专利名称：一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法
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—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-Q, = \n-< )枚q 'Qy = |of(-<’a =w ’式中 Qx、Qy 与
Qz分别为空洞的X向、y向与Z向的形状估计参数，O ' x、0' y与O' z分别为空洞的X 向、y向与z向的应力偏量，为等效应力，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1与让， 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；工艺信息主要包括各道次变形前、后锻件的长度、宽度与高度尺寸，各道次的拔长 方向，各道次压下前坯料的翻转角度，各道次的压下次数，每次压下变形的绝对送进量及变 形后锻件伸长量的一半。通过输入的工艺方案信息，可以计算出每次压下变形的工艺参数 砧宽比、料宽比与压下率。步骤3 输入工艺信息、数据库与初始空洞形状系数，计算锻件经历多道次锻压变 形后轴向中心线上的空洞形状系数与闭合率的步骤；步骤3包括如下子步骤(1)输入锻件工艺方案信息、数据库与轴向中心线上宽展与压下方向空洞初始形 状系数SxO与SzO的步骤；空洞形状系数的定义为:SX = 2a/(b+c),Sz = 2c/(a+b)，式中Sx与Sz分别为空洞 x向与z向的空洞形状系数，a、b与c分别为空洞x向即宽展方向，y向即伸长方向与z向 即压下方向的尺寸，如图2所示。空洞初始形状系数是指坯料轴向中线上的空洞宽展与压 下方向的形状系数，即Sx0(l)与Sz0⑴。(2)根据数据库插值计算得到特征点第1道次锻压变形后的空洞形状估计参数 Qx(l)与Qz(l)，然后根据空洞形状估计参数与空洞形状系数的关联公式计算得到特征点第 1道次变形后宽展方向与压下方向的空洞形状系数Sx(l)与&(1)，若计算得到特征点的空 洞某方向形状系数小于0，则空洞形状系数取0的步骤；空洞形状估计参数与空洞形状系数的关联公式如式(1)所示
S = (S0+l. 13485) exp (- A Q/0. 55887) 13485 (1)
式中S为变形后的空洞某方向形状系数，&为空洞某方向初始形状系数，AQ为空 洞某方向的形状估计参数增量，第1道次的AQ*Qx(1)与让(1)。(3)根据数据库插值计算得到第1道次锻压变形后特征点的相对位移，相对位移 与特征点变形前相对位置相加得到特征点变形后的相对位置，然后将相对位置与转化为绝 对位置P(l)的步骤；(4)插值计算锻件第1道次锻压变形后轴向中心线上1000个均布位置的空洞宽 展方向与压下方向的形状系数与形状估计参数，计算空洞闭合率，然后转入步骤(11)的步 骤；(5)判断所计算的道次前是否需翻转90°，若翻转90°，则道次变形前锻件轴向 中心线上空洞宽展方向与压下方向形状估计参数与形状系数均调换，若不翻转，本道次变 形前的锻件轴向中心线上的宽展方向与压下方向空洞形状估计参数与形状系数均不变的 步骤；(6)根据位置插值计算得到道次前锻件轴向中心线上特征点的形状估计参数 Qx0(n)与QzQ(n)，n表示第n道次，特征点空洞的初始形状系数SxCI(n)与SzCI(n)的步骤；(7)根据数据库插值计算得到特征点本道次锻压变形后空洞宽展方向与压下方 向形状估计参数的增加量AQx(n)与八0 ，根据公式0 =Qx0(n) + AQx(n), Qz(n)= Qz0(n) + AQz(n)计算得到特征点该道次后的总形状估计参数的步骤；(8)根据空洞形状估计参数与空洞形状系数的关联公式计算得到特征点该道次锻 压变形后空洞宽展方向与压下方向的形状系数Sx(n)与Sz(n)，若公式计算得到形状系数小 于0，则形状系数取0的步骤；(9)根据数据库插值计算得到道次锻压变形后特征点的相对位移，相对位移与特 征点变形前相对位置相加得到特征点道次锻压变形后的相对位置，然后将相对位置与转化 为绝对位置P(n)的步骤；(10)插值计算锻件道次锻压变形后轴向中心线上1000个均布位置的空洞宽展方 向与压下方向的形状系数与形状估计参数，计算道次锻压变形后空洞闭合率的步骤；(11)判断是否所有道次均已计算完成，若完成，则进行下一步骤，若未完成，则返 回子步骤(5)步骤继续计算的步骤；(12)输出计算结果的步骤。本发明有益效果本发明提供一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法，能快速判断所设计 的工艺是否能消除锻件整个轴向中心线上的空洞缺陷，且能得到锻件整个轴向中心线上的 空洞形状分布情况。本发明所需计算时间很短，与有限元仿真相比，大大的缩短了计算时 间，为从大量工艺方案中选择较优方案提供了条件。本发明还提供了一种不需要在有限元中模型设置空洞就能得到各部位空洞的闭 合情况的方法，大大缩短了有限元模拟仿真的时间。
图1平砧拔长1/8模型的特征点位置示意2空洞示意图
图3有限元模拟的1/8模型图4300MW发电机转子锻件经历10个道次锻压后的轴向中心线上空洞形状估计参 数图5300MW发电机转子锻件经历10个道次锻压后的轴向中心线上空洞形状系数
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明一种一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法实施例，其方法包 括步骤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，其中砧宽比的范围为0.3 1.0，料宽比 的范围为0. 5 2. 0，压下率的范围为0 30%。数据库中的工艺参数取值范围包括大锻件 平砧拔长工艺参数取值的常用范围，能保证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。数据库中砧宽比具体可取离散值0. 3,0. 4,0. 5,0. 6、 0. 7,0. 8,0. 9 与 1. 0，料宽比取0. 5,0. 6,0. 8,1. 0,1. 2,1. 5,1. 8 与 2. 0，压下率则为 0% 30%，每隔取值。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
