本發明涉及一種面向鍛件目標晶粒組織的等溫模鍛工藝軌跡規劃方法，屬于等溫模鍛成形技術領域。

背景技術：
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等溫模鍛成形技術具有降低鍛坯變形抗力、摩擦阻力，提高鍛坯的流動性、成形性等諸多優點，廣泛應用于大型復雜零件的制造成形。然而，在等溫模鍛時，鍛件的晶粒組織與綜合性能受等溫模鍛成形工藝軌跡的影響十分顯著。實際生產中的粗晶、混晶等組織不均勻的現象，極易降低鍛件的綜合性能。如何在等溫模鍛過程中確保鍛件晶粒組織的穩定性和一致性，是實現高品質大型復雜零件等溫模鍛成形迫切需要解決的關鍵問題。

已有研究中，為了獲得晶粒組織分布均勻的鍛件，通常在等溫模鍛開始之前，預規劃好等溫模鍛工藝軌跡，在實際等溫模鍛過程中不再進行調整。然而，預規劃的等溫模鍛工藝軌跡往往無法實現高性能鍛件成形過程與微觀組織的精確控制。這是因為：一方面等溫模鍛裝備具有大慣性、滯后性、強非線性、不確定性等特點，導致實際等溫模鍛工藝軌跡與預規劃的等溫模鍛工藝軌跡之間存在一定的偏差，進而導致鍛件的實際晶粒組織不可避免偏離預設目標晶粒組織，因此，鍛件的品質無法保證；另一方面，在等溫模鍛過程中，無法在線測量鍛坯的非線性流變特性以及內部微觀組織，導致無法精確控制鍛件的晶粒組織。

為了實現高品質零件的等溫模鍛成形，本發明方法基于實時感知的工況信息，充分考慮模鍛成形過程的非線性、時變性和不確定性，提出一種面向鍛件目標晶粒組織的等溫模鍛工藝軌跡規劃方法，從而確保鍛件品質的穩定性和一致性。

技術實現要素：
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本發明的目的在于提供一種面向鍛件目標晶粒組織的等溫模鍛工藝軌跡規劃方法。采用該方法不僅能夠精確控制鍛件等溫模鍛成形過程中的晶粒組織，而且可以確保鍛件品質的穩定性和一致性。

為達到上述目的，本方面的采用的技術方案是：通過改變等溫模鍛工藝軌跡，確保預設目標晶粒組織不變，從而有效地保障鍛件品質的穩定性和一致性，該方法的包括如下步驟：

步驟1：輸入鍛坯初始信息、預設目標晶粒組織、預規劃的工藝軌跡信息，以及等溫模鍛裝備參數，開始等溫模鍛；

步驟2：在線感知當前子過程的工況信息，并預測當前的和按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織；

步驟3：計算預測的等溫模鍛結束時晶粒組織和預設目標晶粒組織之間的偏差，規劃后續子過程的等溫模鍛工藝軌跡，并執行；

步驟4：重復步驟(2)和(3)，直至等溫模鍛結束；

按照上述方法，步驟1所述鍛坯初始信息為：初始再結晶分數(X₀)，初始平均晶粒尺寸(d₀)；預設目標晶粒組織為：預設目標再結晶分數(X_target)，預設目標平均晶粒尺寸(d_target)，目標平均晶粒尺寸的允許偏差(δ)；預規劃的工藝軌跡信息為：等溫模鍛子過程數目m，等溫模鍛總行程(s_total)，等溫模鍛溫度(T₀)，預規劃的等溫模鍛壓下速度(v₀)隨等溫模鍛行程(s)的變化曲線，子過程之間的保溫時間(Δt)；等溫模鍛裝備參數為：最大容許壓下速度(v_max)和最小容許壓下速度(v_min)。

按照上述方法，步驟2中所述的預測當前的晶粒組織主要包括以下兩個部分：

(1)在當前子過程的變形階段，當前時刻的晶粒組織預測模型為：

X_(i,k)＝f[X_(i,k-1),T_(i,k),s_(i,k),v_(i,k),s_(i,k-1),v_(i,k-1)] (1)

d_(i,k)＝f[d_(i,k-1),T_(i,k),s_(i,k),v_(i,k),s_(i,k-1),v_(i,k-1)] (2)

