技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種控制鎳基合金微觀組織分布的模鍛工藝在線規(guī)劃方法，屬于金屬零件成形制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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相對于自由鍛和胎模鍛，通過模鍛工藝生產(chǎn)得到的鍛件具有更高的幾何尺寸精度和成形質(zhì)量，現(xiàn)已成為大批量生產(chǎn)鍛件的主要方法。傳統(tǒng)模鍛工藝規(guī)劃方法通常根據(jù)鍛件材料、幾何形狀等特征，通過對變形過程分析，多次進行模鍛試驗，最終優(yōu)化確定合適的模鍛成形工藝參數(shù)。在實際模鍛過程中，嚴格按照預(yù)先規(guī)劃好的模鍛工藝執(zhí)行，中途不再進行調(diào)整。這種傳統(tǒng)模鍛工藝規(guī)劃方法能夠較好的應(yīng)用于中等品質(zhì)的鍛件生產(chǎn)，但難以滿足生產(chǎn)高品質(zhì)鍛件生產(chǎn)的要求。

根據(jù)美、俄等國經(jīng)驗，高品質(zhì)鎳基合金鍛件通常需要采用低速等溫模鍛的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)周期長，成本昂貴。在模鍛成形過程中，鎳基合金鍛件復(fù)雜的幾何形狀特征將導(dǎo)致鍛坯不同區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)極為復(fù)雜，并且成形工藝參數(shù)具有強時變性特征，進而導(dǎo)致材料微觀組織演變(再結(jié)晶行為，δ相溶解等)極為復(fù)雜。同時，由于超大慣量模鍛裝備具有非線性、滯后性、不確定性等特點，在實際運行過程中難以按照預(yù)先規(guī)劃好的模鍛工藝精確執(zhí)行，因而無法達到鎳基合金鍛件預(yù)期的微觀組織控制目標。為此，藺永誠等人(藺永誠，陳小敏和陳明松.一種面向鍛件目標晶粒組織的等溫模鍛工藝軌跡規(guī)劃方法.中國:cn106424500a[p],2017–2–22.)發(fā)明了一種控制鍛件目標晶粒組織的等溫模鍛工藝軌跡規(guī)劃方法，該方法以控制局部關(guān)鍵部位的晶粒組織為目標，實現(xiàn)了等溫模鍛工藝軌跡規(guī)劃。然而，國內(nèi)外尚未有學(xué)者提出協(xié)同控制鎳基合金鍛件整體微觀組織分布的模鍛工藝在線規(guī)劃方法。

因此，本發(fā)明提出了一種控制鎳基合金鍛件微觀組織分布的模鍛工藝在線規(guī)劃方法，解決了傳統(tǒng)模鍛工藝規(guī)劃方法不能根據(jù)實際模鍛情況進行靈活調(diào)整成形工藝、無法控制鍛件內(nèi)部微觀組織分布的難題。該發(fā)明方法的推廣和應(yīng)用有助于實現(xiàn)鎳基合金鍛件微觀組織分布的準確控制，為生產(chǎn)高品質(zhì)的鎳基合金鍛件提供了有效的技術(shù)途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種控制鎳基合金鍛件微觀組織分布的模鍛工藝在線規(guī)劃方法，解決了傳統(tǒng)模鍛工藝規(guī)劃方法不能根據(jù)實際模鍛情況進行靈活調(diào)整成形工藝、無法控制鍛件微觀組織分布等難題，為制造高品質(zhì)的鎳基合金鍛件提供了有效的技術(shù)途徑。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：通過在線規(guī)劃模鍛工藝對鎳基合金鍛件的微觀組織分布進行準確控制。該方法包括如下步驟：

步驟1：對模鍛成形工藝參數(shù)賦初值，并將模鍛過程細分為m個子過程；

步驟2：在線采集當前模鍛子過程的成形工藝參數(shù)，并預(yù)測材料的微觀組織分布；

步驟3：把當前模鍛子過程的成形工藝參數(shù)、材料微觀組織分布與模鍛工藝知識庫進行匹配和推理，確定后續(xù)模鍛子過程的成形工藝參數(shù)和材料微觀組織分布；

步驟4：把確定的后續(xù)模鍛子過程的成形工藝參數(shù)和材料微觀組織分布導(dǎo)入模鍛系統(tǒng)，并執(zhí)行；

步驟5：循環(huán)執(zhí)行步驟2至4，直至模鍛結(jié)束；

步驟1、2、3、4和5中所述的成形工藝參數(shù)是指模鍛總行程、成形溫度、上模具的下壓速度和下壓位移；步驟2、3和4中所述的微觀組織分布是指動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布、平均晶粒尺寸分布、δ相的動態(tài)溶解體積分數(shù)分布和剩余含量分布。

