大型筒体锻造工艺参数特性模拟研究
数值模拟技术在大型锻件生产中的应用(1)
数值模拟技术在大型锻件出产中的应用摘要数值模拟技术在包管工件质量、减少材料消耗、提高出产效率、缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。
在钢锭凝固方面，有限元模拟程序MIPS可以阐发凝固过程中温度场的分布，确定不同时刻凝固前沿的位置，而且能预测缩孔和疏松的位置及尺寸。
使用该程序对220吨钢锭的出产工艺进行优化，成功地解决了疏松进入锭身的问题。
在锻造方面，已开发出了基于ANSYS的三维大变形弹塑性、弹粘塑性程序，可以阐发复杂的三维金属塑性成形问题。
热处置专用软件NSHT不仅可以阐发加热、淬火及回火过程中温度场分布，而且可以给出应力的分布及相态的变化过程，并已在实际出产中取得了成功。
前言大锻件出产具有单件、小批的特点。
出产前需要大量的人力和物力筹办原材料、模具或辅具，前期投入相当大，一旦产物报废，将造成很大的损掉，这对工艺制定的合理性提出了很高的要求。
在出产新产物或制定新工艺时，工艺人员往往无法按照经验确定工艺是否合理，只能采用大量尝试的方法进行研究。
由于大型锻件尺寸较大，不成能进行1∶1的实物尝试，而小件尝试有时会与实际出产过程相差过大。
而且物理尝试通常只能给出工艺过程某个阶段的成果，无法全面了解整个工艺过程，具有必然的局限性。
由于大锻件出产的这些特殊性，采用先进的数值模拟技术改变工艺制定过程中仅凭经验决定的现状是具有重要意义的。
1 数值模拟技术在现代制造中的地位和作用随着计算机技术的飞速开展，人类社会已经步入了信息时代。
计算机及网络不仅改变了人们生活方式，也同样改变了传统机械制造的概念与方法。
随着计算机辅助技术(CAX)的广泛应用，计算机已经深入到工业出产的各个环节之中。
一个现代的产物制造过程可以由图1来描述。
当接到出产任务时，首先采用CAD(Computer Aided Design)系统进行产物设计，其设计成果将由CAE(Computer Aided Engineering)系统对其出产工艺的可行性及合理性进行评估，如果其不满足制造要求或所需要成本太高，将返回到CAD系统中进行从头设计：如果通过了CAE的评估，就将采用CAM(Computer Aided Manufacturing)系统进行实际的出产制造。
大锻件成形物理模拟相似理论的研究
１ 研究 相似 理论 的意 义
物理 模 拟对研 究 大锻件 的成 形规 律有 十分 重
要 的意 义 。它不 仅 可 以 用 于 开发 新 产 品 ， 可 以 还 用 于摸索 和优 化 大锻 件 工艺 参 数 ， 定 控 制 和 提 稳 高质 量 。从大 锻 件 生 产发 展 的历 史 来 看 ， 目前 到 为 止 ， 理模 拟仍 然 发 挥 着 无 可 比拟 和 难 以替 代 物
系数 ； Ｄ为大 锻件 坯料 的直 径 ； 为大 锻件 坯 料 的 高度 。 根据 相 似 理 论 几 何 相 似 条 件 （ ／ ｄ ｈ＝Ｄ Ｈ） ／ 、
式 中 ， 为 实 物 面 积 ； 为 模 型 面 积 ； 为 实物 Ｆ Ｆ Ｖ 体 积 ；２ ｖ 为模 型体 积 ； 。为实 物 和模 型长度 尺 寸之
如 下需 要说 明的特 征 ： （ ） 散性 ： １松 即并 不 要 求 同时 满 足 以 上 三 个 条件 ， 而可 以有 选择 地 只满足 部分 条件 ； 否则 应 用
和变形 抗 力 的影 响 。包 括 （ ） ａ 大锻 件 的 尺 寸 大 ， 内部缺 陷多 ， 变形 抗力 小 ；ｂ 大锻 件 接 触表 面 积 （）
模拟 成形 的方 法 、 术 和软件 产 品。其 特征是 ， 技 不
方 法 ， 就 是有 必要研 究 相似 理论 。 也 本 文将 分析 ： 统 物 理 模 拟相 似性 理 论 和 特 传 征 ； 实 中物理模 拟 相似 度和 准确性 问题 及原 因 ； 现 提高模 拟 相似 度和 准确性 的思 考 。
大型支承辊锻件锻造工艺与模拟技术研究
大型支承辊锻件锻造工艺与模拟技术研究大型锻件作为大型成套设备的核心零件,在国民经济建设、国防装备发展和现代尖端科学技术重大装置的建设中,起着非常重要的作用。
其生产能力、产品级别与性能质量水平已成为一个国家工业水平的标志。
支承辊是轧钢生产设备的主要零部件,在不同规模的轧钢企业和各种规格的轧钢机上得到广泛使用。
整体锻造支承辊是轧钢机的心脏型部件,工作状态的好坏直接关系到板材的表面质量和板形。
支承辊锻件的特点是辊身尺寸大、重量大,是大型轴类锻件的代表。
辊面承受巨大的应力,质量要求也高,制造难度就大。
本文应用现代锻造理论对支承辊锻造工艺进行分析优化,以提高锻件质量。
本文中的大型支承辊锻件的材料为45Cr4NiMoV钢。
针对45Cr4NiMoV钢,本文中通过物理模拟实验测定了其流变应力曲线。
论述了流变应力模型的发展历程,计算出了该钢材的热塑性变形的激活能,并利用模拟软件Deform-3D中的材料本构方程,建立45Cr4NiMoV钢的材料模型。
为该材料在热变形领域的应用及大型支承辊的锻造工艺提供科学依据,并为进一步的研究该材料奠定基础。
根据对WHF法锻造拔长工艺中的砧宽比和料宽比的控制、每趟压下率的安排和合理错砧等理论的分析结果,运用有限元软件Deform-3D对45Cr4NiMoV钢支承辊进行多次数值模拟,在模拟过程中,分析了不同的工艺参数对锻件内部应力应变的分布及消除内部缺陷的影响。
通过模拟结果的对比,优化了大型支承辊锻件的锻造工艺。
本文对
45Cr4NiMoV特大型支承辊材料及其锻造工艺的研究结果,为下一步对大型锻件内部裂纹模拟的研究奠定了有利的基础。
大型筒体锻件的成形制造技术
锻压 技术
第３２卷
又是承受温度、压力和中子辐照的主体，所以，其 质量及使用寿命将决定着整个核反应堆的使用寿命 及运行安全性。
Ｉ
Ｆ ｈ支Ｊｒ一１
图２加氢反应器结构不慈图 １．顶部弯管２．封头３．筒节（８个） ４．热偶法兰
５．底部弯管６．卸料管７．冷氢法兰８．裙座
Ｆｉｇ．２ Ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｒａｍｅ
此外，大型筒体锻件也是大型煤液化装置和乙 烯装置制造的关键。我国一次性能源特点是煤多油 少，因此，可以通过煤液化装置将较多的煤矿资源
州ｔｉｏｎ 表１ ＡＳＭＥ ＳＡ５０８ｃ１．３钢成分（％，质量分数）
髓Ｍｅ １
ｏｆ ＡＳＭＥ ＳＡ５０８ｃ１．３ ｓｔｅｅｌ（％，ｍ躐ｆｒａｃｔｉｏｎ）
２．２５ＣｒｌＭ００．２５Ｖ。
表３ ＡＳＭＥ ＳＡ３３６ Ｆ２２Ｖ钢成分
Ｔａｂｌｅ ３ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ
ＭＥ ＳＡ３３６ Ｆ２２Ｖ ｓｔｅｅｌ
（２）较好的低温韧性和冲击韧性。夏比上平台 能≥１２０ Ｊ，无延性转变温度ＴＮ盯＜一１２℃。
