圖5300MW發(fā)電機轉子鍛件經(jīng)歷10個道次鍛壓后的軸向中心線上空洞形狀系數(shù)
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明一種一種預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法實施例，其方法包 括步驟1 建立工藝參數(shù)與鍛件變形區(qū)軸向中心線上特征點的空洞形狀估計參數(shù)、 相對位移的關聯(lián)數(shù)據(jù)庫的步驟；工藝參數(shù)包括砧寬比，料寬比與壓下率，其中砧寬比的范圍為0.3 1.0，料寬比 的范圍為0. 5 2. 0，壓下率的范圍為0 30%。數(shù)據(jù)庫中的工藝參數(shù)取值范圍包括大鍛件 平砧拔長工藝參數(shù)取值的常用范圍，能保證利用數(shù)據(jù)庫插值計算實際工藝參數(shù)時鍛件變形 區(qū)特征點的空洞形狀估計參數(shù)的精度。數(shù)據(jù)庫中砧寬比具體可取離散值0. 3,0. 4,0. 5,0. 6、 0. 7,0. 8,0. 9 與 1. 0，料寬比取0. 5,0. 6,0. 8,1. 0,1. 2,1. 5,1. 8 與 2. 0，壓下率則為 0% 30%，每隔取值?？斩葱螤罟烙媴?shù)是與空洞形狀系數(shù)相關聯(lián)的一個參數(shù)，其計算公式為
權利要求
1.一種預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法，其特征在于該方法的步驟包括步驟1 建立工藝參數(shù)與鍛件變形區(qū)軸向中心線上特征點的空洞形狀估計參數(shù)、相對 位移的關聯(lián)數(shù)據(jù)庫的步驟；步驟2 建立工藝信息、數(shù)據(jù)庫與初始空洞形狀系數(shù)輸入窗口的步驟；步驟3 輸入工藝信息、數(shù)據(jù)庫與初始空洞形狀系數(shù)，計算鍛件經(jīng)歷多道次鍛壓變形后 軸向中心線上的空洞形狀系數(shù)與閉合率的步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟1所述的工藝參數(shù)包括砧寬比，料寬比 與壓下率，其中砧寬比的范圍為0. 3 1. 0，料寬比的范圍為0. 5 2. 0，壓下率的范圍為 0 30%。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟1所述的空洞形狀估計參數(shù)的計算公 式為:a =位(-< / <yeq)dseq ,Qy =/ (-</’Qz = X，式中 Qx、Qy與讓分別為空洞X向、y向與z向的形狀估計參數(shù)，o' x、0' y與0' z分別為空洞的X 向、y向與Z向的應力偏量，0q為等效應力，、q為等效應變。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟1所述的鍛件變形區(qū)軸向中心線上特 征點是指變形前鍛件軸向中心線上平砧側面以內均布的若干個位置點，其數(shù)量要大于81 個。特征點的空洞形狀估計參數(shù)為空洞寬展方向與壓下方向的形狀估計參數(shù)4與從，可通 過有限元模擬與空洞形狀估計參數(shù)的計算公式計算獲得。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟1所述的相對位移為特征點實際位移 與鍛件變形區(qū)軸向中心線初始長度的比值，特征點的相對位移由有限元模擬計算得到，位 移數(shù)據(jù)庫中的特征點數(shù)與空洞形狀估計參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的特征點數(shù)相同。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟2所述的工藝方案信息主要包括各道 次變形前、后鍛件的長度、寬度與高度尺寸，各道次的拔長方向，各道次壓下前坯料的翻轉 角度，各道次的壓下次數(shù)，每次壓下變形的絕對送進量及變形后鍛件伸長量的一半。