高性能大锻件控形控性规律与操作机-压机联动轨迹的研究

摘要

大锻件是冶金、造船、石油化工、电力、核能、航空航天和国防军工等领域的大型成套设备的关键零部件，苛刻的服役条件决定了其高质量要求。大锻件的成形制造一般以大型铸锭为原材料，由于大型铸锭通常存在严重的晶粒粗大、夹杂、偏析、疏松和空洞等冶金缺陷，因此锻造的主要目的是成形和成性，即在保证成形精度的同时，打碎枝晶、细化晶粒、消除偏析、压实疏松和焊合空洞，尽可能消除大型铸锭的冶金缺陷。本文针对我国大锻件锻造技术水平较低和生产能力不足的现状，以实现高性能大锻件的自动化锻造为目的，研究了大锻件的控形控性规律，提出了锻造操作机与压机联动轨迹的规划方法。主要包括以下内容。
　　 采用热模拟实验，研究了典型大锻件用材料42CrMo钢的高温流变行为，建立了应变-应变速率补偿的Arrhenius型高温流变本构方程，可精确预测其高温流变应力，其预测值和实验值的最大相对误差及其标准偏差分别仅为-4.36％和2.36％。
　　 采用热模拟实验与金相观察，研究了典型大锻件用材料42CrMo钢的动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶与晶粒长大行为。基于实验结果，建立了三种再结晶的动力学模型与晶粒尺寸模型。结果表明:(1)减小初始奥氏体晶粒尺寸，动态与静态再结晶速率增快、晶粒变细。亚动态再结晶晶粒则在初始奥氏体晶粒尺寸较小时也变细，而在初始奥氏体晶粒较大时变化不明显;(2)升高变形温度，动态、静态与亚动态再结晶速率均增快、晶粒均粗化;(3)增大应变速率，动态、静态与亚动态再结晶晶粒均细化;(4)增大变形量，动态再结晶分数增大、静态再结晶速率增快且晶粒尺寸变小;(5)奥氏体晶粒长大速率受保温温度影响较大，受保温时间影响较小;(6)三种再结晶模型的预测结果均与实验结果吻合较好。
　　 采用细观损伤力学的研究方法，建立了研究理想刚粘塑性大锻件内部椭圆柱形（圆柱形）空洞演变的代表性体元模型;基于变分原理，导出了体元基体材料速度场的泛函;采用瑞利-里兹法对泛函变分问题进行求解，获得了不同远场应力条件下的空洞演变规律。结果表明:(1)在远场纯剪应力作用下，空洞的形状系数变化率与其形状系数、材料Norton指数分别满足抛物线函数、一次指数函数关系;(2)在远场单向压应力作用下，空洞的形状系数变化率与其形状系数、材料Norton指数分别满足线性函数、一次指数函数关系;(3)在远场双向压应力作用下，空洞的形状系数变化率与其形状系数满足抛物线函数关系、且抛物线的顶点、张口与应力三轴度、材料Norton指数有关;(4)在远场单向压应力作用下，空洞的取向变化率与空洞形状、取向及材料Norton指数有关。
　　 采用热力耦合的三维有限元模型，研究了大锻件内部椭球形（球形）空洞的演变机理;为了综合考虑应力、应变对空洞形状演变的影响，提出了一个新的特征参量——空洞形状估计参数，并建立了空洞形状估计参数与形状系数的关联模型;获得了平砧拔长工艺参数对大锻件内部空洞形状演变的影响规律，并通过实验验证了本文有限元模型的正确性。
　　 集成了本文获得的大锻件控形控性规律，提出了锻造操作机与压机联动轨迹的规划方法，开发了操作机与压机联动轨迹的规划系统，并制定了操作机与压机联动轨迹的合理性评价准则，为操作装备的功能设计和控制提供理论依据。结合300MW发电机转子锻件的平砧拔长工艺，给出了操作机-压机联动轨迹规划系统的工程应用实例。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 大锻件制造水平发展现状