（３）抗中子辐照能力强。要求ＲＰＶ经快中子 辐照后，其参考无延性转变温度增量ＡＲＴＮＤＴ尽量 小，一般要求不超过５０℃。
（４）再热裂纹敏感性应极低。要求再热裂纹指 数ＡＣｒ＜：Ｏ．１５［４｜。
为满足上述要求，世界各国都一直致力于ＲＰＶ 大型筒体锻件用钢的研究，主要为ＭｎＭｏ钢、Ｍｎ— ＭｏＮｉ钢和ＣｒＮｉＭｏＶ钢等。欧美各国和日本现在主 要采用美国ＡＳＭＥ标准的ＳＡ５０８ｃ１．３系列钢种，其 主要成分如表１所示Ｅ５｜。ＡＳＭＥ ＳＡ５０８ｃ１．３是一种 低碳、低合金、高强度、高韧性的合金结构钢，具 有良好的可锻性和可焊性，其高温基本力学性能 （表２）符合上述ＲＰＶ制造条件要求。俄罗斯则采 用ＣｒＮｉＭｏＶ系列钢种，典型１５Ｘ２ＨＭＯＡ钢高温
大型铸钢圆筒件的铸造工艺设计及数值模拟本科毕业论文
摘要材料成型与控制工程专业本科毕业论文大型铸钢圆筒件的铸造工艺设计与数值模拟本科毕业论文（设计）摘要本文运用传统方法完成了对铸钢圆筒件的铸造工艺方案设计，包括分型面、浇注位置的选择、砂芯、各项铸造工艺参数的确定以及浇注系统、冒口、冷铁的设计。
根据铸件体积较大的特点，在铸件两侧设计了用两个内浇道同时对铸件进行浇注的浇注系统；在2个热节处安置冒口，并将冷铁配合使用来实现铸件的定向凝固。
建立了铸件的三维模型，用ViewCast软件模拟了铸钢件圆筒的充型和凝固过程。
模拟结果显示，在铸件靠近内浇道处会产生缩孔缩松缺陷。
根据数值模拟结果并结合理论分析，使用发热材料的方法来改进工艺，经过优化设计，最大程度地消除了铸造缺陷，从而获得了合适的铸造工艺方案。
关键词：铸造工艺；数值模拟；设计优化AbstractAbstractThe casting technological parameters of the Steel casting cylinder, including the parting surface, pouring position, pouting system, riser and chill were defined by using traditional methods in the paper. According to the casting characteristics of big shape, on both sides of the casting is designed with two runner which pouring the casting at the same time; calculating the volume of the riser in the hot spot, and with the use of cold iron to achieve directional solidification sequence of casting. The 3-D model of the casting was build and the simulation software, ViewCast, was employed to analyze the solidification process and filling process of the casting. The simulation result indicates that the shrinkage defects formed department within the sprue .According to the simulation result the original technological parameters, using the method of extending cold iron in the side of the cold iron, in the other side of the cold iron sets the gating system, and with the use of fever materials to the improve process, after several rounds of optimization design, the defects were eliminated to the greatest extent, obtaining the optimal technology program eventually. Keywords：casting process; numerical simulation; design optimization目录目录摘要 (II)Abstract (III)第1章绪论 (1)1.1 铸造成形加工技术的国内外发展 (1)1.1.1 国外发展状况 (1)1.1.2 国内发展情况 (2)1.2 计算机技术在铸造业的应用 (3)1.2.1 铸造模拟软件的概述 (3)1.2.2 计算机模拟的优点 (4)1.3 本文主要研究内容 (6)1.3.1主要研究内容 (6)1.3.2 拟采用的方法 (6)第2章大型铸钢圆筒件的传统工艺方案的设计 (9)2.1 铸件的结构特点及工艺要求 (9)2.1.1 生产条件 (9)2.1.2 主要技术要求 (9)2.2 零件结构的铸造工艺性 (9)2.2.1 铸件质量对零件结构的要求 (9)2.2.2 铸造方法的选择 (10)2.2.3 分型面的选择 (10)2.3 铸造工艺设计参数 (11)2.4 砂芯设计 (13)2.4.1 砂芯形状及分盒面的选择原则 (13)2.4.2 芯头设计 (13)2.4.3 砂芯的固定和定位 (14)2.4.4 芯骨 (14)本科毕业论文（设计）2.5 浇注系统的设计 (14)2.5.1 铸钢件浇注系统类型 (14)2.5.2 浇注系统结构尺寸的设计 (14)2.5.3 浇注系统引入位置的确定 (18)2.6 冒口的设计 (18)2.7 铸钢件冷铁的设计 (19)第3章铸件数值模拟及工艺的优化 (21)3.1 初始方案模拟结果与分析 (21)3.1.1 几何模型的建立 (21)3.1.2 凝固过程模拟及结果分析 (21)3.2 优化方案 (23)3.2.1 工艺改进 (23)3.2.2 凝固过程模拟及结果分析 (24)3.2.3 充型过程模拟结果与分析 (26)结论 (31)参考文献 (33)致谢........................................................................................ 错误！未定义书签。
大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟
大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟大型轴类锻件的锻造工艺过程一般包括预留料、加热、锻造、冷却等阶段。
在进行数值模拟之前，需要先确定锻件的材料性能参数，包括应力-应变曲线、热膨胀系数、变形参数等。
