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大规格气阀电镦成形晶粒匀细化控制研究

机械工程学报 2022年第16期58卷 121-133页

作者：权国政张钰清赵江余炎泽重庆大学材料科学与工程学院重庆400044 重庆大学先进模具智能制造重庆市重点实验室重庆400044

提出一套可以控制电镦过程晶粒匀细化的方法,首先从Ni80A镍基超合金热加工图识别出晶粒细化稳健变形参数区间并初步规划电镦工艺参数加载路径;构建晶粒尺寸和晶粒分布不均匀度双目标控制函数,建立电镦成形电-热-力多场、变形-晶粒多尺... 详细信息

提出一套可以控制电镦过程晶粒匀细化的方法,首先从Ni80A镍基超合金热加工图识别出晶粒细化稳健变形参数区间并初步规划电镦工艺参数加载路径;构建晶粒尺寸和晶粒分布不均匀度双目标控制函数,建立电镦成形电-热-力多场、变形-晶粒多尺度动态耦合有限元模型;开展模拟夹持长度、砧子后退速度、镦粗缸速度和加热电流等不同电镦决策变量的加载方案,构建双目标与电镦决策变量的响应关系;基于NSGA-Ⅱ遗传算法求解获得四项决策变量对双目标交互作用的最优折中解方案。结果表明,根据最优折衷解模拟得到的晶粒尺寸及其分布不均匀度分别为29.95μm和6.52μm,双目标值相较于优化前分别减小了10.86%和14.90%。对中等规格气阀进行电镦工艺试验和组织表征,电镦“蒜头”的晶粒尺寸在轴向、径向和45°方向的模拟值与试验值之间的平均相对误差分别为4.41%、1.39%和5.68%,验证了电镦成形晶粒匀细化控制方法的有效性。这套方法将为调控大规格气阀电镦成形晶粒匀细化提供一般方法。

关键词：电镦晶粒尺寸不均匀分布双目标优化 NSGA-Ⅱ 有限元模拟

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大规格气阀坯电镦成形质量控制研究综述

塑性工程学报 2023年第6期30卷 2-9页

作者：权国政雷盛蒋立鹤重庆大学材料科学与工程学院先进模具智能制造重庆市重点实验室重庆400044 南京中远海运船舶设备配件有限公司江苏省船舶动力系统零件先进制造工程技术研究中心江苏南京211121

制坯作为气阀成形的关键工序,其成形质量决定着气阀的服役性能和寿命。通过分析热挤压和电镦等成形工艺的优缺点可知,电镦相较于其他成形工艺更适用于大规格气阀坯成形。而随着气阀坯规格的增大,电镦件成形质量也愈加难以控制。针对表... 详细信息

制坯作为气阀成形的关键工序,其成形质量决定着气阀的服役性能和寿命。通过分析热挤压和电镦等成形工艺的优缺点可知,电镦相较于其他成形工艺更适用于大规格气阀坯成形。而随着气阀坯规格的增大,电镦件成形质量也愈加难以控制。针对表面波浪等形状缺陷和晶粒粗大等微观缺陷对其进行成因分析,从成形形状、晶粒控制和形状-晶粒协同控制3个方面综述了大规格气阀坯电镦成形质量的控制方法,并进一步阐述了电镦工艺智能优化方法,为大规格气阀坯电镦成形的实际生产提供参考。

关键词：电镦气阀坯成形质量工艺参数晶粒尺寸智能优化

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电镦成形分析及其缺陷成因探讨

金属成形工艺 1990年第1期8卷 36-44页

作者：何洪波

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基于人工神经网络的气门电镦工艺参数的选择

锻压技术 2006年第5期31卷 36-39页

作者：陈剑夏巨谌胡国安徐光伟李乾方华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室湖北武汉430074 湖北三环气门有限公司湖北武汉438300

由于气门电热镦粗的工艺参数大多数是借助于经验来选择的,某些参数的选择不合理或者参数之间配合不好,都会造成工艺不稳定,从而使生产的成品率下降。并且在成形过程中,电加热和镦粗同时进行,很难建立合理且实用的数学模型。本文利用神... 详细信息

