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大型锻件锻造新理论与新工艺的数值模拟

邓冬梅  
【摘要】: 现代能源、运输、冶金工业的迅速发展,要求重型机械制造业能提供优质 大型锻件。这些大锻件是由钢锭开坯锻造而成。由于钢锭内部不可避免地存在 偏析、疏松、缩孔及微裂纹等冶金缺陷。钢锭越大,这些缺陷就越严重。为了 获得优质锻件,必须通过锻造工艺来消除这些缺陷。要想达到此目的,所采用 的锻造工艺应能保证锻件内部,尤其是缺陷区域不出现拉伸应力及过分强烈的 剪切应力,否则,不但不能消除这些缺陷,而且还有可能使之加剧。 本文以大型的有限元商品软件ANSYS为分析工具,对影响锻件质量的主要 工序——镦粗、拔长进行了有限元分析。 在镦粗方面,首先对锻造新工艺理论进行了定量的模拟研究。即对普通平 板间镦粗圆柱体和普通平板间镦粗方柱体进行了结构分析和热力耦合分析,通 过研究变形体内部的应力、应变分布状态,及其与压下量之间的关系,得出了 变形体内不产生双向拉应力的临界高径比H/D与临界尺寸比A/H,从而定量地验 证并完善了普通平板间镦粗圆柱体刚塑性力学模型拉应力理论和方柱体镦粗两 个新力学模型的正确性,打破了传统的镦粗体内三向压应力学说。方柱体镦粗 时刚性区的外形是一圆锥台这一发现,很好地解释了方柱体镦粗的刚塑性力学 模型。在对新理论进行模拟的基础上,进一步研究了锻造工艺新技术——锥形 板镦粗新工艺。变形过程中变形体内应力、应变的分布情况,证明了锥形板镦 粗能克服平板镦粗时其镦粗体内变形不均匀与应力状态不佳的二大缺陷,是一 种构思新颖的工艺。压下量较小时,中心点处于两向拉应力状态的事实和锥形 板镦粗的刚塑性力学模型分析结果很好地吻合。 在拔长方面,以镦粗新理论的研究为基础,同时考虑刚端影响,研究了常 用的平砧拔长工艺。分别在两种载荷情况下,对不同料宽比、砧宽比的拔长进 行了模拟。通过分析两种情况下砧子下面变形体中心轴线上的应力分布,并和 方柱体镦粗结果相比较。发现刚端对内部应力的影响不是由单一的工艺参数决 定的,而是料宽比和砧宽比共同作用的结果。所以单纯由砧宽比W/H来描述轴 燕山大学工学硕士学位论文 向应力,或单纯由料宽比B/H来描述横向应力都是无意义的。只有同时用料宽 比和砧宽比来描述拔长体内部的应力状态才有意义。针对中心点处的应力状态, 作者进行了深入细致的分析,首次给出了使中心点处轴向应力ax为零的临界砧 宽比/炒”c和料宽比的函数关系式;同理,可推出使中心点横向应力az为零 的临界料宽比taw入与砧宽比之间的关系。从量值的角度证明和完善了平砧拔 长矩形截面毛坯新理论,为正确制定墩粗和拔长工艺参数提供了定量的理论依 据。 本文的模拟结果和以前的定性物理模拟结果很好地吻合,证明数值分析理 论严谨,数据可靠。这一工作有助于大型锻件新理论与相关新工艺进一步完善 与发展——由经验分析、定性分析走向定量分析。这就是本文的理论价值和主 要创新点之一。


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