钛合金管材成形加工工艺的数值模拟研究

论文摘要

TC4钛合金属于典型的α+β两相钛合金,它含有6%的α稳定元素Al和4%的β稳定元素V。该合金具有优异的综合性能,利用其良好的力学性能和工艺性能,可成形各类零部件,广泛应用于航空航天工业。TC4钛合金管材生产难度大,原因是变形抗力较大,加工硬化强烈,易于开裂等。随着钛合金在工业应用方面的推广,钛合金无缝管材的塑性成形工艺研究已经成为该领域的热点之一。热挤压具有能提高金属变形能力、生产出的制品综合性能高等特点,热挤压是钛合金管材成形的一种有效方法。本文针对钛合金管材热挤压成形工艺问题,以TC4钛合金为研究对象,以大型非线性有限元分析软件DEFORM-3D为模拟分析平台,通过对钛合金管热挤压成形过程的数值模拟,设定挤压温度为850℃,在其他参数相同的情况下,比较了挤压速度分别为50mm/s,70mm/s情况下的管材成形质量,得出50mm/s时成形质量较好。在挤压速度为50mm/s的情况下对挤压坯料的等效应力场、虚拟速度场和温度场分别进行了分析。总结了钛合金薄壁管材在挤压过程三个不同阶段,等效应力的变化规律,虚拟速度场的分布规律,热力耦合情况下温度场的变化规律。在此基础上,运用单一因素轮换的方法,在其他参数不变的情况下,改变一个参数的数值,分析各工艺参数对管材挤压成形的影响,筛选出对管材热挤压成形有显著影响的变形工艺参数。对比分析挤压比、凹模模角、管坯加热温度、挤压速度对挤压力,管坯出口温度,坯料的等效应力的变化规律,总结出最佳的成形工艺参数。通过单因素轮换法分析了模具形状参数和工艺艺参数对热挤压成形过程和挤压力的影响,得出了最佳的工艺参数如下:挤压比为8,挤压速度为50mm/s-70 mm/s,坯料加热温度为850℃-900℃,凹模模角为135°,润滑剂采用玻璃润滑剂。与最近的试验研究得出的工艺参数挤压比为3-10,挤压速度为50-120 mm/s,吻合的很好。验证了本文数值模拟研究结果的准确度较高,能够用来指导生产实践。在分析管材挤压的成形特点和各工艺参数对挤压成形质量的影响基础上,总结出了最佳的成形工艺参数。进而对成形模具进行了设计,为钛合金管材挤压的生产应用提供很好的理论和技术指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外钛合金研究现状
• 1.3 钛合金管材的研究现状
• 1.4 金属塑性成形的模拟研究现状
• 1.5 本课题研究的目的及意义
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 1.6.1 具体研究内容
• 1.6.2 研究方法
• 第2章 塑性成形有限元理论及管材成形工艺的选择
• 2.1 引言
• 2.2 有限元理论方程和有限元软件介绍
• 2.2.1 刚塑性力学方程
• 2.2.2 热传递方程
• 2.2.3 有限元仿真软件介绍
• 2.3 成形方案的选择
• 2.3.1 管材挤压成形的方法
• 2.3.2 钛合金薄壁管材挤压方法的选定
• 2.3.3 管材坯料的选取
• 2.4 挤压工艺参数的选择
• 2.4.1 挤压温度的选择
• 2.4.2 模具预热温度的选择
• 2.4.3 挤压速度的选择
• 2.4.4 润滑的选择
• 2.4.5 挤压比的选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 钛合金管材热挤压过程的数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 管坯挤压过程数值模拟的前处理
• 3.2.1 有限元几何模型建立
• 3.2.2 钛合金管材挤压数值模拟
• 3.2.3 模型简化
• 3.2.4 模拟参数及条件
• 3.3 不同加载速度的比较
• 3.4 模拟分析
• 3.4.1 等效应力分析
• 3.4.2 虚拟速度场
• 3.4.3 管材挤压温度场
• 3.5 本章小结
• 第4章 工艺参数对成形过程的影响
• 4.1 引言
• 4.2 钛合金管材热挤压成形的模拟方案
• 4.3 挤压比的影响
• 4.4 凹模模角的影响
• 4.5 管坯加热温度的影响
• 4.6 挤压速度的影响
• 4.7 试验验证
• 4.8 本章小结
• 第5章 模具优化设计
• 5.1 挤压力的计算
• 5.2 挤压工具及其模具设计
• 5.2.1 热挤压模具特点及整体设计
• 5.2.2 凹模设计
• 5.2.3 凸模设计
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 大摘要