由于气门电热镦粗的工艺参数大多数是借助于经验来选择的,某些参数的选择不合理或者参数之间配合不好,都会造成工艺不稳定,从而使生产的成品率下降。并且在成形过程中,电加热和镦粗同时进行,很难建立合理且实用的数学模型。本文利用神经网络具有黑箱特性和非线形映射能力强的特点,提出了一种组合神经网络结构(ANN)来逐步确定气门电热镦粗的工艺参数。以实际生产中的数据作为ANN的学习训练样本,经过训练的网络不仅可以达到描述确定气门电镦成形控制参数的目的,而且还具有一定的预测功能,从而为气门电镦工艺提供了较合理的控制参数。

关键词：气门电镦人工神经网络

SNCrW合金电镦成形晶粒演变元胞自动机模拟建模及分析

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SNCrW合金电镦成形晶粒演变元胞自动机模拟建模及分析

作者：王童重庆大学

学位级别：硕士

SNCrW作为一种典型的奥氏体耐热合金材料,强度和高温性能相对比较优越,在大型柴油机气门的生产制造行业中被广泛用。然而和其他耐热合金材料一样,SNCrW材料虽然具有良好的综合性能,但加工性能却比较差。因此,在用SNCrW作为生产气门的过... 详细信息

SNCrW作为一种典型的奥氏体耐热合金材料,强度和高温性能相对比较优越,在大型柴油机气门的生产制造行业中被广泛用。然而和其他耐热合金材料一样,SNCrW材料虽然具有良好的综合性能,但加工性能却比较差。因此,在用SNCrW作为生产气门的过程中,目前通常采用电加热镦粗工艺,也就是电镦工艺。在电镦工艺过程中材料变形部分处于较高温度,内部的微观组织变化对于最终工件的力学性能影响起到决定性作用,例如动态再结晶,动态回复等微观组织变化。因而掌握材料在电镦工艺过程中微观组织变化情况对控制工件最终的力学性能具有十分重要的意义。传统的微观组织演变模拟只是通过经验公式对于微观组织做定性的分析,这样往往难以精确地分析不同工艺参数对于微观组织的影响程度。时至今日,随着计算机仿真技术在材料科学领域的发展越来越成熟,给人们提供了更为方便准确地计算机数字模拟方法定量的分析微观组织演变过程。目前蒙特卡罗法、相场法和元胞自动机法是最为常用的三种方法。通过对这三种方法的优缺点的对比,认为元胞自动机法更加适用于分析电镦工艺过程中微观组织的演变。本文根据等温压缩的真应力应变数据建立了SNCrW动态再结晶模型和晶粒尺寸模型,分析了元胞自动机的工作原理。应用DEFORM-3D有限元软件模拟SNCrW在电镦过程,研究了材料的微观组织演变。本文主要研究内容及结论如下:在1203-1403 K这一温度范围内、应变速率为0.01 s-1～10 s-1的变形条件下,通过对SNCrW奥氏体耐热合金的等温压缩实验,获得了真实应力应变数据,建立了SNCrW奥氏体耐热合金高温塑性变形过程中的动态再结晶模型和晶粒尺寸模型。介绍了元胞自动机法的基本原理,分析了模拟软件中元胞自动机模块中的位错密度模型,回复模型,动态再结晶形核和长大模型。通过此模型计算的晶粒尺寸与等温压缩试验的实际晶粒尺寸比较结果证明所建立的元胞自动机模型可以准确的模拟SNCrW在热塑性变形过程中微观组织的演变。基于DEFORM-3D有限元模拟软件,对电镦过程中工件的微观组织进行模拟,同时将之前建立的元胞自动机模型应用于电镦过程,定量分析了这微观组织变化。最后通过比较实际的晶粒尺寸和模拟的实际尺寸,结果显示所建立的元胞自动机模型可以准确定量分析电镦工艺过程的微观组织变化。