这些参数对于模拟结果的准确性和可靠性非常重要。
首先，在进行数值模拟之前，需要进行几何建模。
根据锻件的实际几何形状，使用计算机辅助设计软件对锻件进行三维建模。
同时，还需要考虑到毛坯的材料损失，合理设计锻造余量以提供合适的余量补偿。
接下来，进行网格划分。
将几何模型导入数值模拟软件，进行网格划分。
网格划分的密度和精细度对于模拟结果的准确性和计算时间都有影响。
因此，需要根据实际情况，合理选择网格划分方案。
然后，确定边界条件。
根据锻造工艺过程中的实际条件，设置边界条件。
这包括锻造温度、锻造速度、初始应变速率等。
通过准确设置边界条件，可以模拟实际的锻造过程，并预测锻件的应力、应变和温度分布。
进行数值模拟计算。
将几何模型、网格和边界条件输入数值模拟软件，进行计算。
通过数值模拟软件提供的求解器，可以得到锻件在锻造过程中的应力、应变和温度分布，以及变形和残余应力情况。
对模拟结果进行分析和评估。
根据模拟结果，可以对锻造工艺过程进行分析和评估。
比较模拟结果与实际测量值的差异，评估数值模拟的准确性和可靠性。
如果模拟结果与实际值相符合，说明数值模拟是准确的，可以用于指导实际的锻造工艺过程。
最后，根据模拟结果，对锻造工艺过程进行优化。
通过数值模拟分析，可以确定合适的锻造参数和工艺措施，以提高锻件的质量和性能。
比如，可以优化锻造温度、加热速度、锻造速度等参数，使得锻件在锻造过程中的应力和应变分布更加均匀，减少变形和残余应力。
总之，大型轴类锻件锻造工艺过程的数值模拟可以帮助优化锻造工艺，提高锻件的质量和性能。
通过建立合理的几何模型、网格划分和边界条件，进行数值计算和分析，可以对锻造工艺过程进行预测、分析和评估，为实际生产提供指导和参考。
TC4合金大型筒构件成形工艺的数值模拟研究
Numerical Simulation Study on Forming Process of Large TC4 Alloy Cylindrical Component
A Thesis in Manufacturing Engineering of Aeronautics and Astronautics by Xu Qinghua Advised by Prof. Zhou Wanlin Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
=1/5334≈0.0001875后，确定板料因残余应力导致的回弹应变可以不作考虑，再根据第三章
模具设计尺寸绘制出模具三维图。 关键词：TC4钛合金，数值模拟，热成形, 等效应力，等效应变
基金项目：江苏省自然科学基金（BK2006190）资助项目。
I
TC4 合金大型筒构件成形工艺的数值模拟研究
January, 2012
承诺书
本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书）
作者签名： 日 期：
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
本文以海洋平台上使用的大型钛合金筒形构件为研究对象，结合钛合金板料冲压成形工艺 特点，采用有限元数值模拟软件Marc对TC4板料的热成形过程进行数值模拟研究分析。为优化 其热成形工艺，对冲压过程中成形温度、凸模速度以及摩擦因子分组进行数值模拟。利用数值 模拟结果对等效应力、 等效应变、 壁厚分布、 位移-载荷和残余应力分布研究分析得出如下结论： （1）成形温度由650℃增加到750℃时（凸模速度为0.1mm/s，摩擦因子为0.2） ：卸载前板 料中间的等效应力由30.96-31.92MPa降低到14.14-14.67MPa， 最大等效应力与最小等效应力的差 值减小。板料中间的残余应力降低到0.374-2.679MPa，最大残余应力与最小残余应力的差值减 小。最大等效应变降低，同时最小等效应变由0.03409mm增加到0.03481mm，最大等效应变与 最小等效应变的差值减小。最大板料厚度由10.04 mm减少到10.03 mm，与最小板料厚度之间的 差值减小，板料的局部变薄程度降低。这时凸模最大载荷由460KN减小到210KN。 （2）凸模速度由0.1mm/s增加到2.5mm/s时（成形温度为750℃，摩擦因子为0.2） ：卸载前 板料中间等效应力分布不均匀性增加，最小等效应变由0.034mm减小到0.02743mm，最小等效 应变和最大等效应变差值由0.0188mm增大到0.04005mm。最大板料厚度与最小板料厚度之间的 差值0.14mm增大到0.29mm，板料壁厚分布的不均匀性加剧。而最大成形载荷由330KN增加到 360KN。凸模速度由0.1mm/s增加到0.5mm/s时，导致变形时间减少，构件内部材料流动受阻， 板料中间残余应力差值由3.055MPa增大到6.078MPa，可知回弹也必定增加。 （3）成形温度与凸模速度比摩擦因子对等效应力、等效应变、残余应力、壁厚分布和成形 载荷的影响显著。得出最佳成形条件：温度为750℃、凸模速度为0.1mm/s，一般润滑条件即可。 （4）对TC4合金板料热成形模具设计进行了详细分析，根据所需模具的材料与结构特性选 用不锈钢 1Cr18Ni9Ti 作为模具材料。在模具型面设计前分析了板料的残余应力，得出应变
大型长筒锻件成型工艺研究
0前言铝合金大型长筒锻件是大型压力容器用无缝筒节装置的主体部件，广泛应用于航天、石油化工、核电等多个领域[1]。
随着科技进步和制造业的发展，大型长筒应用日益增多，尺寸越来越大，技术要求不断提高。
锻件最终经扩孔成型，但在扩孔阶段会出现翘曲、喇叭口、长度缩短等问题，严重影响了锻件尺寸加工。
运用DEFORM成型模拟，调整成型方案，最终顺利解决问题，确保锻件顺利批产。
1成型方案1.1材料本研究采用的是大型7075铝合金长筒锻件。
锻件加工尺寸：外径ϕ550~1150mm，壁厚50mm，长度2550mm。
7075铝合金长筒锻件特点：壁厚薄、长度长、尺寸变动大，锻造成型难度较大。
1.2工艺路线本大型长筒锻件的成型方案：锯床下料→铸锭加热→自由锻开坯→反挤压→锯切筒底→芯轴拔长→马杠扩孔[2]。
1.3马杠扩孔马杠扩孔是大型筒型锻件生产的关键环节，其变形情况将直接影响产品的最终质量[3]。
在最终实际马杠扩孔过程中，出现了扩孔后筒形件轴向长度大量收缩的现象，这与以往生产经验不相符。
一般筒形件扩孔后其高度会略有增加，而非缩短。
为探究筒形件分阶段扩孔对长度的影响，减少人力、物力的消耗，使用DEFORM-3D模拟[4]大型锻筒型件成型，以7075铝合金筒形件扩孔成型过程为研究对象，研究三种不同的成型方案。
2分段扩孔长度缩短模拟分析本次主要模拟7075铝合金大型长筒成型时扩孔收缩问题，通过模拟马杠扩孔后的长度变化情况，与实践相结合，为优化大型铝合金长筒成型提供理论与实践支持。
本次模拟坯料信息见表１，模具信息见表２。