1．1．1 自由锻造设备和技术

1．1．2 大锻件锻造工艺

1．2 材料流变行为的研究现状

1．2．1 宏观唯象学模型

1．2．2 微观机理模型

1．2．3 人工神经网络模型

1．3 材料微观组织演变的研究现状

1．3．1 动态再结晶

1．3．2 静态再结晶

1．3．3 亚动态再结晶

1．3．4 晶粒长大

1．4 大锻件内部空洞演变的研究现状

1．4．1 物理模拟

1．4．2 数值模拟

1．4．3 解析分析

1．4．4 闭合条件

1．5 本文的主要内容与研究意义

第二章 典型大锻件用材料的高温流变特性

2．1 高温热模拟实验

2．1．1 实验材料与方法

2．1．2 实验方案

2．2 单道次热压缩流变规律

2．2．1 真应力-真应变曲线及变形机制

2．2．2 流变应力本构方程的建立

2．3 双道次热压缩流变行为

2．3．1 静态再结晶现象

2．3．2 亚动态再结晶现象

2．4 本章小结

第三章 典型大锻件用材料高温形变过程的微观组织演变

3．1 热模拟实验与金相实验

3．1．1 微观组织分析实验

3．1．2 静态再结晶实验

3．1．3 亚动态再结晶实验

3．1．4 晶粒长大实验

3．2 典型大锻件用材料42CrMo钢的动态再结晶行为

3．2．1 动态再结晶动力学模型的建立

3．2．2 动态再结晶晶粒的影响因素

3．2．3 动态再结晶晶粒演化模型的建立

3．3 典型大锻件用材料42CrMo钢的静态再结晶行为

3．3．1 变形参数对静态再结晶的影响

3．3．2 静态再结晶动力学模型的建立

3．3．3 变形参数对静态再结晶晶粒尺寸的影响

3．3．4 静态再结晶晶粒演化模型的建立

3．4 典型大锻件用材料42CrMo钢的亚动态再结晶行为

3．4．1 变形参数对亚动态再结晶的影响

3．4．2 亚动态再结晶动力学模型的建立

3．4．3 变形参数对亚动态再结晶晶粒尺寸的影响

3．4．4 亚动态再结晶的晶粒演化模型的建立

3．5 典型大锻件用材料42CrMo钢的晶粒长大行为

3．5．1 保温时间对晶粒长大的影响

3．5．2 保温温度对晶粒长大的影响

3．6 本章小结

第四章 基于细观损伤力学的锻件内部空洞缺陷演变规律

4．1 代表性体元模型

4．2 线粘性基体材料

4．2．1 圆柱形空洞的演变规律

4．2．2 椭圆柱形空洞的演变规律

4．3 非线粘性基体材料

4．3．1 刚粘塑性变分原理及其变形

4．3．2 坐标变换

4．3．3 体元动可容速度场的构建

4．3．4 泛函极小值求解

4．3．5 泛函偏导数求解

4．3．6 空洞演变计算

4．4 空洞演变计算结果分析

4．4．1 纯剪应力作用下的空洞演变规律

4．4．2 单向压应力作用下的空洞演变规律

4．4．3 双向压应力作用下的空洞演变规律

4．4．4 空洞取向变化时的空洞演变规律

4．5 代表性体元模型计算结果的验证

4．6 本章小结

第五章 锻件内部空洞缺陷演变的有限元数值模拟与实验研究

5．1 热力耦合的有限元模型

5．1．1 有限元基本理论

5．1．2 有限元模型的建立

5．2 空洞演变的影响因素

5．2．1 空洞大小的影响

5．2．2 空洞形状的影响

5．2．3 空洞位置的影响

5．3 空洞形状系数预测模型

5．3．1 空洞形状估计参数的提出

5．3．2 空洞形状估计参数的验证

5．3．3 空洞形状系数预测模型

5．4 大锻件平砧拔长工艺参数对空洞估计参数的影响

5．4．1 有限元模型的建立

5．4．2 压下率的影响

5．4．3 砧宽比的影响

5．4．4 料宽比的影响

5．4．5 摩擦因数的影响

5．5 有限元模型的实验验证

5．5．1 实验

5．5．2 有限元模型的实验验证

5．6 本章小结

第六章 锻造操作机-压机联动轨迹的规划

6．1 操作机-压机联动轨迹规划的目标与思路

6．1．1 规划联动轨迹的目标

6．1．2 规划联动轨迹的思路

6．2 工艺方案设计

6．2．1 平砧拔长锻件尺寸预测

6．2．2 工艺设计流程

6．3 锻造操作机与压机联动轨迹的规划方法

6．3．1 锻造操作机与压机联动轨迹类型

6．3．2 规划流程

6．4 锻造操作机与压机联动轨迹的评价

6．4．1 应变评价模块

6．4．2 微观组织演变评价模块

6．4．3 空洞缺陷闭合评价模块

6．5 300MW发电机转子锻件的平砧拔长工艺联动的轨迹规划

6．5．1 拨长工艺方案设计及操作机与压机联动轨迹设计

6．5．2 不同工艺方案与联动轨迹的锻件质量分析

6．6 本章小结

第七章 结论

7．1 本文的主要研究工作与结论

7．2 本文的创新性

7．3 进一步研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果目录