轴类大锻件锻造工艺方法及成形机理研究

摘要

轴类大锻件一般用于传动轴，是机器设备的关键和核心部件，是制造重大装备的基础件，质量要求十分严格。在其锻造过程中，常因裂纹、气泡、夹杂（渣）、疏松、偏析等缺陷而报废，且大锻件尺寸精度难以控制，导致切削余量大、材料利用率低，因此，必须制定合理的锻造工艺方法改善或消除这些缺陷，通过相应的尺寸控制方法提高锻件尺寸精度，以获得高质量的成形锻件。本论文的研究课题来源于广州市科技计划项目（2008Z1-D221）“长轴类复杂大锻件锻造关键技术的研究及其在船舶工业中的应用”。
　　 本文以4吨电液锤锻造7．8吨螺旋桨轴为研究内容，对轴类大锻件锻造的压方、拔长和倒棱滚圆三个工艺过程，应用有限元软件DEFORM-3D建立相应的分析模型，研究不同工艺方法和工艺参数对大锻件质量的影响，具体研究内容及结论如下：
　　 （1）压方过程模拟中，从锻件内部应力状态、锻透性及锻件裂纹三个方面对比分析了平砧压方和90°V型砧压方两种工艺方法，结果显示采用90°V型砧压方时，锻件的质量得到显著提高，同时确定了90°V型砧压方时的最佳压下量。
　　 （2）拔长过程模拟中，对平砧拔轴类大锻件的三个主要问题进行模拟研究，即锻件心部孔洞锻合、拔长效率和锻件内部晶粒演化及分布。得到了压下量、锻锤打击速度对锻件心部孔洞锻合的影响趋势；通过正交试验设计，分析了锻件翻转方式、终锻砧距及送进量对拔长效率的影响，并得到了一组优化的工艺参数，提高了拔长效率；建立了晶粒演化模型，模拟了锻件变形过程中各特征区域的晶粒大小的变化及分布情况。
　　 （3）倒棱滚圆模拟中，研究了平砧、90°V型砧及120°V型砧三种工艺方法，比较了三种工艺方法下锻件内部应力应变状态及尺寸精度的优劣，根据模拟结果选择120°V型砧倒棱滚圆，并制定了相应的工艺参数。
　　 最后，对锻造模型和微观组织模型进行了试验验证，通过模拟结果和试验结果的比较和分析，验证了本文所建立的锻造模型和微观组织模型的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 轴类大锻件生产现状及锻造工艺概述

1.2.1 国内外轴类大锻件生产现状

1.2.2 轴类大锻件生产工艺概述

1.3 有限元模拟技术在大锻件锻造工艺中的应用

1.3.1 锻造工艺的模拟方法概述

1.3.2 有限元模拟技术在大锻件锻造工艺中的应用现状

1.4 课题研究的背景、目的及意义

1.5 课题研究的主要内容

1.6 本章小结

第二章 热力耦合刚粘塑性有限元理论基础及Deform-3D软件

2.1 引言

2.2 刚粘塑性有限元法的基本理论

2.2.1 刚粘塑性力学的基本方程和边界条件

2.2.2 刚粘塑性变分原理

2.2.3 刚粘塑性有限元求解过程

2.3 热力耦合有限元分析技术

2.3.1 塑性变形过程中的传热学基本方程

2.3.2 热力耦合计算步骤

2.4 有限元软件DEFORM-3D介绍

2.4.1 DEFORM-3D概述

2.4.2 DEFORM-3D的模块结构

2.5 大锻件锻造过程有限元建模的关键技术

2.5.1 模型的简化与假设

2.5.2 局部网格细化技术

2.5.3 多工步锻造过程控制

2.5.4 多工步锻造过程模拟方案设计

2.6 本章小结

第三章 压方工艺研究

3.1 引言

3.2 初始有限元模型

3.3 不同压方工艺下锻件心部质量分析

3.3.1 锻件内部应力状态

3.3.2 锻透性分析

3.4 大锻件裂纹数值模拟

3.4.1 空穴扩张比理论基础

3.4.2 压方过程裂纹模拟结果与分析

3.4.3 压方工艺方案的选择与压下量的控制

3.5 本章小结

第四章 拔长工艺研究

4.1 引言

4.2 拔长工艺分析

4.3 大锻件心部孔洞锻合数值模拟

4.3.1 有限元模型建立

4.3.2 空洞锻合效果分析

4.4 拔长效率研究

4.4.1 拔长效率的影响因素及正交试验设计

4.4.2 试验结果与分析

4.4.3 拔长工艺参数优化

4.5 晶粒演化数值模拟

4.5.1 基于CA模型的晶粒演化模拟原理

4.5.2 晶粒组织模拟流程及模型建立

4.5.3 模拟结果与分析

4.6 本章小结

第五章 倒棱滚圆工艺研究

5.1 引言

5.2 有限元建模

5.3 不同砧型下的工艺过程

5.3.1 平砧倒棱滚圆过程

5.3.2 90°V型砧倒棱滚圆过程

5.3.3 120°V型砧倒棱滚圆过程

5.4 工艺方法选择与比较

5.4.1 精度比较

5.4.2 成形锻件内部应力应变分析

5.5 本章小结

第六章 数值模拟和试验结果对比分析

6.1 引言

6.2 拔长过程模型验证试验

6.2.1 试验方案及试验条件

6.2.2 试验结果

6.2.3 数值模拟结果和试验结果的比较

6.3 微观组织模型验证试验

6.3.1 试验方案及试验条件

6.3.2 结果分析

6.3.3 数值模拟及结果分析

6.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