关键词： SNCrW 电镦动态再结晶晶粒尺寸元胞自动机

超大规格镍基超合金气阀电镦工艺参数规划系统及应用

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超大规格镍基超合金气阀电镦工艺参数规划系统及应用

作者：赵江重庆大学

学位级别：硕士

超大规格气阀件的电镦工艺是一个涉及电热力多场耦合的电热加工工艺,工艺参数繁多,如加载电流,镦粗力,砧子缸后退速度等。这些工艺参数相互影响且各种参数的自由组合会产生不同的电镦结果,这大大增加了工艺数据管理和工艺参数设计的难... 详细信息

超大规格气阀件的电镦工艺是一个涉及电热力多场耦合的电热加工工艺,工艺参数繁多,如加载电流,镦粗力,砧子缸后退速度等。这些工艺参数相互影响且各种参数的自由组合会产生不同的电镦结果,这大大增加了工艺数据管理和工艺参数设计的难度。为了从历史电镦工艺案例中提取电镦工艺参数设计经验,本文设计开发出一套电镦成形工艺数据管理系统,该系统具备查询历史电镦案例和对比不同电镦案例中的加载工艺参数特点和电镦结果的功能。进一步地,为了解决电镦工艺参数难以设计的问题,本文提出了一个电镦工艺参数自动设计方法。该方法包括三个步骤。首先设计电镦初始状态工艺参数,该过程的设计通过BP神经网络实现,将已经成功的15种不同规格气阀件的电镦案例作为神经网络的训练源数据,可以预测出新气阀件的电镦初始状态工艺参数;第二步是电镦持续加载工艺参数的设计,此部分是通过案例推理的方法实现,将几个不同规格的气阀件作为代表进行大量模拟探究,归纳出每一种规格气阀件所对应的电镦加载模式,将这些不同规格气阀件的不同加载模式下的模拟结果录入进数据库中形成一个案例库,通过检索新气阀件的杆径和选择加载模式来获取相应的镦粗位移分段、电流和力的增加以及减小梯度、电流和力的峰值位置,再结合前面设计的初始状态工艺参数即可初步完成电镦持续加载工艺参数设计;第三步,通过植入自反馈镦粗力调节子程序于电镦有限元模型中,对电镦工艺参数进行微调,借助有限元模拟自动找到在稳定聚料过程中最匹配的电镦电流和镦粗力,最终完成电镦工艺参数自动设计。接下来,将以上的电镦参数自动设计流程植入到一个整体系统中,进而完成超大规格镍基超合金气阀电镦工艺参数规划系统开发。最后,本文以一根直径为55mm的气阀件的电镦工艺设计为例对该系统进行应用评估,结果表明该系统设计的电镦方案合理,且能保证电镦过程的平稳进行。

关键词：电镦工艺数据库工艺管理系统工艺参数自动设计智能系统

镍基超合金气阀坯电镦成形匀细晶调控方法及工艺参数优化

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镍基超合金气阀坯电镦成形匀细晶调控方法及工艺参数优化

作者：潘佳重庆大学

学位级别：硕士

本文主要研究以匀细晶为目标的镍基超合金电镦工艺参数调控方法,通过建立加工图与变形机制图识别出细晶参数区间,进行电镦工艺参数的优化设计,为实际电镦匀细晶组织控制提供理论指导。首先利用热物理模拟试验机完成Nimonic80A镍基耐热... 详细信息