步驟2中所述的預(yù)測材料的微觀組織分布可采用如下方法：

子步驟1：將微觀組織分布進行區(qū)間劃分，分別建立動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)0～1之間以0.1為間隔、平均晶粒尺寸0～75μm之間以5μm為間隔、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)0～1之間以0.1為間隔和δ相剩余含量0～12％之間以1％為間隔的區(qū)間分布比例預(yù)測模型；

子步驟2：對微觀組織分布在各個區(qū)間內(nèi)進行逐一建模，模型可以表示為：

x(t)＝f[v(t),t(t),v(t),s(t),x(t-1),s(t-1)](1)

式中，t和t-1分別表示當前時刻和前一歷史時刻，v表示該區(qū)間的初始δ相含量，t表示成形溫度，v表示下壓速度，x代表微觀組織在該區(qū)間分布的比例，s表示下壓位移；

子步驟3：微觀組織分布的預(yù)測值可以采用下式計算：

式中，th表示動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布、平均晶粒尺寸分布、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布與剩余含量分布的預(yù)測值，n表示微觀組織分布區(qū)間的個數(shù)，xi表示動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布、平均晶粒尺寸分布、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布與剩余含量分布在第i個區(qū)間的分布比例。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明方法針對鎳基合金鍛件模鍛成形過程中的非線性、時變性和不確定性，根據(jù)在線采集的成形工藝參數(shù)，以鎳基合金鍛件的微觀組織分布為目標，對其模鍛工藝軌跡進行在線規(guī)劃。本發(fā)明方法解決了傳統(tǒng)模鍛工藝規(guī)劃方法不能根據(jù)實際模鍛情況進行靈活調(diào)整成形工藝、無法控制鍛件內(nèi)部微觀組織分布等難題。該發(fā)明方法的推廣和應(yīng)用對實現(xiàn)高品質(zhì)鎳基合金鍛件的制造成形有重要的工程意義。

附圖說明：

圖1鎳基合金鍛件模鍛工藝在線規(guī)劃實施流程；

圖2某型發(fā)動機渦輪盤的二維軸截面示意圖；

圖3遞推多步神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；

圖4模鍛工藝知識庫系統(tǒng)的工作流程；

圖5模鍛工藝知識庫表之間的關(guān)系；

圖6在線規(guī)劃得到的上模具下壓速度與下壓位移之間的關(guān)系；

圖7渦輪盤微觀組織分布目標在線規(guī)劃預(yù)測值與實際模鍛實驗值對比。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明是一種控制鎳基合金微觀組織分布的模鍛工藝在線規(guī)劃方法，其實施流程如圖1所示。下面以某型航空發(fā)動機渦輪盤(圖2所示)的模鍛工藝在線規(guī)劃為例，詳細介紹本發(fā)明涉及的模鍛工藝在線規(guī)劃方法的實施細節(jié)。

本發(fā)明方法主要包括以下步驟：

步驟1:對模鍛成形工藝參數(shù)賦初值，并將模鍛過程細分為m個子過程。其中，成形工藝參數(shù)包括模鍛總行程(st)，成形溫度(t)、上模具的初始下壓速度(v)；子過程數(shù)目為3。同時，確定鎳基合金鍛坯的初始平均晶粒尺寸(d0)，初始δ相含量(v0)；模鍛裝備的最大允許下壓速度(vmax)和最小允許下壓速度(vmin)，以上各參數(shù)的值如表1所示。

表1鍛坯初始參數(shù)設(shè)置

步驟2:在線采集當前模鍛子過程的成形工藝參數(shù)，并預(yù)測材料的微觀組織分布。為了實現(xiàn)渦輪盤當前子過程的微觀組織分布，采用的方法如下：

(1)將微觀組織分布進行區(qū)間劃分，其中動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)0～1之間以0.1為間隔、平均晶粒尺寸0～75μm之間以5μm為間隔、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)0～1之間以0.1為間隔和δ相剩余含量0～12％之間以1％為間隔。利用正交實驗法，設(shè)計出32組渦輪盤模鍛成形實驗方案，并利用有限元軟件進行仿真模擬實驗，獲得渦輪盤內(nèi)部微觀組織分布數(shù)據(jù)。表2為渦輪盤有限元仿真模擬實驗?zāi)ｅ懗尚喂に噮?shù)。采用遞推多步遺傳算法與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合的方法建立鎳基合金渦輪盤的微觀組織分布預(yù)測模型，如圖3所示。

表2渦輪盤有限元仿真模擬實驗?zāi)ｅ懗尚喂に噮?shù)

(2)對微觀組織分布在各個區(qū)間內(nèi)進行逐一建模，模型可以表示為：

x(t)＝f[v(t),t(t),v(t),s(t),x(t-1),s(t-1)](3)

式中，t和t-1分別表示當前時刻和前一歷史時刻，v表示該區(qū)間的初始δ相含量，t表示成形溫度，v表示下壓速度，x代表微觀組織在該區(qū)間分布的比例，s表示下壓位移；

