基于铸坯的环件热辗扩成形工艺数值模拟

摘要

环件辗扩工艺作为生产无缝环形零件的先进制造技术，在航空航天、火车、能源等高科技领域有着广泛的应用。然而传统的环件热辗扩工艺流程为冶炼钢锭—加热开坯—加热镦粗冲孔—热辗扩成形，该工艺流程冗长，加热次数多，浪费材料和能源。本文提出一种利用铸造环坯直接热辗扩成形制造环形零件工艺，与传统工艺相比，能够节约材料，降低能耗，提高生产率和经济效益，具有非常好的推广、应用前景。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法对环形铸坯热辗扩成形工艺进行了系统的研究，主要研究内容和结果如下:
　　对环形铸坯热辗扩工艺的辗扩成形条件、运动条件、工艺参数和关键问题进行了理论分析，确定了辗扩工艺参数的选择依据和极限范围，在热辗扩成形过程中需要通过合理调节工艺参数细化铸态组织晶粒，提高产品的机械性能。
　　基于DEFORM模拟软件，建立了铸造环坯热辗扩成形过程的热力耦合模型和铸态42CrMo钢微观组织演变模型，对铸造环坯热辗扩工艺进行了有限元数值模拟，发现环件的等效应变和微观组织演变呈现环带状分布，内外层为大变形区，晶粒细化明显，变形程度较小的环件中层晶粒组织相对粗大。模拟分析了不同芯辊进给速度和初始辗扩温度对辗扩变形和微观组织演变的影响，结果表明，在满足辗扩成形条件和设备允许的范围内，芯辊进给采用变速运动，适当增大稳定辗扩阶段速度，可使变形更加均匀，晶粒细化效果好，提高了环件的辗扩质量和生产效率;随着初始辗扩温度的上升，环件变形更加均匀，径向辗扩力降低，但当温度超过1150℃后晶粒急剧长大。
　　在D53K-4000数控径向-轴向辗环机进行铸造环坯热辗扩工艺试验，环件径向辗扩力和微观组织分布与模拟结果比较吻合，辗扩件的形状尺寸精度比较高，强度、韧性达到了锻件要求。
　　本文的研究对铸造环坯热辗扩成形过程中工艺参数的优化、成形件质量预测与控制提供了理论依据，为大型环件短流程铸辗复合成形新工艺的开发奠定基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 环件辗扩国内外研究现状

1．2．1 环件辗扩试验研究

1．2．2 环件辗扩理论研究

1．2．3 环件辗扩微观组织演变研究

1．3 课题来源及主要研究内容

第二章 基于铸坯的环件热辗扩成形工艺分析

2．1 环件热辗扩成形原理和特点

2．2 环件热辗扩成形条件分析

2．2．1 环件咬入孔型条件分析

2．2．2 环件辗透条件分析

2．3 环件热辗扩运动条件分析

2．3．1 辗扩直线进给运动

2．3．2 驱动辊旋转运动

2．3．3 环件直径扩大运动

2．3．4 环件旋转运动

2．4 环件热辗扩工艺参数分析

2．5 基于铸坯的环件热辗扩关键技术

2．5．1 环形铸坯热辗扩关键问题

2．5．2 环形铸坯热辗扩成形过程中的晶粒细化机制

2．6 本章小结

第三章 铸造环坯热辗扩数值模拟研究

3．1 热辗扩有限元模型和边界条件的建立

3．1．1 几何模型的建立

3．1．2 材料模型的建立

3．1．3 微观组织演变模型

3．1．4 边界条件的设置

3．2 铸造环坯热辗扩成形模拟研究

3．2．1 热辗扩成形过程模拟分析

3．2．2 芯辊进给速度对辗扩成形的影响

3．2．3 初始辗扩温度对辗扩成形的影响

3．3 铸造环坯热辗扩微观组织演变模拟研究

3．3．1 热辗扩成形过程中的微观组织演变分析

3．3．2 芯辊进给速度对微观组织演变的影响

3．3．3 初始辗扩温度对微观组织演变的影响

3．4 本章小结

第四章 基于铸坯的环件热辗扩试验研究

4．1 热辗扩工艺试验

4．2 辗扩件力学性能试验

4．2．1 拉伸试验

4．2．2 冲击试验

4．2．3 硬度试验

4．3 金相组织观察

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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