表1坯料信息合金牌号7075表2模具信息/℃400温度/℃450长2200宽1400规格/mm内径650高450倒角50°外径855/℃400直径600长度2550长度4000大型长筒锻件成型工艺研究丛镇渔，王雪强，袁生明，朱宜杰，王通健（山东南山铝业股份有限公司，烟台265700）摘要：通过对7075铝合金大型长筒锻件锻造扩孔环节成型方法的深入研究，利用DEFORM-3D软件对长筒分阶段扩孔进行有限元分析及优化，解决了大型长筒形锻件成型时马杠扩孔长度缩短问题。
大型锥形筒体锻造技术研究
便更好地确定锥形简体锻造的变形过程，对锥形简体在
最后工序 的金属流 向进行 了有限元分析 （ 图 ４ 。 见 ）
镦粗 、冲孔一预扩孔 、平整一拔 长为阶梯形坯 料一预
困 ｚ 堡 笠
ｗ ｗｗ． ｃ ｉｉ ． ０ｎ ｃ ｍａ ｈｎｓ ｃ ｒ ． ｎ ｔ
蓍ｆ
轮廓可看作是由无限个台阶型轮廓组合而成的。因此， 在实际操作中，可以用阶梯状外形结构的坯料代替抛物
线轮廓坯料。阶梯坯料 的台阶数 量和尺寸 ，应根据 锻件
尺寸 、锥度和台阶直径差 的大小来选取。
图 ３ 抛物线轮廓的简化
量 ，布 压塑 下性 ３应 ５ｌ ｍ力 等 效 ｌ 厂 ＝ 分
出的 Ｊ Ｊ＿０５ Ｇ＿ ３１ 型数控激光切割 机 ，是该厂 首次开发 的 具有 自 知识 产 权 的设 备 ，采 用横 梁 双 电动 机驱 动 技 主
术 ，具有运动速度快且运行平稳 的特点 。 本届展会展 出的数控激光切 割机 ，除意 大利普瑞 玛 工业公 司 （ Ｒ ＭＡ Ｉ ＤＵ Ｔ Ｉ ）的 Ｓ Ｃ ＯＮ Ｐ Ｉ Ｎ Ｓ Ｒ Ｅ ＹＮ Ｒ Ｏ数 控
ｄ ————
－－ ＿ 二
——一
２ ｉａ ｔ 【 ／ Ｒ Ｈｓ ｒ ａ （ ２一Ｒ１Ｊ ｎｃｎ ） ２（ 。 尺１一尺 ） ２
很显然 ，坯料 的外 圆轮廓应是 由一段二次抛 物线绕 Ｙ 轴旋转一周而围成的 回转 体。这种 回转 体的抛物 线轮 廓结 构给锻制坯料带来 了很大 困难 ，在实 际操作 时极难 实现 。因此 ，必须寻求合理的坯料外形结构 。 （）预制毛坯形状分析 由于 回转体 的抛物线 轮廓 ２ 结构在实际操作上难以实现 ，因此 ，在实 际操 作时应对 抛物线轮廓进行简化处 理。如图 ３ 所示 ，回转 体抛物线
大型锻件热处理过程的数值模拟研究
时间 (
8
10
12
14
16
18
20
无风
模拟值 实验值 绝对差值
724. 7 723. 3
1. 4
679. 1 682. 3
3. 2
646. 3 649. 8
3. 5
619. 5 617. 2
2. 3
595. 5 594. 0
1. 5
572. 7 574. 2
2
图 2 工件断面的几何形状
大型铸锻件
2. 2 建立差分方程
为了具体说明数值模拟在热处理过程中的
优越性 ,我们以图 2 所示的 L 形工件为例 ,用数
值模拟方法求解热处理时工件内温度场的变化
情况 ,然后和实验数据进行对比 。从而说明数值
模拟方法的准确性和优越性 。
用有限差分法求解 ,对内节点采用中心差
1. 5
550. 6 553. 4
2. 8
528. 7 525. 8
2. 9
507. 2 508. 8
1. 6
486. 1 487. 4
1. 3
A 向风
模拟值 实验值 绝对差值
648. 2 644. 8
3. 4
566. 1 567. 2
1. 1
512. 2 514. 5
2. 3
471. 7 473. 8
表 2 N 点温度变化过程( ℃)
6
8
10
12
765. 4 765. 8
0. 4
736. 0 733. 0
热微分方程[5 ] :
ρc
5T 5τ
=
λ(
52 T 5 x2
大锻件锻压工艺参数化的研究
１ 大锻 件锻压 工艺 参数化 的意 义
下几点 ：
上难 以解决 的 问题 。实 际 上 ， 之所 以现 实 工艺 参
（） ４ 它具 有 工 艺标 准 化 的作 用 ， 即系 统 化 和 最 优 化的作 用 。 近 些年 来 ． 国的 大锻 件 锻 压 生 产技 术 有 了 我 很 大 的发展 。但是 ， 一方 面 ， 另 国内企业 却 面临生
（） ３ 它是 工艺试 验 研 究 和产 品质 量 分 析控 制
的基础 ：
为基 础 。有 了工 艺参数 化才 能 实现 Ｃ Ｐ Ａ Ｐ的 自动
化． 才能通 过 自动化 工 艺 的生成 艺水 平和 编制工 艺 的效 率 。 参数化 在 Ｃ Ｐ Ａ Ｐ上 一直 被 一些人 认 为是 技术
《 型铸 锻 件 》 大
ＨＥＡＶＹ ＣＡＳ ＮＧ ＴＩ ＡＮＤ ＯＲＧＩ Ｆ ＮＧ
ＮＯ ．１
Ｊ ｎ ａ ｙ２ １ ａ ｕｒ ０ ０
大 锻 件锻 压 工 艺 参数 化 的研 究
齐 作 玉
（ 外资企业独立撰稿人 ， 上海 ２ ０ ４ ） ０ ２ ０ 摘要 ： 探讨 了大锻件锻压工艺参数化的意义 ， 介绍 了大锻件锻 压工艺参 数化推导 方法和应 用实例 ， 包括节 约材料的参数化、 工艺质量控制 的参数化和加热工艺规范编制的参 数化 。 关键词 ： 大型锻件 ； 锻压工 艺 ； 工艺参数化 中图分类号 ：Ｇ １ Ｔ ３６ 文献标识码 ： Ｂ
数化 的研究 进展 比较缓 慢 ． 成果 不够丰 富 ， 其是 尤
(工艺技术)大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟
1.2.1.1 不同型砧下大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究 大型轴类锻件主要包括大型轧辊、传动轴、汽轮机转子等，一般用于机器设备的关
With a flat anvil rounded， the cross-sectional average diameter of forging increases by 2.8% compared to the original. （1） （ 2） The heading and stretching process of wind power axis are simulated. During the simulation, the impact of received-anvildistance on surface defects the final forging are discussed. Setting the received-anvil-distance of 60mm , which not only improve work efficiency, but also to ensure the surface of the final forging. （2） （3） The die forging process of wind power axis is simulated. During the simulation, the strain-stress distribution， temperature of the final forging and the size precision are discussed. The average diameter of the top of the final forging 1546mm, bottom diameter 405mm, are in line with process card requirements. （3）