其中，X_(i,k)和d_(i,k)分別為當前時刻的再結晶分數和平均晶粒尺寸，X_(i,k-1)和d_(i,k-1)分別為前一時刻的再結晶分數和平均晶粒尺寸，T_(i,k)、s_(i,k)和v_(i,k)分別為當前時刻的等溫模鍛溫度、等溫模鍛行程和等溫模鍛壓下速度，s_(i,k-1)和v_(i,k-1)分別為前一時時刻的等溫模鍛行程和等溫模鍛壓下速度；

(2)在當前子過程的保溫階段，當前時刻的晶粒組織預測模型為：

XH_(i,k)＝f[XH_(i,0),T_(i,k),v_(i,0),Δt_(i,k),Δt_(i,k-1)] (3)

dH_(i,k)＝f[dH_(i,0),T_(i,k),v_(i,0),Δt_(i,k),Δt_(i,k-1)] (4)

其中，XH_(i,k)和dH_(i,k)為當前時刻的再結晶分數和平均晶粒尺寸，XH_(i,0)和dH_(i,0)分別為保溫開始時的再結晶分數和平均晶粒尺寸，T_(i,k)為當前時刻的保溫溫度，v_(i,0)為保溫開始前的等溫模鍛壓下速度，Δt_(i,k)為當前時刻的保溫時間，Δt_(i,k-1)為前一時刻的保溫時間；

按照上述方法，步驟3中所述的預測按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織主要包括以下兩個部分：

(1)在當前子過程的變形階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織預測模型為：

X_(i,final)＝f[X_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (5)

d_(i,final)＝f[d_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (6)

其中，X_(i,final)和d_(i,final)分別為在當前子過程的變形階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時再結晶分數和平均晶粒尺寸，X_(i,k)和d_(i,k)分別為當前時刻的再結晶分數和平均晶粒尺寸，v_(i+1,k)為下一個子過程的等溫模鍛壓下速度，s_(i,k)，s_(i+1,k)，s_(i+2,k)，……s_(m,k)分別為第i，i+1，i+2，……m個子過程的等溫模鍛行程，T_(i,k)為當前子過程的等溫模鍛溫度；

(2)在當前子過程的保溫階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織預測模型為：

X_(i,final)＝f[XH_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (7)

d_(i,final)＝f[dH_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (8)

其中，XH_(i,final)和dH_(i,final)分別為在當前子過程的保溫階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的再結晶分數和平均晶粒尺寸預測值。

按照上述方法，步驟3中所述的計算預測的等溫模鍛結束時晶粒組織和預設目標晶粒組織之間的偏差主要包括以下兩個部分：

(1)在當前子過程的變形階段，晶粒組織偏差的計算公式為：

Y(i,k)＝X_(i,final)-X_target (9)

其中，Y(i,k)分別為在當前子過程預測的等溫模鍛結束時再結晶分數與預設目標再結晶分數之差，J(i,k)為在當前子過程預測的等溫模鍛結束時平均晶粒尺寸與預設目標平均晶粒尺寸之差，X_(i,final)和d_(i,final)分別為在當前子過程的變形階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的再結晶分數和平均晶粒尺寸預測值，X_target和d_target分別為預設目標再結晶分數和平均晶粒尺寸；

(2)在當前子過程的保溫階段，晶粒組織偏差的計算公式為：

Y(i,k)＝XH_(i,final)-X_target (11)

其中，XH_(i,final)和dH_(i,final)分別為在當前子過程的保溫階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的再結晶分數和平均晶粒尺寸預測值。

按照上述方法，步驟3中所述的規劃后續子過程的等溫模鍛工藝軌跡，主要包括以下子步驟：

(1)在當前子過程，判斷預測的按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時再結晶分數與預設目標再結晶分數之差是否滿足：Y(i,k)≥0，若滿足，則繼續判斷預測的按照當前工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的平均晶粒尺寸與預設目標平均晶粒尺寸之差是否滿足：J(i,k)≤δ，若滿足，則后續子過程的等溫模鍛工藝軌跡為：以當前子過程的等溫模鍛壓下速度進行后續子過程；