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟3包括如下子步驟(1)輸入鍛件工藝信息、數(shù)據(jù)庫與軸向中心線上空洞寬展與壓下方向初始形狀系數(shù)Sx(l 與Sz0的步驟；(2)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到特征點第1道次鍛壓變形后的空洞形狀估計參數(shù)1(1) 與Qz (1)，然后根據(jù)空洞形狀估計參數(shù)與空洞形狀系數(shù)的關聯(lián)公式計算得到特征點第1道次 變形后寬展方向與壓下方向的空洞形狀系數(shù)民(1)與&(1)，若計算得到特征點的空洞某方 向形狀系數(shù)小于0，則空洞形狀系數(shù)取0的步驟；(3)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到第1道次鍛壓變形后特征點的相對位移，相對位移與特 征點變形前相對位置相加得到特征點變形后的相對位置，然后將相對位置與轉化為絕對位 置P(l)的步驟；(4)插值計算鍛件第1道次鍛壓變形后軸向中心線上1000個均布位置的空洞寬展方向 與壓下方向的形狀系數(shù)與形狀估計參數(shù)，計算空洞閉合率，然后轉入步驟(11)的步驟；(5)判斷所計算的道次前是否需翻轉90°，若翻轉90°，則道次變形前鍛件軸向中 心線上空洞寬展方向與壓下方向形狀估計參數(shù)與形狀系數(shù)均調換，若不翻轉，本道次變形前的鍛件軸向中心線上的寬展方向與壓下方向空洞形狀估計參數(shù)與形狀系數(shù)均不變的步 驟；(6)根據(jù)位置插值計算得到道次前鍛件軸向中心線上特征點的形狀估計參數(shù)QxC1(n)與 Qz0(n)，n表示第n道次，特征點空洞的初始形狀系數(shù)SxCI(n)與SzCI(n)的步驟；(7)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到特征點本道次鍛壓變形后空洞寬展方向與壓下方向 形狀估計參數(shù)的增加量AQx(n)與AQz(n)，根據(jù)公式義⑷=Qx0 (n) + A Qx (n), Qz (n)= Qz0(n) + AQz(n)計算得到特征點該道次后的總形狀估計參數(shù)的步驟；(8)根據(jù)空洞形狀估計參數(shù)與空洞形狀系數(shù)的關聯(lián)公式計算得到特征點該道次鍛壓變 形后空洞寬展方向與壓下方向的形狀系數(shù)Sx (n)與Sz (n)，若公式計算得到形狀系數(shù)小于0， 則形狀系數(shù)取0的步驟；(9)根據(jù)數(shù)據(jù)庫插值計算得到道次鍛壓變形后特征點的相對位移，相對位移與特征點 變形前相對位置相加得到特征點道次鍛壓變形后的相對位置，然后將相對位置與轉化為絕 對位置P(n)的步驟；(10)插值計算鍛件道次鍛壓變形后軸向中心線上1000個均布位置的空洞寬展方向與 壓下方向的形狀系數(shù)與形狀估計參數(shù)，計算道次鍛壓變形后空洞閉合率的步驟；(11)判斷是否所有道次均已計算完成，若完成，則進行下一步驟，若未完成，則返回子 步驟(5)步驟繼續(xù)計算的步驟；(12)輸出計算結果的步驟。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于其子步驟(2)與(8)所述的空洞形狀估計參 數(shù)與空洞形狀系數(shù)的關聯(lián)公式為S= (S0+1. 13485) exp (-AQ/0. 55887)-1. 13485，式中的S 為變形后的空洞某方向形狀系數(shù)，S。為空洞某方向初始形狀系數(shù)，AQ為空洞某方向的形狀 估計參數(shù)增量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種預測大鍛件軸向中心線上空洞閉合率的方法。其方法的步驟包括步驟1建立工藝參數(shù)與鍛件變形區(qū)軸向中心線上特征點的空洞形狀估計參數(shù)、相對位移的關聯(lián)數(shù)據(jù)庫的步驟；步驟2建立工藝信息、數(shù)據(jù)庫與初始空洞形狀系數(shù)輸入窗口的步驟；步驟3輸入工藝信息、數(shù)據(jù)庫與初始空洞形狀系數(shù)，計算鍛件經(jīng)歷多道次鍛壓變形后軸向中心線上的空洞形狀與閉合率的步驟。本發(fā)明方法能快速定量預測鍛件軸向中心線上空洞閉合情況，并評價鍛造工藝的合理性，很大程度地提高制定大鍛件拔長工藝的效率。
文檔編號G06F17/50GK102004834SQ20101055900
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權日2010年11月25日
發(fā)明者藺永誠, 陳明松 申請人:中南大學