大型圆筒形锻件高温锻造过程数值模拟
图 １ 圆筒 锻造几何模 型 （） ａ 马杠扩孔模 型 （ ｃ 压下量和转动角度之间的关 系模 型 ｂ，） ｒ 芯轴半径 ｒ 一 一内径
等 人嘲 马琳伟 等人 ［ 大 型锻件 的多工 步锻造 过程 和 ７ 对 ＿ 进 行 了模拟 ，马琳伟 等人 使用 热力耦 合 计算 使结 果
形 锻 件 的 生 产 主 要 依 靠 经 验 ， 品精 度 保 证 困 难 。 产 韩
国 ＤＯＯＳ ＡＮ 用 ＡＮＳ ＹＳ对 大 型 圆 筒 形 锻 件 锻 造 过 程
进行模拟分析网 ；日本 Ｊ Ｗ 的 室 兰 研 究 中 心 对 核 电 Ｓ 用 蒸 汽 发 生 器 等 大 型 圆筒 形 锻 件 的 生 产 过 程 进 行 数 值 模拟 ｌ 清华 大学 的 陈迎亮 和 马庆 贤通过 云纹 实验 ３ １ 。
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心 角 ２ 可 由 ｓｎ １ Ｒ 得 到 。锻 造 过 程 中 由芯 轴 转 ｉ ＝／ ２
该 模 型 满 足 以下 条 件 ： 沿 着 轴 向不 发 生 变 形 ； 工 ① ② 件 受力 均匀 ； 当上砧 达到 设定 行程 最 大值 时 ， 砧 ③ 上 与 芯 轴 所 夹 的 圆筒 部 分 为 主 变 形 区域 ；④ 当 压 下 量 未 达到使 上砧 下表 面 与锻件 表 面完全 接触 时 ，圆筒 内 壁 与 芯 轴 接 触 区 不 产 生 变 形 。图 ｌ ｃ为 模 型 截 面 ｂ、
图 。 上 砧 下 表 面 与 工 件 完 全 接 触 时 压 下 的距 离
一
更 准 确 。但 以上 工 作 对 单 砧 压 下 量 和 芯 轴 转 动 角 度
对 圆筒 形 锻 件 尺 寸 精 度 的 影 响 并 未 进 行 深 入 研 究 。
大型锻造的模拟研究
控 制 和新 技 术 的开 发也 有 长 足 的进 步 ，能 将 大 型锻
造 这 一 多 因素 、复杂 的过 程调 控 在一 个 合 理 的范 围 内加 以优 化 ， 进 了大 型锻 造 的 科学 化 进程 。 促
卢 志 永
摘 要 介绍 了大 锻 件锻 造 的热 力 学模 拟 、 观模 拟 、 算机 模 拟 方 面 的研 究工 作 ， 阐述 了有 关 控 制锻 微 计 并
造 和 短 流程 工 艺。 关键 词 锻 造 模 拟 控 制
中 图分 类 号
Ｔ ３ ６２ Ｇ １．
ｌ 前 言
近 十年 来 ， 国 已经 从 模 拟研 究 钢 锭 的孔 洞 、 我 疏
（ ：５ ５ ２） ５ － ７
７ 沙
杰 ， 风 云 ， 楠 播 ， ． 控 铝 型 材 弯 管 机 ． 械 工 程 师 ，０ ０ 李 刘 等 数 机 ２０
要 出发 ， 究 开发 钢管 弯 曲加 工 的新 工 艺 和新 设 备 ， 研 使 我 国的弯 曲加 工水 平 上 一个 新 台阶 。
大 型锻 造 是 一个 高 温 、 压 、 高 不稳 定 的塑性 成 形 过 程 。由于 锻件 体 形 巨 大 ， 很难 进 行 现场 测 试 。因 而 工 艺 过 程 和 锻 件 质 量 只 能靠 最 终 检 验作 出评 判 ， 很
难 进 行优 化 控 制 。 至于 锻 压成 形 机 制 的研 究 、 艺及 工 产 品 质 量预 报 与 控 制 ，以及新 技 术 的开 发 等 都 碰到 不 少 的 困难 。 随着 现 代 科 学技 术 的 进步 ， 理 模拟 技 物
关 键 锻 件 。通 过对 热 力 学 因素 和组 织性 能相关 性 的 认 识 ，启迪 了质量 预 报 和控 制 以及 短流 程 工 艺 开发 的思 路 ， 且 在实 践 中有所 成 功 。 并
大型锻件的锻造工艺研究进展
大型锻件的锻造工艺研究进展发布时间：2021-08-26T11:39:59.990Z 来源：《工程管理前沿》2021年7卷4月第12期作者：刘威李新宇[导读] 镦粗和拔长是大型锻件锻造的基本工序，随着数值模拟技术的进步，对二者的研究也逐渐深入。
刘威1 李新宇2中国一重铸锻钢事业部水压机锻造厂，黑龙江省齐齐哈尔市， 161041中国一重铸锻钢事业部工艺技术部，黑龙江省齐齐哈尔市，161041摘要：镦粗和拔长是大型锻件锻造的基本工序，随着数值模拟技术的进步，对二者的研究也逐渐深入。
扭转镦粗将锻件与模具的摩擦力转化成利于锻件变形的剪切应力，从而提高锻件的等效应变值，提升锻件的力学性能。
随着对扭转镦粗各工艺参数的优化和扭转镦粗设备的研发，扭转镦粗将在改善锻件质量上发挥更大的作用。
关键词：大型锻件；锻造工艺；镦粗；拔长；研究进展大型锻件广泛应用于能源、交通、国防、钢铁、石化等工业，通常是机械设备的核心部件，例如：重型压力容器、水轮机大轴、汽轮机主轴、齿轮轴、发电机转子、船用大型曲轴、大型模块等，所以对大型锻件的晶粒组织和力学性能要求都比较高。
在某种意义上，大型锻件的制造技术是衡量国家重工业发展水平的一个重要标志。
随着相关工业的快速发展，大型锻件的尺寸越来越大，对质量的要求也日益提高。
因此，提高大型锻件的锻造水平，规范其生产工艺，具有非常重要的意义。
1大型锻件的锻造工艺大型锻件主要特点是体形大、质量要求高、批量小、生产费用高、周期长，其生产过程包括：冶炼、铸造、锻造、热处理等多道工序。
钢锭在铸造过程中，不可避免的会有一些偏析、缩孔、疏松等缺陷，并且钢锭体形越大，钢锭内部的缺陷就越明显，钢锭内部缺陷对大锻件的性能有着重要影响。
锻造消除或改善钢锭内部缺陷的主要目的有两个：“成形”和“改性”，前者将坯料变形到锻件所需要的形状，后者通过改变坯料的微观组织使锻件的力学性能达到要求。
大型锻件所用到的基本锻造工序是镦粗和拔长。
大型锻件锻造工艺及缺陷控制技术的研究现状及发展趋势
根据圆柱体镦粗新理论，若接触端面存在着较 大的摩擦力，锻件心部存在着双向拉伸应力，或者出 现较大的附加径向拉伸应力，这样的应力状态对缺 陷的锻合是不利的。基于平板间圆柱体镦粗新理论 的力学分析方法，刘助柏教授通过改变镦粗时的边 界条件，创造性地提出了一种锥形板镦粗的新工艺。 其实质是：利用锥形板的几何特征，将平板镦粗时的 圆锥形刚性区，变为两个尺寸较小的刚性区，锥形板 的锥角使得这两个刚性区正好能在锻件心部产生三 向压缩应力，可对相应部位上缺陷的锻合起到良好 的作用[6]。
一。 我国十分重视大型锻件制造业的发展，虽然 40
都离不开它，其制造能力和水平直接决定着重大技
多年来投入了大量的资金和人力使得该产业由小到 大，从低到高发生了重要的变化，但是到目前为止，
收稿日期：2009－04－30 作者简介：赵俊伟（1980－），男，硕士在读，主攻塑性成形数值模拟与
