盘型件双面辗压成形工艺研究

论文摘要

为了满足国家对大尺寸涡轮盘和高性能涡轮盘的需求,本文对“盘型件数控等温双面辗压成形”技术进行了研究,这是一种新型的无模、柔性局部成形技术。作为盘型件双面辗压成形工艺的基础研究,本文采用理论分析、数值模拟和实验研究互相结合的方法对盘型件双面辗压成形的基本特征及变形规律进行了研究。获得了如下研究结果:为了方便后面的研究,首先定义了描述盘件辗压成形效果的主要几何参数以及影响成形效果的工件参数、工具参数和工艺参数。为了设计制造实验设备,使用某些简化假设建立了盘型件双面辗压成形力学模型,给出了辗压过程中辗压头所受到包括力和力矩在内的成形载荷理论表达式。并据此得到了辗压成形载荷随辗压头锥顶角、前端面半径和辗压压下量的变化曲线。应用DEFORM3D锻压工艺商业模拟软件对多种工况的盘型件双面辗压过程进行了数值模拟,获得了辗压头锥顶角、前端面半径、母线长度、辗压头转速、压下量和辗压位置对成形载荷、应变场、应变速率场、速度场和沟槽形态的影响规律。基于不同的研究目的,进行了单槽形态、槽间影响、宽槽辗压,平盘辗压的实验研究。在不同压下量、不同转速、不同辗压位置条件下,实测了辗压后的槽深、压痕深度、甩高、材料堆积、盘径增长等大量数据。总结出槽深、甩高、压痕深度、盘径增量随不同辗压遍次、不同辗压位置、不同转速的变化规律,并通过数值拟合得到了根据辗压头转速、沟槽径向位置、希望槽深计算所需要的厚向丝杠进给量的表达式,解决了机架变形的误差问题。测量了宽槽多遍次辗压时径向堆积高度、影响区域及其随辗压位置的变化。槽间影响与宽槽辗压实验结果都表明,由内向外辗压是一种有利于减少缺陷和提高沟槽和盘面质量径向进给方式。上述公式和数据用于平盘辗压实验的工艺设计,成形后盘件表面误差较小,初步验证了所得公式、方法与数据的正确性。通过多种方法研究了辗压成形缺陷(打滑、滑轮型缺陷、盘件翘曲、过量材料堆积等)的成因与防止措施。本文特别对打滑问题进行了重点研究。在理论方面,建立了不打滑条件的理论表达式,给出了辗压头尺寸、压下量或压痕深度、甩高与不打滑所需摩擦系数的定量关系;在数值模拟方面,通过比较接触面上工件与工具环向速度差理解打滑机理,分析影响因素;在实验方面,首先建立了打滑缺陷的评价方法;观测了辗压遍次、辗压头转速对打滑的影响。最后建议了防止打滑的工艺措施。对单槽辗压工艺,进行了数值模拟结果与实验结果的定量对比,二者吻合较好;本文还在多处进行了数值模拟结果与实验结果的定性对比,用以说明根据数值模拟结果得到的结论是可信的,可以用于指导实际辗压成形工艺分析。最后,本文研究了一般非对称盘型件渐进辗压成形的工艺设计问题,建立了根据压下量和辗压遍次计算中间过渡毛坯尺寸的方法。为验证研究结果,以某个一级航空涡轮盘为目标进行了缩比例辗压实验,成形后的盘件尺寸误差较小,说明所建立的渐进辗压成形工艺及其设计方法是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与目的意义
• 1.2 盘型件数控等温双面辗压成形技术特征及优势
• 1.3 局部塑性成形技术的国内外研究现状
• 1.3.1 局部塑性成形技术概述
• 1.3.2 与盘型件双面辗压成形类似的工艺
• 1.3.3 类似工艺与盘件双面辗压工艺的比较
• 1.3.4 盘型件数控等温双面辗压成形技术的国内外研究现状
• 1.3.5 金属成形工艺分析方法
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 盘型件辗压成形的变形特征和分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 盘型件双面辗压的基本特征
• 2.3 辗压工艺成形效果描述
• 2.4 影响盘件辗压成形效果的工艺参数
• 2.5 盘型件双面辗压的成形缺陷
• 2.6 小结
• 第3章 盘型件双面辗压成形载荷的理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 盘型件双面辗压分析模型
• 3.3 辗压成形力载荷的计算
• 3.4 辗压成形的力矩载荷计算
• 3.5 用于实验机设计载荷
• 3.6 辗压成形载荷影响因素分析
• 3.6.1 辗压头锥顶角的影响
• 3.6.2 辗压头压下量的影响
• 3.6.3 辗压头前端面半径的影响
• 3.7 小结
• 第4章 盘型件双面辗压成形规律的数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 盘形件辗压成形数值模拟的基本情况
• 4.2.1 模拟软件
• 4.2.2 材料的基本假设
• 4.2.3 坯料与工件的几何参数
• 4.2.4 工具-辗压头的几何参数
• 4.2.5 成形工艺参数
• 4.2.6 数值模拟计算模型
• 4.2.7 辗压成形过程数值模拟步骤
• 4.3 盘件辗压成形数值模拟方案
• 4.4 模拟与实验结果对比分析
• 4.4.1 数值模拟目的与内容
• 4.4.2 数值模拟与实验结果对比分析
• 4.5 数值模拟结果与分析
• 4.5.1 Z向载荷及其影响因素
• 4.5.2 等效应变及其影响因素
• 4.5.3 等效应变速率及其影响因素分析
• 4.5.4 环向速度及其影响因素
• 4.5.5 甩高、槽深和径向堆积及其影响因素分析
• 4.5.6 其它工艺问题的数值模拟
• 4.6 本章小结
• 第5章 盘型件双面辗压成形实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 盘型件辗压实验细节
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 盘型件双面辗压实验设备
• 5.2.3 成形实验方案
• 5.3 单槽实验
• 5.3.1 实验1
• 5.3.2 实验2
• 5.4 槽间影响实验
• 5.4.1 实验1
• 5.4.2 实验2
• 5.5 宽槽成形实验
• 5.5.1 径向进给方向实验
• 5.5.2 压痕深度、槽深及甩高及影响因素实验
• 5.5.3 盘件半径增长及影响因素试验
• 5.5.4 径向堆积及影响因素试验
• 5.6 薄平盘辗压实验
• 5.6.1 实验方法
• 5.6.2 实验结果
• 5.7 盘型件辗压的成形缺陷
• 5.7.1 打滑缺陷
• 5.7.2 滑轮型缺陷
• 5.7.3 翘曲缺陷
• 5.7.4 材料径向过量堆积缺陷
• 5.8 本章小结
• 第6章 复杂形状盘件辗压成形工艺
• 6.1 引言
• 6.2 辗压成形工艺中间毛坯尺寸的计算方法
• 6.2.1 坯料、工件的几何描述
• 6.2.2 压下道次和压下量的确定
• 6.2.3 中间毛坯几何形状的计算
• 6.3 仿照实际涡轮盘辗压成形
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文