基于預成形設計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化與實驗研究.pdf

1、鍛造生產(chǎn)廣泛應用于機械、冶金、造船、航天、兵器以及其它許多工業(yè)生產(chǎn)部門，在國民經(jīng)濟中占有極為重要的地位。隨著全球經(jīng)濟競爭的日趨激烈，低成本、高質(zhì)量和高效率成為制造型企業(yè)在競爭中取勝的關(guān)鍵因素，為此，要求對鍛造過程中涉及到的有關(guān)工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計。材料在鍛造過程中的微觀組織演變及最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)直接決定著產(chǎn)品機械性能，因此，鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化的研究是鍛造工藝優(yōu)化設計中必須且非常關(guān)鍵的內(nèi)容，具有重要的應用價值。預鍛模及預成形形狀

2、與終鍛件形狀直接對應，它直接限制金屬的流動情況，從而直接影響成形件的最終形狀和微觀組織性能。因而，預成形設計便成為控制產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)要求的非常重要的方面。 在對國內(nèi)外微觀組織模擬與優(yōu)化的發(fā)展及現(xiàn)狀作了全面回顧的基礎上，本文以鍛件晶粒尺寸細小均勻為目標，以預成形模具形狀為優(yōu)化對象，將有限元數(shù)值模擬方法和遺傳優(yōu)化算法結(jié)合起來，對典型的圓柱體鐓粗和H形截面的軸對稱鍛件進行面向微觀組織優(yōu)化的預成形設計，并對應優(yōu)化結(jié)果設計實驗進行

3、驗證。 本文對剛粘塑性有限元的理論進行了闡述，給出了剛粘塑性材料的基本假設及塑性力學基本方程，介紹了剛粘塑性有限元變分的基本原理及求解過程，并詳細介紹了遺傳算法的基本原理，一般結(jié)構(gòu)以及常規(guī)的操作步驟。 介紹了最優(yōu)化設計的主要內(nèi)容和一般原則，分別對鍛件形狀和微觀組織的優(yōu)化建模進行了研究。建立了適合于組成總目標函數(shù)的新的形狀子目標函數(shù)和晶粒尺寸子目標函數(shù)，給出了其詳細的表達式，然后采用加權(quán)的方法將兩者組成總的目標函數(shù)，對總目

4、標函數(shù)進行優(yōu)化。 利用FORTRAN語言，采用微觀遺傳算法與有限元模擬相結(jié)合的方法，開發(fā)了基于預成形設計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化程序。該程序由初始化模塊，預成形參數(shù)修改模塊，預成形有限元模擬模塊，終鍛參數(shù)修改模塊，終鍛有限元模擬模塊，目標函數(shù)模塊，微觀遺傳算法評價模塊七大模塊組成。該程序只需要提供必要的變形控制參數(shù)、工藝參數(shù)、模具和毛坯形狀參數(shù)以及微觀遺傳算法各初始參數(shù)值，即可自動實現(xiàn)基于預成形設計的鍛造過程微觀組織的優(yōu)化設計。

5、 利用本文所開發(fā)的基于預成形設計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化設計軟件，對圓柱體熱鐓粗及H形截面軸對稱鍛件進行了面向微觀組織的預成形優(yōu)化設計。對于典型的圓柱體鐓粗，等溫過程平均晶粒度由優(yōu)化前的82.51μm下降到72.38μm，下降了12.3％；非等溫過程平均晶粒度由80.2μm下降到66.7μm，平均晶粒度下降了約14μm，而且分布均勻性均得到了明顯的提高，同時，終鍛件形狀由最初的有較大鼓形的情況變成了最終側(cè)壁幾乎沒有鼓形的情況。對H形

6、等溫鍛造，整個鍛件的平均晶粒度由86.3μm下降到69.35μm，平均晶粒度下降了約20.3％；對H形非等溫鍛造，整個鍛件的平均晶粒度由89.7μm下降到54.36μm，平均晶粒度下降了約35μm，優(yōu)化后，微觀組織更加均勻細致，優(yōu)化效果明顯。終鍛件由最初的有較大飛邊的情況變成了最終的飛邊較小，完全充滿的情況。上述應用實例表明，本文所開發(fā)的軟件中的優(yōu)化算法具有相當?shù)目煽啃浴?根據(jù)優(yōu)化中所采用的相關(guān)參數(shù)及優(yōu)化結(jié)果，設計實驗模具，進行