智能优化
国产大型锻件的制造能力和技术水平与国外相比还 有较大差距。所以，开展大型铸锻件制造关键技术研 究，对于提高我国重大成套装备的制造能力有着至
摘要：大型锻件是冶金、电力、石油、化工、矿山、交通运输行业和核能工业等大型成套设备的核心零部 件，在国民经济建设、国防装备发展和现代尖端科学重大装备建设中发挥着至关重要的作用。本文回顾了我 国及国外大型锻件制造业的发展历程，重点论述了大型锻件锻造过程中各种缺陷的产生原因及控制方法，指 出了未来的发展方向。
目前，在火电方面，我国已能够生产 300MW、 600MW、800MW 火电机组高、中、低压汽轮机转子、 叶轮、叶片、发电机主轴、护环，火电大锻件制造水平 的提升说明我国大型锻件的生产取得了标志性的成 果。在水电方面，将由我国自己制造约有 30 台 700MW 水力发电机组大锻件，这说明我国水电锻件 的制造技术已接近世界先进水平[2]。而在核电方面， 去年年初，中国一重成功锻造出世界首件第三代核 电关键部件— — —AP1000 蒸发器锥形筒体，标志中国 在第三代核电产品制造领域已走在了世界前沿。
大型筒体翻孔工艺及参数优化的数值模拟
大型筒体翻孔工艺及参数优化的数值模拟作者：太原科技大学刘建生王冰田继红摘要：采用DEFORM3D软件对径向尺寸和壁厚分别为4390mm和390mm的大型厚壁筒体翻孔工艺进行了模拟研究。
研究表明：该翻孔成形具有弯曲与扩孔的复合变形特点，并通过对五种不同预加工孔径及三种不同孔型下翻孔过程的模拟分析，得出优化的孔径尺寸及孔型分别为平均直径φ40mm的反锥型孔。
上述结果为该工艺的工程应用奠定了科学基础。
关键词：翻孔厚壁筒体数值模拟预加工孔目前，随着石油、煤炭等化石燃料的开发和储量的日益减少，核电作为一种经济、清洁的替代能源已经成为世界各国的共识，核电产业发展迅速。
然而在核电大锻件的设计和制造等方面还存在着一些问题。
尤其核电设备的部件尺寸大、壁厚、质量要求严格，在厚壁（壁厚远大于10毫米）的核电锻件上进行翻孔的研究还没有涉及到。
以前国外主要对厚薄板料的研究，如日本K.T等从冲头形状、坯料厚度对厚板料的变薄翻孔的影响，以及对平面、圆柱面、球面形三种类型的坯料从不同角度分析翻孔成形特征，但研究的厚板料仅10毫米的厚度，此外还涉及了双层金属的翻孔成形[1-4],而我国的研究现状，仅局限于薄壁件翻孔、预冲孔形状及翻孔开裂等的研究[5-6]。
基于此，本文采用DEFORM3D软件对该核电厚壁筒体接管热翻孔过程进行了计算机数值模拟，优化热成形过程中的工艺参数，确定较好的工艺方案。
这在很大程度上可为该工艺的工程应用奠定坚实的科学基础。
1 翻孔工艺模拟过程以1:5试验模型为对象,采用DEFORM3D软件进行计算机模拟。
筒体锻件实体尺寸如图1所示：图1 核电筒体锻件示意图1.1 计算条件初始温度：坯料850ºC，模具200ºC；材料模型：采用AISI-1035钢热力模拟试验曲线；冲头压入速度：10 mm/s；摩擦系数：0.3；根据模拟试验的要求，工件预加工孔径d五种尺寸分别为φ30、φ40、φ45、φ50、φ60 mm，现取φ50mm孔径为例，考虑对称性，工件与模具均取1/4部分进行研究。
A350 LF2大型筒体锻造工艺
收 稿 日期 ：０ ０ ｌ — ２ ２ ｌ一 ２ Ｏ
作者简介 ： 张晓芳（９ １ ） 女 ， １８ 一 ， 助理工程 师， 从事大型锻件的工艺研发与设 计工作 ， 现就职于中冶陕压重工设 备有限公司市场技术部 。
２ ９
Ｎｏ ２ ． Ｍ ａｃ ０１ ｒｈ ２ １
《 大型铸锻件》
ｂｅ ｎ ｐ ｏ ｕ ｅ ｔ ｕ ｃ ｓ ． ｅ ｒ ｄ ｃ ｄ ｗｉｈ ｓ ｃ ｅ ｓ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ｙｗ ｒ Ａ３５ ２；ｈｅ ｖ ｈ ｌ；ｆ ｒｉ ｇ ｐｒｃ ｓ ０ ＬＦ ａ ｙ ｓ ｅｌ ｏ ｇｎ ｏ ｅ ｓ
１ 技 术要求
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Ａｂｓ ｒ ｔ： ｓ ｄ ｏ ｎａｙ ｉ ｇ ａ ｄ ｉ］ ｏ ｉ ｇ ｔ ｏ ｇｎｇｐｒ ｃ ｓ ｔａｃ Ｂａ ｅ ｎ ａ ｌ ｚｎ ｎ ｎｐｒｖ ｎ ｈｅ ｆｒ ｉ ｏ ｅ ｓ，ｔ ｅ ｅ ｆｈ ａ ｙ ｓ ｅ ｌｏ ５０ ＬＦ２ ｓｅ ｌｈａ ｗｏ ｐｉｃ ｓｏ ｅ ｖ ｈ ｌ ｆＡ３ ｔｅ ｓ
中图 分 类 号 ：Ｇ １ Ｔ ３６ 文 献 标 识 码 ： Ｂ
Ｔｈ ｏ ｇ ｎ ｒ ｃ ｓ ０ ａ ｙ Ｓ ｅ ｌｏ ５ ２ Ｓ ｅ ｌ ｅ Ｆ ｒ ｉ ｇ Ｐ ｏ ｅ ｓ ｆ ｒ Ｈｅ ｖ ｈ ｌ ｆＡ３ ０ ＬＦ ｔ ｅ
Ｚｈ ｎ ａ ｆ ｎ ，Ｍ ａ Ｊａ ｐｎ ａ ｇ Ｘｉ ｏａ ｇ ｉｎ ｉ ｇ，Ｌｉ ｎ ｂｎ ｕ Ｈｏ ｇ ｉ
ＨＥＡＶＹ ＣＡＳ Ｉ Ｔ ＮＧ ＡＮＤ ０ＲＧＩ Ｆ ＮＧ
表 ３ 锻 件 力 学 性 能 要 求
Ｔａｂ ｅ３ Ｔｈ ｅ ｈａｎ ｃ ｏ ｒ ｙ ｌ ｅｍ ｃ ｉａｌｐｒ ｐｅ ｔ
采用纵向锤砧锻造大型筒圈类锻件工艺研究
采用纵向锤砧锻造大型筒圈类锻件工艺研究采用纵向锤砧锻造大型筒圈类锻件工艺研究文／张晓旭，郭海萍，肜鹏，杨兵·沈阳铸锻工业有限公司锻造分公司本文主要阐述采用纵向锤砧进行马杠扩孔，锻造大型筒圈类锻件，解决了设备锻造空间不足及窄砧扩孔变形不均匀、扩孔效率低的问题。
采用的新工艺方案有效地保证了锻件的内部质量，提高生产效率，实现小设备干大活极限锻造目的。
大型水电机组上关键构件衬套锻件的零件轮廓尺寸为外径2190mm、内径1940mm、高1330mm，锻件尺寸为外径2240mm、内径1880mm、高1390mm，锻件重量12700kg，材料为20SiMn，锻件图见图1。
该锻件形状虽然简单，按最终成形工序，看作是圈类锻件，但由于锻件高度尺寸达到1390mm，也可看作大型筒体锻件，这里为便于叙述，根据其锻造成形特点称作筒圈类锻件。
其锻造成形工序囊括自由锻造的下料、镦粗、冲孔、芯轴拔长、马杠扩孔，工序繁多。
该件若在3150t以上标准系列水压机上生产难度并不大，但我公司设备虽然具有3200t压力，锻造空间却仅相当于2000t水压机，因此，生产该件具有很大难度。
必须对该件自由锻造工艺深入研究，采取特殊工艺措施，确定好合理的工艺参数，才能达到利用小设备干大件目的，全面提升工艺水平。
图1 锻件图锻造工艺方案难点分析如按筒类锻件芯轴拔长出成品，芯轴重量加上锻件重量超重，40t 操作机无法夹持，同时起始拔长时水压机高度净空距也不够，所以该件最终锻造成形，只能采取马杠扩孔。
但由于锻件长度达到1390 mm，因此需要解决如下技术难题：⑴设计纵向长砧及马杠尺寸，保证工艺顺利实施；⑵确定各工序合理工艺参数，控制好扩孔后锻件大小口程度，保证锻件工艺尺寸达到图纸要求。
具体分析如下：我公司现用32MN水压机配备平砧为500mm、800mm宽，扩孔成形过程中，需要三砧或者两砧搭接扩孔。