(3)微觀組織分布的預(yù)測值采用下式計算：

式中，th表示動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布、平均晶粒尺寸分布、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布與剩余含量分布的預(yù)測值，n表示微觀組織分布區(qū)間的個數(shù)，xi表示動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布、平均晶粒尺寸分布、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布與剩余含量分布在第i個區(qū)間的分布比例。

步驟3:把當前模鍛子過程的成形工藝參數(shù)、材料微觀組織分布與模鍛工藝知識庫進行匹配和推理，確定后續(xù)模鍛子過程的成形工藝參數(shù)和材料微觀組織分布。建立模鍛工藝知識庫需要獲取大量的成形工藝參數(shù)信息和微觀組織分布，并正確高效地管理應(yīng)用這些知識，模鍛工藝知識庫系統(tǒng)的工作流程，如圖4所示。知識庫系統(tǒng)主要包括五類知識：成形工藝參數(shù)知識、動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布知識、平均晶粒尺寸分布知識、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布知識和δ相剩余含量分布知識。根據(jù)上述五類知識，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，分別創(chuàng)建知識庫表文件，即成形工藝參數(shù)知識表，動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布知識表、平均晶粒尺寸分布知識表、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布知識表和δ相剩余含量分布知識表。各知識表及包含的屬性信息，如圖5所示。

在推理過程中，以工藝序號作為各知識表的主鍵，采用逐步篩選逼近的方法，確定后續(xù)模鍛子過程的成形工藝參數(shù)和材料微觀組織分布的步驟如下為：

(1)在成形工藝參數(shù)知識表中，通過逐步匹配實時采集得到的成形工藝參數(shù)與表中對應(yīng)知識(如下壓量、成形溫度和下壓速度)的方法，可以推理、決策得到若干組可能對應(yīng)的成形工藝，記錄工藝序號；

(2)利用第一步?jīng)Q策得到的工藝序號，直接在動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布知識表中進行匹配，縮小信息匹配范圍；在篩選得到的結(jié)果中，匹配預(yù)測得到的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布信息與表中的對應(yīng)知識，可以推理獲得若干組可能對應(yīng)的成形工藝，記錄工藝序號，進一步縮小工藝序號范圍；

(3)采用類似的方法，在平均晶粒尺寸分布知識表、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布知識表和δ相剩余含量分布知識表中逐一逼近篩選，最終可以決策得到唯一的一條工藝序號；

(4)進而通過該工藝序號，在δ相剩余含量分布知識表中，查詢獲得下一子過程工藝序號，通過此工藝序號，可以確定下一子過程的成形工藝參數(shù)信息和當前材料狀態(tài)信息。

步驟4:把確定的后續(xù)模鍛子過程的成形工藝參數(shù)和材料微觀組織分布導(dǎo)入模鍛系統(tǒng)，并執(zhí)行。

步驟5:循環(huán)執(zhí)行步驟2至4，直至模鍛結(jié)束。

在渦輪盤模鍛完成之后，經(jīng)檢驗確定渦輪盤模鍛件質(zhì)量實際情況。如果質(zhì)量合格，那么可以認定為模鍛成功案例，并把該次模鍛采用的成形工藝參數(shù)信息和微觀組織分布，依照智能模鍛工藝知識庫中表文件的格式進行分類處理，形成知識，對知識庫進行離線更新擴充。

通過本發(fā)明的方法對模鍛工藝進行在線規(guī)劃后，得到的每個模鍛子過程的下壓速度，如圖6所示。根據(jù)表1中的渦輪盤模鍛工藝初始化參數(shù)設(shè)置和圖6中所示的模鍛子過程下壓速度的優(yōu)化結(jié)果，輸入到模鍛裝備中進行渦輪盤模鍛實驗。采用在線規(guī)劃工藝參數(shù)獲得的鎳基合金渦輪盤的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)分布目標(th1)、平均晶粒尺寸分布目標(th2)、δ相動態(tài)溶解體積分數(shù)分布目標(th3)和δ相剩余含量分布目標(th4)的預(yù)測值與實驗值的對比結(jié)果，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的方法，th1、th2、th3和th4的預(yù)測值分別為91.3、87.1％、88.2％和93.4％。而實際渦輪盤模鍛實驗得到的th1、th2、th3和th4實驗值分別能夠達到92.2％、86.4％、86.5％和91.9％。進一步可發(fā)現(xiàn)，鎳基合金渦輪盤微觀組織分布目標預(yù)測值與實驗值之間的誤差小于±1.7％。這表明采用本發(fā)明方法可實現(xiàn)滿足鎳基合金鍛件微觀組織分布目標的模鍛工藝在線規(guī)劃，為生產(chǎn)高品質(zhì)的鎳基合金鍛件提供了有效的技術(shù)途徑。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實例進行了描述，但本發(fā)明不局限于上述具體的實施方式，上述的具體實施方式僅是示例性的，不是局限性的，任何不超過本發(fā)明權(quán)利要求的發(fā)明創(chuàng)造，均在本發(fā)明的保護之內(nèi)。