本文主要研究以匀细晶为目标的镍基超合金电镦工艺参数调控方法,通过建立加工图与变形机制图识别出细晶参数区间,进行电镦工艺参数的优化设计,为实际电镦匀细晶组织控制提供理论指导。首先利用热物理模拟试验机完成Nimonic80A镍基耐热合金的等温压缩实验,并采集该合金的真实应力应变数据,结合该应力应变数据建立GA-SVR支持向量回归机本构模型,基于此模型扩充Nimonic 80A的流变应力数据。依据实验与扩充的数据,计算并绘制该合金的功率耗散图和失稳图,进而建立其热加工图和变形机制图,识别合金稳态动态再结晶工艺参数区间。根据识别出的参数区间设计电镦工艺参数非线性加载路径,并构建电镦多场多尺度耦合有限元模型,基于有限元模拟结果,建立晶粒匀细化双目标与电镦工艺参数之间的响应关系,并利用NSGA-Ⅱ遗传算法求解优化电镦工艺参数。本文的主要研究内容及结论如下:(1)利用Gleeble-3500热模拟压缩实验机完成了Nimonic 80A镍基耐热合金在温度范围为1000-1200℃和应变速率范围为0.01-10 s-1的轴对称等温压缩试验,利用采集的真实应力应变数据建立该合金GA-SVR支持向量回归机流变本构模型,并基于此模型扩展该合金的高温应力应变数据。(2)根据实验及预测拓展的应力应变数据,构建Nimonic 80A镍基耐热合金的热加工图及变形机制图,结合金相照片,识别出该合金稳态细晶区间是:温度区间为1075-1125℃,应变速率区间0.045-0.32 s-1。(3)依据变形机制图识别的稳态再结晶参数区间,设计电镦工艺非线性加载路径,结合Nimonic 80A镍基耐热合金的晶粒尺寸模型,建立电镦多场多尺度耦合有限元模型,定量分析电镦制坯过程中坯料的温度、变形状态、晶粒尺寸大小及分布。(4)采用Box-behnken试验设计方法设计电镦有限元模拟方案,统计分析模拟结果,建立电镦件晶粒匀细化双目标与电镦夹持长度、砧子后退速度、镦粗缸镦粗速度以及加热电流等主要工艺参数之间的动态响应关系。利用多目标遗传算法求解优化电镦工艺参数,采用最终优化后的工艺参数模拟得到的晶粒度与不均匀度目标值分别为:32.6933μm和6.5621μm,与原始参数得到结果相比,双目标值分别减小了14.8%和34.7%。

关键词：电镦支持向量回归机晶粒度多目标优化加工图有限元模拟

超大规格镍基合金气阀电镦成形过程几何精度动态评价系统及应用

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超大规格镍基合金气阀电镦成形过程几何精度动态评价系统及应用

作者：温志航重庆大学

学位级别：硕士

超大规格气阀的电镦过程是电-热-力多场耦合的复杂工艺过程,该工艺过程中工艺参数较多且影响复杂,任一工艺参数设置的不合理都可能导致电镦件出现缺陷甚至报废,因而其工艺参数设计难度较大。目前,超大规格气阀电镦工艺成形大多是通过有... 详细信息

超大规格气阀的电镦过程是电-热-力多场耦合的复杂工艺过程,该工艺过程中工艺参数较多且影响复杂,任一工艺参数设置的不合理都可能导致电镦件出现缺陷甚至报废,因而其工艺参数设计难度较大。目前,超大规格气阀电镦工艺成形大多是通过有限元数值模拟的方法辅助实际工艺方案设计。但如何对电镦有限元模拟的几何精度进行动态评价,以验证有限元模型是否对成形过程中电镦件具有可靠的几何形状预测能力是一个亟需解决的问题。此外,当下电镦件的尺寸测量一般采用人工测量,效率低,检测精度差且难以对成形过程中的电镦件尺寸进行测量。因此,寻求一种高效率、高精度的测量方式对成形过程中的电镦件进行测量具有很大实际意义。本文建立了一套超大规格镍基合金电镦成形过程几何精度评价系统,并对电镦有限元模拟几何精度进行了检验评价,实现了超大规格电镦成形过程中电镦件的关键尺寸的实时、高效、高精度测量,并为电镦工艺的数字孪生相关研究奠定了基础。主要研究工作如下:(1)基于Bouguet标定法完成了相机标定,校正了相机图像畸变,提高了拍摄电镦图像的精度;基于机器视觉测量实现了校正后图像中电镦件的识别,完成了电镦件关键尺寸的测量及电镦缺陷轮廓的识别。基于MATLAB平台开发了气阀电镦成形过程几何动态评价系统,实现了电镦过程中工件关键尺寸的动态测量及有限元模拟几何精度的动态评价功能。(2)建立了超大规格气阀电镦有限元模型并对电镦成形过程进行了模拟。基于建立的几何精度动态评价系统,结合实际电镦成形过程对有限元模拟几何精度进行检测与评价,证明了该电镦有限元模型具有较高精度的电镦件几何形状预测能力,可用以指导实际电镦生产。(3)基于建立的电镦有限元模型研究了电流、镦粗力等工艺参数对电镦过程中电镦件蒜头、表面凹坑和表面波浪缺陷的影响,并针对不同缺陷提出了相应的缺陷控制方法。发现增大电流的初始值和电流上升梯度能显著提升电镦成形温度并有效改善电镦件蒜头凹陷;通过调整镦粗力的峰值位置可对表面凹坑缺陷进行有效控制;保持镦粗力加载后期的稳定加载能够有效避免表面波浪缺陷的出现。(4)进行超大规格气阀电镦实验验证电镦成形过程缺陷控制方法的有效性,结果表明该方法效果显著,能够较好消除电镦成形缺陷且能保证电镦过程的平稳进行。对优化方案中的有限元模型几何精度进行了再评价,再次验证了电镦有限元模型的可靠性。

