異形環(huán)件熱軋制過(guò)程數(shù)值建模方法與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、驅(qū)動(dòng)輥?lái)敳亢偷撞烤哂虚]合模具結(jié)構(gòu)的異形環(huán)件熱軋制過(guò)程（以下簡(jiǎn)稱為閉模異形環(huán)件熱軋制過(guò)程）是通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥繞自身固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)及芯輥向驅(qū)動(dòng)輥的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)使環(huán)件壁厚減薄、直徑擴(kuò)大的先進(jìn)塑性成形工藝，它具有節(jié)能、節(jié)材、高效和低噪音等優(yōu)點(diǎn)，所生產(chǎn)的環(huán)件具有良好的綜合力學(xué)性能。因此，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電、核電、礦山機(jī)械和造船等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　與常見矩形截面環(huán)件軋制過(guò)程相比，閉模異形環(huán)件熱軋制過(guò)程中的金屬流動(dòng)規(guī)律更為復(fù)雜、材料變形特點(diǎn)差

2、異較大，在實(shí)際異形環(huán)件軋制過(guò)程中，軋制過(guò)程不穩(wěn)定，軋制環(huán)件的尺寸精度低和微觀組織及力學(xué)性能控制難度大，軋制力較大，易導(dǎo)致模具損壞，這在一定程度上限制了閉模異形環(huán)件軋制工藝在工程中的應(yīng)用。要解決上述問(wèn)題必須研究和掌握軋制過(guò)程中金屬的流動(dòng)規(guī)律，選擇合理的芯輥進(jìn)給策略及軋輥運(yùn)動(dòng)控制方法，揭示成形參數(shù)對(duì)軋制過(guò)程的影響規(guī)律，研究軋制環(huán)件的微觀組織與宏觀力學(xué)性能間的內(nèi)在聯(lián)系。因此，迫切需要研究閉模異形環(huán)件熱軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)建模方法、穩(wěn)定軋制環(huán)件的芯輥

3、進(jìn)給策略、成形參數(shù)優(yōu)化選擇等問(wèn)題，揭示軋制過(guò)程中金屬的變形機(jī)理，這對(duì)于分析工藝與模具參數(shù)對(duì)軋制過(guò)程的影響規(guī)律、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的成形過(guò)程、優(yōu)化成形工藝和提高產(chǎn)品性能具有重要的理論指導(dǎo)意義。
　　本文利用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，以典型的異形環(huán)件（內(nèi)L形和錐形環(huán)件）熱軋制過(guò)程為研究目標(biāo)，分別建立了內(nèi)L形和錐形環(huán)件熱軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，提出了能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)件外半徑恒速度長(zhǎng)大的芯輥進(jìn)給策略，推導(dǎo)了軋制過(guò)程中軋輥的運(yùn)動(dòng)控制方程，確定了軋制過(guò)程中環(huán)件

4、的塑性鍛透條件和咬入條件，獲得了芯輥進(jìn)給速度的合理取值范圍。在此基礎(chǔ)上，分別建立了內(nèi)L形和錐形環(huán)件熱軋制過(guò)程的有限元數(shù)值模擬模型，分析獲得了內(nèi)L形和錐形環(huán)件的等效應(yīng)變及溫度隨軋制時(shí)間的變化規(guī)律，系統(tǒng)研究了初始環(huán)坯溫度、驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度、驅(qū)動(dòng)輥半徑和芯輥半徑等工藝參數(shù)對(duì)軋制環(huán)件的等效應(yīng)變和溫度分布均勻性、平均軋制力和軋制力矩的影響規(guī)律。開展了閉模內(nèi)L形環(huán)件熱軋制實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)室溫拉伸實(shí)驗(yàn)、低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)、SEM及EBSD測(cè)試等方