由于搭接部位变形比较小，造成锻件沿母线方向变形不均，影响锻件质量。
大型筒节轧制成形热力耦合模拟和工艺分析
大型筒节轧制成形热力耦合模拟和工艺分析陈素文;刘宏民;孙建亮;周学凤【摘要】与传统自由锻相比,大型筒节轧制成形是一种先进高效的生产工艺,具有短流程、节能节材等优点.本文采用基于热模拟实验的筒节材料流变应力模型,通过有限元热力耦合数值模拟,研究了大型筒节轧制过程的金属变形和温度演变规律,分析了轧制工艺参数对金属变形的影响,为优化轧制工艺,预测和控制成形质量提供了依据.%Comparing with the traditional free forging,a heavy cylinder rolling is an advanced and efficient forming technology because it has the advantages of short process,energy and material saving etc.A flow stress model of the heavy cylinder material is obtained by utilizing the thermal simulation experiment in this study.Through the coupled thermo mechanical numerical simulation of FEM,the metal deformation and the temperature variation law are investigated in the heavy cylinder rolling,and the effect of rolling process parameters on the metal deformation is analyzed.The studied results can provide the basis for optimizing the rolling technology and forming quality forecast and control.【期刊名称】《燕山大学学报》【年(卷),期】2017(041)002【总页数】5页(P116-120)【关键词】大型筒节;轧制成形;热力耦合;工艺分析【作者】陈素文;刘宏民;孙建亮;周学凤【作者单位】燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北秦皇岛066004;燕山大学环境与化学工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北秦皇岛066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北秦皇岛066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TG335大型筒节(直径最大约8 m，壁厚0.5 m左右，轴向宽度3 m左右)是重型压力容器的关键部件，广泛应用于核电、石油化工和煤化工等重大装备制造业领域[1]。
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第14卷第1期2007年2月塑性工程学报JOURNAL OF PLAST ICITY ENGINEERINGVol 14 No 1Feb 2007大型筒体锻造工艺参数特性模拟研究(清华大学机械工程系,先进成形制造教育部重点实验室,北京 100084)陈迎亮马庆贤摘 要:目前国内对制定加工效率高、成本低的空心钢锭锻造筒体工艺缺少科学依据。
空心钢锭锻造过程中塑性变形规律较实心钢锭发生了很大变化,文章通过云纹实验和数值模拟相结合的方法对大型筒体锻造过程中单砧压下率、砧宽比、错砧角度、芯轴尺寸等工艺参数对变形规律的影响进行了研究,为提高大型筒体锻件质量提供了的实验依据和理论基础。
关键词:大型锻件;锻造工艺;有限元法中图分类号:T G316 文献标识码:A 文章编号:1007 2012(2007)01 0048 05陈迎亮 E mail:CY L99@ma ils tsing hua edu cn 作者简介:陈迎亮,男,1981年生,清华大学机械工程系,研究生,研究方向为大型筒体锻件生产工艺收稿日期:2005 11 28引 言大型筒体锻件是火电、核电、石化等国家重大技术装备的关键部件,技术含量高,加工周期长,对工艺设备要求严格,属于技术和资金密集产品。
目前我国生产厂家主要依靠经验制订生产工艺,加工效率低,生产成本高,已成为我国重大装备制造业发展瓶颈。
国外先进制造企业已成功采用成本较低的空心钢锭锻造技术生产大型筒体锻件,而国内目前只能采用实心钢锭锻造大型筒体,研究空心钢锭生产技术刚开始起步。
空心钢锭锻造工艺应同时保证成形和内部组织达到要求,因此其制造难度和要求高于实心钢锭锻造技术。
锻造过程中材料合理的变形可压合锻坯中裂纹、孔洞等缺陷,促发动态再结晶、细化晶粒,并获得同一尺度的微观尺寸,因而掌握空心钢锭锻造技术具有非常重要的实用价值[1~4]。
本文采用数值模拟和物理模拟相结合的方法,研究了筒体锻造过程中单砧压下率、砧宽比、错砧角度、芯轴尺寸等工艺参数对筒体成形分布规律的影响,以期为科学制定生产工艺提供技术基础。
1研究方法采用云纹法物理模拟和有限元法数值模拟相结合,研究大型筒体锻造参数特性影响规律。
物理模拟实验采用的试件按照实物尺寸成比例缩小,数值模拟分析实际工件尺寸,将上述二者结果进行对比分析。
物理模拟所用筒体试件尺寸如图1所示。
图1中D 为筒体外径,d 为筒体内径,H 为筒体长度,W 为砧宽,t 为筒体厚度, t为下压量。
图1 筒体试件尺寸示意图Fig 1 H eavy tube for ging dimensio n1 1云纹法模拟实验模拟试件材料选用铅,试件尺寸为75m m 38mm 100mm 的筒体,采用上平砧、下125 V 型砧,砧子最大宽度为50mm ,芯轴直径为32m m ,在试件锻面上粘贴4lines/mm 的平行云纹栅版。
按照实际塑性成形工艺要求,在材料试验机上进行模拟变形。
当压下率分别为 t/t =6%和30%时,试件锻面U 场和V 场的云纹变形分布如图2a 和图2b 所示。
从图2a 和图2b 云纹图可以看出,塑性变形集中在砧子下面,变形区域呈蝴蝶状内凹分布,随着变形率的增大,变形量不断增加,且不均匀程度加剧。
1 2有限元模拟分析采用刚塑性模型。
材料本构关系采用Levy Mi ses 方程,摩擦边界条件采用T resca 模型。
为了获得较高的计算精度和效率,采用不均匀网格,大变形区采用高密度网格,小变形区采用低密度网格,图2 试件锻面云纹图分布a ) t/t =6%;b) t/t =30%F ig 2 M oir distributio n o n the fo rged sur face在空间三维网格数量较少时关键区域仍有足够高的网格密度。