(2)在當前子過程，若Y(i,k)＜0，則將減小后續子過程的等溫模鍛壓下速度，直到能夠滿足Y(i,k)≥0時，繼續判斷J(i,k)≤δ是否滿足，若滿足，則后續子過程的等溫模鍛工藝軌跡為：以減小后的等溫模鍛壓下速度進行后續子過程；

(3)若將當前子過程的等溫模鍛壓下速度重新規劃后，仍然不能滿足Y(i,k)≥0，則在當前子過程變形階段結束之前，規劃一次保溫工藝，保溫為Δt s，再次判斷Y(i,k)≥0是否滿足，若滿足，則繼續判斷J(i,k)≤δ是否滿足，若滿足，則將規劃的保溫時間Δt輸出，同時確定后續過程的等溫模鍛工藝軌跡為：先進行Δt的保溫工藝，再以當前的等溫模鍛壓下速度進行后續子過程；

(4)若在當前子過程結束時，增加Δt s保溫的工藝仍然不能滿足Y(i,k)≥0，則繼續將保溫時間增加為nΔt s(n為正整數)，直到能夠同時滿足Y(i,k)≥0和J(i,k)≤δ時停止規劃，并將規劃的保溫時間nΔt輸出，同時確定后續子過程的等溫模鍛工藝軌跡為：先進行nΔt的保溫工藝，再以當前的等溫模鍛壓下速度進行后續子過程；

本發明的優點在于：本發明方法針對等溫模鍛成形過程中的非線性、時變性和不確定性特征，根據實時感知的工況信息，以預設晶粒組織為目標，對鍛件的等溫模鍛工藝軌跡進行在線規劃。該方法解決了傳統模鍛成形無法精確控制模鍛成形過程與晶粒組織的難題。該方法的發明和推廣應用對高品質模鍛件的制造成形有重要的工程意義。

附圖說明

圖1等溫模鍛工藝軌跡規劃方法流程圖

圖2某型發動機I級渦輪盤的二維軸截面示意圖

圖3渦輪盤的關鍵部位的晶粒組織分布規律：(a)再結晶分數；(b)平均晶粒尺寸

圖4預規劃的等溫模鍛壓下速度隨等溫模鍛行程的變化曲線

圖5變形階段遞推多步神經網元絡預測模型：(a)再結晶分數；(b)平均晶粒尺寸

圖6渦輪盤等溫模鍛壓下速度與等溫模鍛行程之間的變化關系：(a)未采用本發明；(b)采用本發明方法

圖7渦輪盤關鍵部位P5處的再結晶分數與等溫模鍛行程之間的變化關系：(a)未采用本發明；(b)采用本發明方法

圖8渦輪盤關鍵部位P5處的平均晶粒尺寸與等溫模鍛行程之間的變化關系；(a)未采用本發明；(b)采用本發明方法

圖9未采用本發明方法獲得的渦輪盤微觀組織分布規律：(a)再結晶分數；(b)平均晶粒尺寸

圖10采用本發明方法獲得的渦輪盤微觀組織分布規律：(a)再結晶分數；(b)平均晶粒尺寸

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細的說明。

本發明是一種面向鍛件目標晶粒組織的等溫模鍛工藝軌跡規劃方法，其流程圖如圖1所示。下面以某型發動機I級渦輪盤的等溫模鍛成形為例，詳細介紹本發明涉及的模鍛工藝軌跡規劃方法的實施細節。

