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《太原科技大学》 2012年
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钛合金棒材三辊热连轧过程变形机理与技术研究

帅美荣  
【摘要】:钛及钛合金是20世纪90年代发展起来的一种新型金属材料,具有熔点高、比强度高、耐高温、抗腐蚀、无磁性、无毒等特点,广泛应用于航空航天、海洋船舶、生物工程、民生用品等领域。近年来,市场对小直径钛合金棒材产品需求量越来越大。然而,棒材生产工序复杂、产品尺寸精度低、成材率低、能源浪费严重。欲使其成为普及型金属,必须降低成本。因此,整合钛加工设备、开发可连续工业化生产的冶炼技术、开发低成本的钛合金品种是钛工业发展面临的重大课题。 本课题来源于山西省青年科技研究项目,旨在开发钛合金棒材短流程、近终成型技术。采用三辊Y型轧机连轧生产小直径钛合金棒材省略了横列式轧制过程中重复加热(均热)、重复退火、重复修磨等工序;避免了二辊高速轧机连轧钛棒设备利用率低的弊端;同时,满足了钛合金棒材小批量、多品种的产品要求。 但是由于钛合金塑性变形特性与钢、铝、铜等显著不同,尤其对于有强度要求和特殊后续加工特性要求的钛合金棒材,其孔型设计合理与否,直接影响产品的质量和成材率等。所以,本文采用有限元分析软件模拟了钛合金棒材八道次连轧过程;建立了适用于三辊轧制小直径钛合金棒材的孔型设计模型;并在自行研制的Y型轧机上进行试验。 本文主要研究内容如下: (1)本文以TC4钛合金为研究对象,在GLEEBLE-1500热模拟机上进行压缩实验,深入研究了TC4钛合金的热塑性变形行为规律和流变应力。采用回归方法确定了钛合金高温塑性变形时峰值应力和稳态应力的本构关系,并考虑应变的影响,用指数型硬化函数和软化方程建立了TC4钛合金新型的流动应力方程。这些分析结果对研发塑性成型产品、优化生产工艺以及提高产品质量都具有非常重要的理论意义和实用价值。 (2)考虑到平三角轧件在圆孔型中轧制稳定,且圆孔型可以生产不同直径的圆棒,选择“平三角-圆”孔型系统。运用ANSYS商用有限元模拟软件,结合本文建立的TC4钛合金本构关系,虚拟仿真了8机架Y型轧机连轧TC4钛合金棒材的全过程;分析了棒材在三辊孔型中纵向变形和横向宽展,横截面上不同区域金属的温度、等效应力、等效应变分布规律,以及各道次轧制力的变化趋势。在整个连轧过程中,轧件轧制平稳、变形均匀、没有出现“开裂”、“耳子”、“皱褶”等现象。 (3)通过有限元模拟可知,钛合金棒材在三辊热连轧过程中,轧件在孔型中受到正反交替六个方向的压缩变形,轧件表面及内部温度、变形抗力、宽展、连轧常数等不断发生变化。由于钛合金棒材采用的是多机架(20架以上)、紧凑式(机架间距在1m以内)连轧,故上述参数的轻微波动会立刻影响连轧的稳定性甚至导致连轧过程中断。为了保证连轧的顺利进行以及控制产品尺寸精度,开展孔型设计方面的研究是至关重要的。本文提议了一种新型的、适合于钛合金棒材轧制的三辊孔型设计模型,与传统孔型设计的根本区别在于避免了孔型填充系数的选取。 (4)应用正交试验和有限元相结合的方法,分析了影响钛合金棒材宽展的主要因素,建立了小直径TC4钛合金棒材宽展模型,并在实验样机上进行验证,为平三角和圆孔型设计提供了理论基础。通过分析轧件与轧辊接触区的几何形状,应用获得的本构关系,建立了三辊孔型轧制小直径TC4钛合金棒材的轧制力模型,并在实验样机上进行测试。结果表明:轧制力计算值与测量值偏差在工程计算允许范围内。 (5)借助MATLAB计算、逻辑推导功能,开发了钛合金棒材计算机辅助孔型设计软件。本CARD软件适用于三辊Y型轧机所有孔型(平三角、圆三角、弧三角),能够实现孔型参数、轧件参数、力能参数等的计算,计算结果用EXCEL输出,孔型图用AUTOCAD输出。以Φ12mmTC4钛合金棒材孔型设计为例,验证了CARD系统的准确性。该软件界面友好,操作简单,能有效缩短孔型设计周期,提高工作效率与设计精度。
【学位授予单位】:太原科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG339

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【引证文献】
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