300M钢的热锻成形边界条件及其影响因素研究

摘要

300M钢具有高强度、高断裂韧性、良好的抗疲劳性能等优点，在飞机起落架等大型航空关键承力结构件上应用十分广泛。大型锻件的成型过程十分复杂，采用数值模拟仿真技术能有效提高成形效率、优化工艺流程和模具结构，并改善锻件质量。而数值模拟仿真结果的可靠性在很大程度上取决于热变形边界条件的精确度，因而确定300M钢热锻成形边界条件并研究其影响因素具有重要意义。本文首先通过热传导反问题求解方法确定300M表面换热系数和界面接触换热系数，然后通过圆环镦粗法确定300M钢在不同条件下的摩擦系数，并探讨不同因素对换热系数和摩擦系数的影响。在此基础上，采用Deform数值模拟和现场生产相结合的方法对边界条件的准确性进行验证，并成功地用于指导企业进行大型模锻件的生产。论文主要研究内容和结果如下：　　(1)对锻态300M钢进行随炉加热和空冷实验，利用热传导反问题法结合Deform中的反传热模块，求解得到300M钢表面换热系数-温度的关系曲线，其表面换热系数在0.005N/(s·mm·℃)~0.08N/(s·mm·℃)之间，先随温度的升高而增大，当温度升高至750℃以后开始减小。　　(2)确定了300M钢的界面换热系数，探索了其影响因素，构建了300M钢的界面换热模型。对锻态300M钢进行接触传热实验，利用瞬态热传导反问题法结合Deform数值模拟，量化得到压力-界面接触系数之间的幂函数关系。运用SEM和XRD等手段观察了不同氧化时间下300M钢氧化层的表面形貌、微观结构与物相，发现表面氧化对界面换热具有明显的阻碍作用，氧化时间-界面接触换热系数之间呈幂函数关系。综合分析压力和氧化的耦合作用对界面接触换热系数的影响，整体拟合得到函数关系式h=18.85036(1/d)0.64001P0.58634，表明氧化对于热交换的阻碍作用小于压力对于热交换的促进作用。　　(3)测定了300M钢在不同条件下的摩擦系数，探讨了摩擦系数影响因素。对锻态300M钢进行圆环镦粗实验，并结合有限元数值模拟技术对不同模具温度、润滑剂种类和氧化时间下的摩擦系数进行了求解，结果表明：氧化时间对300M钢热变形摩擦系数无显著影响；摩擦系数随模具温度的升高而减小，当模具温度为400℃时摩擦系数最小；润滑剂的种类对摩擦系数具有显著影响，使用Condat10时的摩擦系数最小，约为0.27~0.35。摩擦系数在热锻成形过程中呈动态变化，随变形量的增大而增大。　　(4)对锻态300M钢进行大锻件现场验证实验，进一步优化实验室条件下确定的边界条件，并将其运用到实际模锻生产中，将模锻前后的锻件与数值模拟得到的终锻件进行尺寸对比和加载载荷对比，尺寸吻合度良好且最大载荷误差仅为4%，表明所求解的边界条件具有很高的精确度。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 300M钢及其研究现状

1.2.1 300M钢的简介

1.2.2 300M钢的研究现状

1.3 大型模锻件有限元模拟技术研究现状

1.3.1 大型模锻件的发展现状

1.3.2 大型模锻件有限元模拟研究进展

1.3.3 精确求解边界条件在大型模锻件热锻成形中的意义

1.4 热锻成形边界条件研究概述

1.4.1 热传导反问题算法的研究现状

1.4.2 界面接触换热系数的研究进展

1.4.3 摩擦系数的研究进展

1.4.4 热锻成形边界条件的影响因素

1.5 本文研究意义与研究内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料与设备

2.2 实验过程

2.3 300M钢高温氧化实验

2.4 传热系数测定实验

2.4.1 表面换热系数测定实验

2.4.2 界面接触换热系数测定实验

2.5 摩擦系数测定实验

2.6 300M钢热锻成形现场实验

第3章 300M钢的传热系数反算与影响因素研究

3.1 引言

3.2 300M钢的表面换热系数

3.2.1 表面换热系数模拟求解方法

3.2.2 实验结果与误差分析

3.3 300M钢与模具之间的界面接触换热系数

3.3.1 界面接触换热系数模拟求解方法

3.3.2 实验结果与误差分析

3.3.3 氧化对界面接触换热系数的影响

3.3.4 压力对界面接触换热系数的影响

3.3.5 氧化和压力的耦合作用对界面接触换热系数的影响

3.4 本章小结

第4章 300M钢的摩擦系数与影响因素研究

4.1 引言

4.2 摩擦系数的模拟求解方法

4.3 实验结果与模拟分析

4.4 300M钢与模具之间摩擦系数的影响因素

4.4.1 模具温度对摩擦系数的影响

4.4.2 润滑方式对摩擦系数的影响

4.4.3 氧化对摩擦系数的影响

4.5 本章小结

第5章 300M钢热锻成形边界条件优化及应用

5.1 引言

5.2 300M钢热锻成形传热系数优化

5.2.1 边界条件参数设置及模拟过程

5.2.2 300M钢现场传热实验结果

5.2.3 实验与模拟结果对比分析

5.3 300M钢模锻现场验证

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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