圖2所示為某型發動機I級渦輪盤的二維軸截面示意圖，該渦輪盤的基體材料為GH4169合金。選取位于渦輪盤難變形區域內的一系列關鍵部位，P₁、P₂、P₃、P₄和P₅，其坐標如表1所示。首先以等溫模鍛溫度為960℃，等溫模鍛壓下速度為0.5mm/s的工況條件，模擬渦輪盤的等溫模鍛成形，跟蹤關鍵部位P₁、P₂、P₃、P₄和P₅的晶粒組織分布規律，如圖3所示。經分析可知，關鍵部位P5點位于渦輪盤的心部，該處一旦出現混晶組織，將直接影響渦輪盤的整體服役性能。此外，當關鍵部位P5的晶粒組織滿足要求時，P₁和P₂處的晶粒組織也能夠滿足要求，而P₃和P₄處的晶粒組織尚不能滿足要求。但是，由于P₃和P₄位于渦輪盤的邊緣部位，等溫模鍛成形結束后會通過機加工去除該部位。因此，本方法以關鍵部位P5作為晶粒組織調控的主要控制對象，對渦輪盤的等溫模鍛工藝軌跡進行規劃。

表1渦輪盤關鍵部位的坐標

本發明方法主要包括以下步驟：

步驟1：輸入鍛坯初始信息、預設目標晶粒組織、預規劃的工藝軌跡信息，以及等溫模鍛裝備參數，開始等溫模鍛；其中，渦輪盤鍛坯初始信息為：初始再結晶分數(X₀)，初始平均晶粒尺寸(d₀)；預設目標晶粒組織為：預設目標再結晶分數(X_target)，預設目標平均晶粒尺寸(d_target)，目標平均晶粒尺寸的允許偏差(δ)；預規劃的工藝軌跡信息為：等溫模鍛子過程數目m，等溫模鍛總行程(s_total)，等溫模鍛溫度(T₀)，預規劃的等溫模鍛壓下速度(v₀)隨等溫模鍛行程(s)的變化曲線，子過程之間的保溫時間(Δt)；等溫模鍛裝備參數為：最大容許壓下速度(v_max)和最小容許壓下速度(v_min)。以上各參數的值如表2所示。預規劃的等溫模鍛壓下速度(v₀)隨等溫模鍛行程(s)的變化曲線，如圖4所示。

表2渦輪盤鍛坯初始信息、預設目標晶粒組織、預規劃的工藝軌跡信息，以及等溫模鍛裝備參數

步驟2：在線感知當前子過程的工況信息，并預測當前的和按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織；

為了預測當前的和按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織，首先建立渦輪盤關鍵部位P₅的晶粒組織測模型。利用正交實驗法，設計出50組渦輪盤等溫模鍛成形實驗方案，并利用有限元軟件進行模擬實驗，獲得渦輪盤關鍵部位的晶粒組織演變數據。表3為渦輪盤正交實驗各因素的水平取值，其中，T為等溫模鍛溫度，v₁、v₂和v₃分別為三個子過程的等溫模鍛壓下速度。Δt₁為第一和第二個子過程之間的保溫時間、Δt₂為第二和第三個子過程之間的保溫時間。

表3渦輪盤正交實驗各因素的水平

渦輪盤關鍵部位在當前子過程變形階段的晶粒組織預測模型為：

X_(i,k)＝f[X_(i,k-1),T_(i,k),s_(i,k),v_(i,k),s_(i,k-1),v_(i,k-1)] (1)

d_(i,k)＝f[d_(i,k-1),T_(i,k),s_(i,k),v_(i,k),s_(i,k-1),v_(i,k-1)] (2)

其中，X_(i,k)和d_(i,k)分別為在變形階段當前時刻的再結晶分數和平均晶粒尺寸，X_(i,k-1)和d_(i,k-1)分別為前一時刻的再結晶分數和平均晶粒尺寸，T_(i,k)，s_(i,k)，v_(i,k)分別為當前時刻的等溫模鍛溫度、等溫模鍛行程和等溫模鍛壓下速度，s_(i,k-1)和v_(i,k-1)分別為前一時時刻的等溫模鍛行程和等溫模鍛壓下速度。

渦輪盤關鍵部位在當前子過程保溫階段的晶粒組織預測模型為

XH_(i,k)＝f[XH_(i,0),T_(i,k),v_(i,0),Δt_(i,k),Δt_(i,k-1)] (3)

dH_(i,k)＝f[dH_(i,0),T_(i,k),v_(i,0),Δt_(i,k),Δt_(i,k-1)] (4)