关键词：电镦目标检测几何精度评价系统成形缺陷

基于晶粒匀细化双目标的耐热合金电镦工艺参数优化设计

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基于晶粒匀细化双目标的耐热合金电镦工艺参数优化设计

作者：邹震宇重庆大学

学位级别：硕士

本文主要以电镦过程晶粒均匀细化为目标对电镦工艺参数进行优化设计,为实际电镦生产减少产品微观缺陷提供理论依据。首先利用3Cr20Ni10W2奥氏体耐热合金等温压缩实验真实应力应变数据建立了该材料高温塑性变形过程流变应力BP神经网络本... 详细信息

本文主要以电镦过程晶粒均匀细化为目标对电镦工艺参数进行优化设计,为实际电镦生产减少产品微观缺陷提供理论依据。首先利用3Cr20Ni10W2奥氏体耐热合金等温压缩实验真实应力应变数据建立了该材料高温塑性变形过程流变应力BP神经网络本构模型。结合电-热-力耦合有限元分析方法和材料动态再结晶和晶粒长大过程数学模型构建3Cr20Ni10W2奥氏体耐热合金电镦工艺宏微观多尺度有限元定量分析平台。根据有限元分析结果,采用响应曲面法建立电镦工艺参数与晶粒大小及其分布状态定量指标的动态响应关系,利用遗传算法对电镦工艺晶粒均匀细化双目标进行了工艺参数优化设计。研究结果对合理制定和优化电镦工艺参数具有重要的理论指导意义和实际应用价值。本文主要研究内容及结论如下:(1)在温度为930℃130℃、应变速率为0.01 s-10 s-1的变形条件下对3Cr20Ni10W2奥氏体耐热合金进行等温压缩实验,并利用实验获得的真实应力应变数据,建立了3Cr20Ni10W2奥氏体耐热合金高温塑性变形过程流变应力BP神经网络本构模型。(2)通过***有限元分析软件自带的电-热-力耦合分析平台,结合3Cr20Ni10W2奥氏体耐热合金变形过程动态再结晶及晶粒长大数学模型,建立了电镦过程电-热-力耦合宏微观多尺度有限元定量分析平台,对电镦过程坯料宏观温度分布、变形状态以及微观晶粒尺寸大小及晶粒分布状态进行了定性与定量的研究。(3)采用四因素Box-Behnken试验设计方法设计有限元模拟方案,基于有限元分析结果,采用响应曲面法建立了电镦过程加热电流、夹持长度、镦粗力、砧子缸后退速度等主要工艺参数与晶粒度与晶粒分布不均匀度之间的动态响应关系。以所建立的两个响应曲面模型作为目标函数,采用多目标遗传算法进行多目标优化求解,对电镦工艺参数进行了优化设计,根据工艺参数优化结果,提出一套基于晶粒匀细化目标的电镦工艺参数方案。(4)基于优化工艺参数方案,完成了电镦件的试制实验,经过金相分析,将实验数据与模拟结果进行对比,验证了工艺优化方案的可靠性以及电镦工艺宏微观多尺度有限元定量分析方法的可靠性。

关键词：电镦神经网络晶粒度多目标优化有限元模拟