5、法，深入探索了所軋制的內(nèi)L形環(huán)件微觀組織結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)比了內(nèi)L形環(huán)件微觀組織變形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，驗(yàn)證了內(nèi)L形環(huán)件熱軋制過(guò)程的有限元模型的正確性，揭示了環(huán)件軋制過(guò)程中金屬的變形規(guī)律。本文的主要工作如下:
　　(1)建立了閉模內(nèi)L形環(huán)件熱軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定軋制過(guò)程的環(huán)件外半徑恒速度長(zhǎng)大的芯輥進(jìn)給策略，推導(dǎo)了軋制過(guò)程中軋輥運(yùn)動(dòng)的控制方程，確定了軋制過(guò)程中環(huán)件的塑性鍛透條件和咬入條件，得

6、到了芯輥進(jìn)給速度的合理取值范圍。基于所建立的閉模內(nèi)L形環(huán)件熱軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，在ABAQUS軟件平臺(tái)行進(jìn)行了二次開發(fā)，建立了閉模內(nèi)L形環(huán)件熱軋制過(guò)程的熱力耦合三維有限元數(shù)值模擬模型，并驗(yàn)證了該模型的可靠性，分析獲得了軋制環(huán)件的等效應(yīng)變及溫度分布規(guī)律、環(huán)件的應(yīng)力分布規(guī)律及軋制力和軋制力矩隨軋制時(shí)間的變化規(guī)律，為芯輥進(jìn)給速度的合理選擇提供了科學(xué)方法。
　　(2)基于建立的閉模內(nèi)L形環(huán)件熱軋制過(guò)程熱力耦合三維有限元數(shù)值模擬模型，系統(tǒng)研

7、究了環(huán)坯初始溫度、驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度、驅(qū)動(dòng)輥半徑和芯輥半徑等成形參數(shù)對(duì)軋制環(huán)件的等效應(yīng)變和溫度分布均勻性、平均軋制力和平均軋制力矩的影響規(guī)律，揭示了成形參數(shù)對(duì)環(huán)件變形的影響機(jī)理，獲得了最優(yōu)的成形參數(shù)取值，為實(shí)際內(nèi)L形環(huán)件軋制成形工藝參數(shù)的選擇提供了理論指導(dǎo)。
　　(3)采用室溫拉伸實(shí)驗(yàn)、低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)、SEM斷口形貌分析、EBSD微觀組織分析等手段，實(shí)驗(yàn)研究并獲得了軋制環(huán)件的室溫強(qiáng)度和塑性性能、低溫沖擊性能，揭示了軋制環(huán)件

8、的拉伸斷裂和低溫沖擊韌性斷裂機(jī)理，分別分析了鐓粗坯料與內(nèi)L形環(huán)件沿徑向、切向和軸向的晶粒尺寸大小、晶粒尺寸分布均勻性、晶粒取向差分布及織構(gòu)大小與分布規(guī)律，揭示了軋制環(huán)件的宏觀金屬變形流線、微觀組織及細(xì)觀織構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系。
　　(4)建立了閉模錐形環(huán)件熱軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)件外半徑恒速度長(zhǎng)大的芯輥進(jìn)給策略，推導(dǎo)了軋制過(guò)程中軋輥運(yùn)動(dòng)的控制方程，建立了軋制過(guò)程中錐形環(huán)件的塑性鍛透條件和咬入條件，推導(dǎo)了芯輥進(jìn)給速度的

9、合理取值范圍?；谒⒌拈]模錐形環(huán)件熱軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，在ABAQUS軟件平臺(tái)上進(jìn)行了二次開發(fā)，建立了閉模錐形環(huán)件熱軋制過(guò)程的熱力耦合三維有限元數(shù)值模擬模型，分析獲得了軋制環(huán)件的等效應(yīng)變及溫度分布規(guī)律、軋制力和軋制力矩隨軋制時(shí)間的變化規(guī)律，研究表明，所建立的閉模錐形環(huán)件熱軋制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)錐形環(huán)件的穩(wěn)定軋制模擬，研究結(jié)果對(duì)于為實(shí)際閉模錐形環(huán)件熱軋制過(guò)程工藝參數(shù)的選擇具有理論指導(dǎo)意義。
　　(5)基于建立的閉模錐形環(huán)件熱軋