內(nèi)容提要：本文首先論述了材料熱加工工藝模擬研究的重大意義；回顧、分析了國(guó)內(nèi)外熱加工工藝模擬的研究歷程和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和方向；提出了我國(guó)在該領(lǐng)域開(kāi)展研究與應(yīng)用工作的建議。

 

當(dāng)前，金屬材料仍是應(yīng)用范圍最為廣泛的機(jī)械工程材料，材料熱加工(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等)是機(jī)械制造業(yè)重要的加工工序，也是材料與制造兩大行業(yè)的交叉和接口技術(shù)。材料經(jīng)熱加工才能成為零件或毛坯，它不僅使材料獲得一定的形狀、尺寸，更重要的是賦予材料最終的成份、組織與性能。由于熱加工兼有成形和改性兩個(gè)功能，因而與冷加工及系統(tǒng)的材料制備相比，其過(guò)程質(zhì)量控制具有更大的難度。因此，對(duì)材料熱加工過(guò)程進(jìn)行工藝模擬進(jìn)而優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，具有更為迫切的需求。近二十多年來(lái)，材料熱加工工藝模擬技術(shù)得到迅猛發(fā)展，成為該領(lǐng)域最為活躍的研究熱點(diǎn)及技術(shù)前沿。

 

金屬材料熱加工過(guò)程是極其復(fù)雜的高溫、動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)過(guò)程，難以直接觀察。在這個(gè)過(guò)程中，材料經(jīng)液態(tài)流動(dòng)充型、凝固結(jié)晶、固態(tài)流動(dòng)變形、相變、再結(jié)晶和重結(jié)晶等多種微觀組織變化及缺陷的產(chǎn)生與消失等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金變化而最后成為毛坯或構(gòu)件。我們必須控制這個(gè)過(guò)程使材料的成分、組織、性能最后處于最佳狀態(tài)，必須使缺陷減到最小或?qū)⑺��?qū)趕到危害最小的地方去。但這一切都不能直接觀察到，間接測(cè)試也十分困難。

長(zhǎng)期以來(lái)，基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)難以定量指導(dǎo)材料加工過(guò)程，材料熱加工工藝設(shè)計(jì)只能建立在“經(jīng)驗(yàn)”基礎(chǔ)上。近年來(lái)，隨著試驗(yàn)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和材料成形理論的深化，材料成形過(guò)程工藝設(shè)計(jì)方法正在發(fā)生著質(zhì)的改變。材料熱加工工藝模擬技術(shù)就是在材料熱加工理論指導(dǎo)下，通過(guò)數(shù)值模擬和物理模擬，在試驗(yàn)室動(dòng)態(tài)仿真材料的熱加工過(guò)程，預(yù)測(cè)實(shí)際工藝條件下材料的最后組織、性能和質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。它將使材料熱加工沿此方向由“技藝”走向“科學(xué)”，并為實(shí)現(xiàn)虛擬制造邁出第一步，使機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)水平產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

 

我國(guó)重大機(jī)電設(shè)備研制、生產(chǎn)的一個(gè)難點(diǎn)是大件制造；大件制造的關(guān)鍵又是熱加工。我國(guó)在2015年以前，水電、火電、核電、冶金、礦山、石化等重大機(jī)電設(shè)備對(duì)關(guān)鍵大件制造均有迫切的需求。以三峽水電機(jī)組為例，單機(jī)容量達(dá)70萬(wàn)千瓦，五大部件(轉(zhuǎn)輪、蝸殼、主軸、座環(huán)、頂蓋)的重量和尺寸均居世界第一。其轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)9.8米，重量達(dá)500噸，采用鑄焊結(jié)構(gòu)，制造難度很大。

由于大件形大體重，品種多，批量小，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，造價(jià)高，迫切要求“一次制造成功”，一旦報(bào)廢，在經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上都損失慘重，無(wú)法挽回。由于傳統(tǒng)的熱加工工藝設(shè)計(jì)只能憑經(jīng)驗(yàn)，采用試錯(cuò)法(Test and Error Method)，無(wú)法對(duì)材料內(nèi)部宏觀、微觀結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行理想控制，因而發(fā)生多次大件報(bào)廢的慘痛事故，投入使用的大件，也難以消除縮孔、縮松、夾雜、偏析、熱裂、冷裂、混晶等缺陷，很多大件帶傷運(yùn)行。建立在工藝模擬、優(yōu)化基礎(chǔ)上的熱加工工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，可以將“隱患”消滅在計(jì)算機(jī)擬實(shí)加工的反復(fù)比較中，從而確保關(guān)鍵大件一次制造成功。這已為國(guó)內(nèi)外不少應(yīng)用實(shí)例所證實(shí)。

 

熱加工是制造業(yè)的重要工序，制造業(yè)的發(fā)展及制造模式的變革離不開(kāi)熱加工的技術(shù)進(jìn)步。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)用“知識(shí)/自動(dòng)化的不同發(fā)展階段對(duì)制造業(yè)的影響”的圖表(見(jiàn)圖1)形象地說(shuō)明設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平對(duì)知識(shí)及自動(dòng)化的依賴關(guān)系[1]。從知識(shí)這一坐標(biāo)看，人類經(jīng)歷了從技藝→手冊(cè)指導(dǎo)→專家系統(tǒng)的過(guò)程，要達(dá)到更為完善的水平，必須進(jìn)行過(guò)程/工藝模擬。因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)模擬仿真，人們才能認(rèn)識(shí)過(guò)程的本質(zhì)，預(yù)測(cè)并優(yōu)化過(guò)程的結(jié)果，并快速對(duì)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)變化作出設(shè)計(jì)及工藝的改變；另外，只有通過(guò)過(guò)程模擬，才能使設(shè)計(jì)與制造聯(lián)成一體。它是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)、制造，擬實(shí)設(shè)計(jì)、制造以及分布式設(shè)計(jì)、制造的知識(shí)(技術(shù))基礎(chǔ)。

 

本研究領(lǐng)域涉及金屬材料的鑄造、鍛壓、焊接、 熱處理等熱加工學(xué)科；物理化學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、材料成形理論、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)、金屬學(xué)、金屬物理學(xué)等技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科；計(jì)算機(jī)應(yīng)用、測(cè)試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料等高新技術(shù)學(xué)科。本項(xiàng)研究的學(xué)術(shù)價(jià)值在于：以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、測(cè)試技術(shù)為手段，架起技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科與金屬材料熱加工的橋梁，使基礎(chǔ)學(xué)科的理論能夠直接定量地指導(dǎo)材料熱加工過(guò)程，體現(xiàn)了基礎(chǔ)學(xué)科、高新技術(shù)與材料熱加工學(xué)科三者之間的相互交叉和有機(jī)結(jié)合。它使材料熱加工學(xué)科由“技藝”真正成為一門“科學(xué)”，它將推動(dòng)材料熱加工理論、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)金相學(xué)、計(jì)算機(jī)體視學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、并行工程等新興交叉學(xué)科的形成發(fā)展。