在锻造过程中上砧、下砧、芯轴基本不发生变形,故可认为材料为刚性。
前后锻面网格密度比为10!1。
图3 有限元网格模型F ig 3 FEA mesh mo del由于筒体变形量大,网格畸变严重,甚至出现网格自相交,为保证结果收敛和求解精度,在求解过程中需要重新划分网格。
由于最大单砧压下率 t/t 为30%,故每次压下率为5%时重新划分一次网格。
在数值模拟中,针对3500mm 1800mm 4500mm 筒体锻件,采用上平砧、下125 V 型砧、直径1500m m 的芯轴进行成形模拟分析。
单砧压下率为 t/t =6%和30%时,锻面在U 场和V 场的变形分布如图4a 和图4b 。
从图4a 和图4b 可看出,在较小或者较大单砧压下率时,变形集中在砧子下面;筒体锻面在U 场和V 场的塑性变形均呈蝴蝶形内凹分布;随着变形率的增大,变形不均匀程度加剧。
图4 锻面变形分布a) t/t =6%;b) t/t =30%F ig 4 Defo rmation dist ribution on the for ged sur face对比图2和图4可知,数值模拟结果和云纹实验结果相吻合。
由此可以证明,所建立的数学模型较为合理,计算结果能够较准确地反映实际情况。
因此,通过数值模拟方法可以减少云纹模拟实验工作量,提高研究效率并便于得出系统规律。
为此,采用该有限元模型研究不同单砧压下率、砧宽比、错砧角度、芯轴尺寸等工艺参数对筒体变形分布规律的影响。
使用上述数值计算模型,模拟研究单砧压下率、砧宽比、芯轴尺寸、错砧角度等工艺参数对筒体变形分布规律的影响,以期为成形工艺提供理论依据。
2大型筒体变形及影响因素分析2 1单砧锻造变形分布规律通过计算得到多种不同工艺参数条件下筒体锻面塑性变形分布规律。
单砧压下率 t/t 分别为4%、6%、10%、15%、20%、30%时,锻面等效应变分布如图5所示。
从图5a 可看出,当 t/t <4%时,变形集中在筒体内外壁附近,心部基本无塑性变形;从图5b 可看出, t/t >6%后,变形明显呈蝴蝶形内凹分布,基本达到整个筒体范围,因此可认为筒体被∀锻透#(等效应变>0 1);从图5c 、图5d 可知, t/t 在10%~15%之间时,变形分布相对均匀,但心部变形明显高于其他区域,内凹点处于中心位置;从图5e 、图5f 可知,当 t/t >15%后,内壁附近变形急剧增加,内凹点逐渐往内壁移动, t/t =20%时内凹点下移,内壁附近出现局部变形49第1期陈迎亮等:大型筒体锻造工艺参数特性模拟研究较大区域, t/t =30%时,内凹点已接近内壁,内外壁变形分布更为不均匀。
图5 不同压下率 t/t 等效应变 分布a) t/t =4%;b) t/t =6%;c) t/t =10%d) t/t =15%;e) t/t =20%;f) t/t =30%F ig 5 Effectiv e st rain distributio n underdifferent t/t values对比图5各图可知,单砧锻造过程中,筒体变形呈蝴蝶形内凹分布。
当 t/t 较小时,变形开始出现在与砧面接触的上下壁附近;随着 t/t 的增大,变形量和变形区域均增大,心部开始出现塑性变形,直至心部变形大于内外壁附近变形,且内外壁变形基本相等;随着 t/t 进一步增加,内壁附近变形将远大于外壁变形。
t/t 在10%~15%之间,变形分布较为合理。
t/t 过小塑性变形不能深入锻件心部, t/t 过大则变形不均匀,且成形效果差。
如果内凹点靠近内壁,因内壁附近变形较大,易在连砧锻造中因变形叠加出现变形过量,因此内凹点居中优于内凹点靠近内壁。
因此,每次变形 t/t 应选择在10%~15%之间。
对于一次成形不能达到尺寸的锻件,建议采用逐层锻造方法。
2 2 砧宽比W/t 与变形分布关系砧宽比W/t 是锻件成形工艺的重要参数之一,选择合理的砧宽比是保证获得合格锻件的重要步骤。
计算分析得到砧宽比W /t =0 5、0 7、1 0、1 2时,锻面等效应变分布如图6所示。
从图6a 和图6b 可看出,W /t =0 5和0 7时,变形区域分两部分,中部蝴蝶形分布和外围外凸形分布,蝴蝶区域变形量明显高于外凸区域;从图6c 和图6d 可看出,W /t =1 0和1 2时,变形分布呈明显蝴蝶形分布。
比较图6各图可知,随着W /t 的减小,变形区域面积逐渐增大。
图6 不同砧宽比W /t 等效应变 分布a)W /t =0 5;b )W /t =0 7;c)W /t =1 0;d)W /t =1 2Fig 6 Effectiv e str ain dist ributio n underdifferent W/t values砧宽比越小,筒体锻面变形区域越大,当W/t <1 0后,变形呈内蝴蝶、外凸分布,变形量呈内大外小分布。
砧宽比W /t 应根据变形率、筒体外形需要等因素综合考虑。
2 3合理选择错砧角度筒体锻造过程在连砧锻造下完成,变形呈蝴蝶形内凹分布要求选择合适错砧角度,才能保证在错砧过程中筒壁上每一部分均获得合理的变形量,并使变形分布尽量趋于均匀。
选择单砧压下率 t/t =10%,砧宽比W /t 分别为1 2和0 7时进行变形分析。
当W /t =1 2,错砧角分别为10 、20 、25 、30 时,计算得到变形分布情况如图7所示;W/t =0 7,错砧角分别为20 、30 、35 、45 时,计算得到变形分布如图8所示。
从图7a 可看出,当W /t =1 2时,错砧角度<10 时,变形叠加区域过大,对于改善材料内部质量不明显;从图7b 、图7c 和图7d 可看出,错砧角度<20 时,叠加应变场可使得内凹部分获得足够变形,但当错砧角度>20 后,叠加变形部分不能使内凹部分获得足够变形,中心部分区域没有足够的塑性变50塑性工程学报第14卷形量,即∀锻不透#,难以改善内部组织。
从图8a 和图8b 可看出,当砧宽比W /t =0 7时,错砧角度<30 时,叠加应变场可使内凹部分获得足够变形;从图8c 和图8d 可看出,错砧角度>30 后,叠加变形部分不能使得内凹部分获得足够的塑性变形量,中心部分区域∀锻不透#。
对比图7b 和图8b 可发现,W /t =0 7时变形分布较W/t =1 2时的变形分布更均匀。
图7 砧宽比W /t =1 2不同错砧角度下的变形分布a)10 ;b)20 ;c)25 ;d)30Fig 7 W /t =1 2,Effect ive str ain distr ibut ion underdifferent anvil rat ingangle图8 砧宽比W /t =0 7不同错砧角度下的变形分布a)20 ;b)30 ;c)35 ;d)45Fig 8 W /t =0 7,Effectiv e str ain dist ributionunder differ ent anvil r ating ang les合理错砧角度的大小与单砧锻造时变形区域大小密切相关。