权利要求
1.一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法，其特征在于该方法的步骤包括步骤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；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；步骤3 输入工艺信息、数据库与初始空洞形状系数，计算锻件经历多道次锻压变形后 轴向中心线上的空洞形状系数与闭合率的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1所述的工艺参数包括砧宽比，料宽比 与压下率，其中砧宽比的范围为0. 3 1. 0，料宽比的范围为0. 5 2. 0，压下率的范围为 0 30%。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1所述的空洞形状估计参数的计算公 式为:a =位(-< / <yeq)dseq ,Qy =/ (-</’Qz = X，式中 Qx、Qy与让分别为空洞X向、y向与z向的形状估计参数，o' x、0' y与0' z分别为空洞的X 向、y向与Z向的应力偏量，0q为等效应力，、q为等效应变。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1所述的锻件变形区轴向中心线上特 征点是指变形前锻件轴向中心线上平砧侧面以内均布的若干个位置点，其数量要大于81 个。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4与从，可通 过有限元模拟与空洞形状估计参数的计算公式计算获得。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1所述的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。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2所述的工艺方案信息主要包括各道 次变形前、后锻件的长度、宽度与高度尺寸，各道次的拔长方向，各道次压下前坯料的翻转 角度，各道次的压下次数，每次压下变形的绝对送进量及变形后锻件伸长量的一半。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3包括如下子步骤(1)输入锻件工艺信息、数据库与轴向中心线上空洞宽展与压下方向初始形状系数Sx(l 与Sz0的步骤；(2)根据数据库插值计算得到特征点第1道次锻压变形后的空洞形状估计参数1(1) 与Qz (1)，然后根据空洞形状估计参数与空洞形状系数的关联公式计算得到特征点第1道次 变形后宽展方向与压下方向的空洞形状系数民(1)与&(1)，若计算得到特征点的空洞某方 向形状系数小于0，则空洞形状系数取0的步骤；(3)根据数据库插值计算得到第1道次锻压变形后特征点的相对位移，相对位移与特 征点变形前相对位置相加得到特征点变形后的相对位置，然后将相对位置与转化为绝对位 置P(l)的步骤；(4)插值计算锻件第1道次锻压变形后轴向中心线上1000个均布位置的空洞宽展方向 与压下方向的形状系数与形状估计参数，计算空洞闭合率，然后转入步骤(11)的步骤；(5)判断所计算的道次前是否需翻转90°，若翻转90°，则道次变形前锻件轴向中 心线上空洞宽展方向与压下方向形状估计参数与形状系数均调换，若不翻转，本道次变形前的锻件轴向中心线上的宽展方向与压下方向空洞形状估计参数与形状系数均不变的步 骤；(6)根据位置插值计算得到道次前锻件轴向中心线上特征点的形状估计参数QxC1(n)与 Qz0(n)，n表示第n道次，特征点空洞的初始形状系数SxCI(n)与SzCI(n)的步骤；(7)根据数据库插值计算得到特征点本道次锻压变形后空洞宽展方向与压下方向 形状估计参数的增加量AQx(n)与AQz(n)，根据公式义⑷=Qx0 (n) + A Qx (n), Qz (n)= Qz0(n) + AQz(n)计算得到特征点该道次后的总形状估计参数的步骤；(8)根据空洞形状估计参数与空洞形状系数的关联公式计算得到特征点该道次锻压变 形后空洞宽展方向与压下方向的形状系数Sx (n)与Sz (n)，若公式计算得到形状系数小于0， 则形状系数取0的步骤；(9)根据数据库插值计算得到道次锻压变形后特征点的相对位移，相对位移与特征点 变形前相对位置相加得到特征点道次锻压变形后的相对位置，然后将相对位置与转化为绝 对位置P(n)的步骤；(10)插值计算锻件道次锻压变形后轴向中心线上1000个均布位置的空洞宽展方向与 压下方向的形状系数与形状估计参数，计算道次锻压变形后空洞闭合率的步骤；(11)判断是否所有道次均已计算完成，若完成，则进行下一步骤，若未完成，则返回子 步骤(5)步骤继续计算的步骤；(12)输出计算结果的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤(2)与(8)所述的空洞形状估计参 数与空洞形状系数的关联公式为S= (S0+1. 13485) exp (-AQ/0. 55887)-1. 13485，式中的S 为变形后的空洞某方向形状系数，S。为空洞某方向初始形状系数，AQ为空洞某方向的形状 估计参数增量。
全文摘要
本发明公开了一种预测大锻件轴向中心线上空洞闭合率的方法。其方法的步骤包括步骤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；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；步骤3输入工艺信息、数据库与初始空洞形状系数，计算锻件经历多道次锻压变形后轴向中心线上的空洞形状与闭合率的步骤。本发明方法能快速定量预测锻件轴向中心线上空洞闭合情况，并评价锻造工艺的合理性，很大程度地提高制定大锻件拔长工艺的效率。
文档编号G06F17/50GK102004834SQ20101055900
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者蔺永诚, 陈明松 申请人:中南大学