其中，XH_(i,k)和dH_(i,k)為在保溫階段當前時刻的再的結晶分數和平均晶粒尺寸，XH_(i,0)和dH_(i,0)分別為保溫開始時的再結晶分數晶粒尺寸，T_(i,k)為當前時刻的保溫溫度，v_(i,0)為保溫開始前的等溫模鍛壓下速度，Δt_(i,k)為當前時刻的保溫時間，Δt_(i,k-1)為前一時刻的保溫時間，這些變量的值均通過模擬實驗獲得；

采用遞推多步神經元網絡模型建立渦輪盤等溫模鍛全過程中關鍵部位的晶粒組織演變模型。圖5所示為當前子過程變形階段再結晶分數和平均晶粒尺寸的神經元網絡模型的結構示意圖，保溫階段的神經元網絡結構與變形階段的類似。從圖5中可以看出，該結構由一個輸入層、一個隱含層和一個輸出層組成，其中輸入層由等溫模鍛工藝參數s_(i,k)、v_(i,k)、T_(i,k)、s_(i,k-1)、v_(i,k-1)和歷史晶粒組織信息(X_(i,k-1)或d_(i,k-1))組成。采用MATLAB軟件對多步遞推神經元網絡模型進行訓練，不斷調整多步遞推神經元網絡模型的權值矩陣和閾值，直至達到設定的訓練目標時，保存該多步遞推神經元網絡模型。

預測按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織主要包括以下兩個部分：

(1)在當前子過程的變形階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織預測模型為：

X_(i,final)＝f[X_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (5)

d_(i,final)＝f[d_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (6)

其中，X_(i,final)和d_(i,final)分別為在當前子過程的變形階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時再結晶分數和平均晶粒尺寸，X_(i,k)和d_(i,k)分別為當前時刻的再結晶分數和平均晶粒尺寸，v_(i+1,k)為下一個子過程的等溫模鍛壓下速度，s_(i,k)，s_(i+1,k)，s_(i+2,k)，……s_(m,k)分別為第i，i+1，i+2，……m個子過程的模鍛行程，T_(i,k)為當前子過程的等溫模鍛溫度；

(2)在當前子過程的保溫階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的晶粒組織預測模型為：

X_(i,final)＝f[XH_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (7)

d_(i,final)＝f[dH_(i,k),v_(i+1,k),s_(i,k),s_(i+1,k),s_(i+2,k)...,s_(m,k),T_(i,k)] (8)

其中，XH_(i,final)和dH_(i,final)分別為在當前子過程的保溫階段，按照當前等溫模鍛工藝軌跡執行到等溫模鍛結束時的再結晶分數和平均晶粒尺寸預測值。

步驟3：計算預測的等溫模鍛結束時晶粒組織和預設目標晶粒組織之間的偏差，規劃下一個子過程的等溫模鍛工藝軌跡，并執行

步驟4：重復步驟2和3，直至等溫模鍛結束。

圖6(b)所示為采用本發明方法的各個子過程的等溫模鍛工藝軌跡；采用本發明方法的模鍛工藝軌跡為：1)在第1個子過程，等溫模鍛工藝軌跡與為按照預規劃的等溫模鍛壓下速度(0.025mm/s)進行第1個子過程，在第1個子過程即將結束時，本發明方法根據第1個子過程所感知的工況信息，規劃出了后續子過程的工藝軌跡為：在模鍛行程190mm處先保溫50s，然后以0.12mm/s的等溫模鍛壓下速度進行后續子過程；2)在第2個子過程，先執行新規劃的工藝軌跡，并在該子過程結束時，繼續根據第2個子過程所感知的工況信息，規劃出后續子過程的工藝軌跡為：在模鍛行程為200mm處先保溫10s，以0.032mm/s的等溫模鍛壓下速度進行后續子過程；3)在第3個子過程，執行新規劃的等溫模鍛工藝軌跡。

上面結合附圖對本發明的實例進行了說明，但本發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。任何不超過本發明權利要求的發明，均在本發明的保護范圍之內。