Ti40合金环件径轴向轧制过程数值模拟及其工艺优化

摘要

Ti40阻燃钛合金具有优异的阻燃性能和良好的综合力学性能，是先进航空发动机急需的关键结构材料。但其变形抗力大、热加工性能差；同时，由于环件轧制过程所具有的非线性、时变性和非稳态特性，使Ti40合金环件轧制过程中易产生端面凹陷、多棱、椭圆及裂纹等缺陷。本文以Ti40合金为研究对象，利用DEFORM-3D软件对其环件径轴向轧制过程进行数值模拟，并对其工艺参数进行优化，研究结果可为Ti40合金环件的实际生产提供理论及技术支持。
　　本文结合环件轧制理论和环件径轴向轧制特点，建立了芯辊、锥辊、导向辊的运动规律计算模型；构建了Ti40合金的材料模型。利用DEFORM-3D软件对Ti40合金环件径轴向轧制过程进行了模拟分析，研究了温度场、等效应变场及制力的变化规律。研究结果表明：环件中心部位温度最高，环件外表面温度较低且不均匀，其中端面受轴向轧制影响温度稍高，角部边缘区温度最低；等效应变场分布规律为环坯径向外层等效应变最大，其次为内层，中间层最小；芯辊轧制力初始轧制阶段上升较快，并很快到达峰值，此后轧制力有所下降，轧制力矩变化与此类似。
　　在Ti40合金环件成品尺寸为Φ724×Φ611×300mm，环坯尺寸为Φ486×Φ300×310mm时，对不同工艺条件下的Ti40合金环件径轴向轧制过程进行模拟实验，分析了驱动辊转速、芯辊进给速度、导向辊角度、环坯开轧温度等工艺参数对环件轧制过程的影响，研究结果表明：开轧温度、芯辊进给速度和驱动辊转速对芯辊轧制力有较大的影响。当开轧温度分别为990℃、1040℃、1090℃时，最大轧制力分别为2.7×106N、2.1×106N和2.0×106N，随着坯料开轧温度的提高，芯辊轧制力越来越小。当芯辊进给速度分别为0.8mm/s、1mm/s、1.5mm/s时，最大轧制力分别为2.1×106N、2.2×106N、2.5×106N。对温度场影响较大的参数是驱动辊转速，芯辊进给速度。驱动辊转速分别为1.27rad/s、1.82rad/s和2.36rad/s时，环件温度范围分别为955℃~1055℃、974℃~1054℃和975℃~1056℃，随着驱动辊转速的提高，环件的整体温度增加；芯辊进给速度分别为0.8mm/s、1mm/s、1.5mm/s时，环件温度分别为955℃~1052℃、960℃~1055℃、975℃~1055℃。
　　根据模拟结果，得出Ti40合金环件径轴向轧制工艺参数优化值为：坯料开轧温度1040℃，驱动辊转速1.27rad/s，芯辊取分段进给速度0.8-1-0.8mm/s，导向辊位置角60o，驱动辊摩擦因子取稍大值较好，而锥辊摩擦因子取值不宜过大。

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第1章 绪论

1.1环件径轴向轧制简介

1.2环件轧制技术研究现状

1.3 Ti40阻燃钛合金简介

1.4 本文研究背景及意义

1.5 本文研究内容

1.6 本章小结

第2章 环件径轴向轧制及数值模拟基础理论

2.1环件径轴向轧制成形基本理论

2.2有限元数值模拟基本理论

2.3有限元模拟软件DEFORM-3D简介

2.4本章小结

第3章 Ti40合金环件径轴向轧制过程有限元模型的建立

3.1模拟实验方案的拟定

3.2几何装配模型的建立

3.3各模型运动规律的计算模型

3.4 Ti40阻燃钛合金材料模型的建立

3.5 建模时关键问题的处理

3.6本章小结

第4章 Ti40合金环件径轴向轧制过程数值模拟及其工艺优化

4.1 Ti40合金环件径轴向轧制过程数值模拟结果

4.2驱动辊转速的优化

4.3芯辊进给速度的优化

4.4导向辊位置角的优化

4.5坯料开轧温度的优化

4.6驱动辊摩擦因子的优化

4.7锥辊摩擦因子的优化

4.8坯料尺寸的优化

4.9物理试验验证

4.10本章小结

第5章 结 论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致 谢

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