Ti40合金环件径轴向轧制过程数值模拟及其工艺优化

论文摘要

Ti40阻燃钛合金具有优异的阻燃性能和良好的综合力学性能，是先进航空发动机急需的关键结构材料。但其变形抗力大、热加工性能差；同时，由于环件轧制过程所具有的非线性、时变性和非稳态特性，使Ti40合金环件轧制过程中易产生端面凹陷、多棱、椭圆及裂纹等缺陷。本文以Ti40合金为研究对象，利用DEFORM-3D软件对其环件径轴向轧制过程进行数值模拟，并对其工艺参数进行优化，研究结果可为Ti40合金环件的实际生产提供理论及技术支持。本文结合环件轧制理论和环件径轴向轧制特点，建立了芯辊、锥辊、导向辊的运动规律计算模型；构建了Ti40合金的材料模型。利用DEFORM-3D软件对Ti40合金环件径轴向轧制过程进行了模拟分析，研究了温度场、等效应变场及制力的变化规律。研究结果表明：环件中心部位温度最高，环件外表面温度较低且不均匀，其中端面受轴向轧制影响温度稍高，角部边缘区温度最低；等效应变场分布规律为环坯径向外层等效应变最大，其次为内层，中间层最小；芯辊轧制力初始轧制阶段上升较快，并很快到达峰值，此后轧制力有所下降，轧制力矩变化与此类似。在Ti40合金环件成品尺寸为Φ724×Φ611×300mm，环坯尺寸为Φ486×Φ300×310mm时，对不同工艺条件下的Ti40合金环件径轴向轧制过程进行模拟实验，分析了驱动辊转速、芯辊进给速度、导向辊角度、环坯开轧温度等工艺参数对环件轧制过程的影响，研究结果表明：开轧温度、芯辊进给速度和驱动辊转速对芯辊轧制力有较大的影响。当开轧温度分别为990℃、1040℃、1090℃时，最大轧制力分别为2.7×106N、2.1×106N和2.0×106N，随着坯料开轧温度的提高，芯辊轧制力越来越小。当芯辊进给速度分别为0.8mm/s、1mm/s、1.5mm/s时，最大轧制力分别为2.1×106N、2.2×106N、2.5×106N。对温度场影响较大的参数是驱动辊转速，芯辊进给速度。驱动辊转速分别为1.27rad/s、1.82rad/s和2.36rad/s时，环件温度范围分别为955℃1055℃、974℃1054℃和975℃1056℃，随着驱动辊转速的提高，环件的整体温度增加；芯辊进给速度分别为0.8mm/s、1mm/s、1.5mm/s时，环件温度分别为955℃1052℃、960℃1055℃、975℃1055℃。根据模拟结果，得出Ti40合金环件径轴向轧制工艺参数优化值为：坯料开轧温度1040℃，驱动辊转速1.27rad/s，芯辊取分段进给速度0.8-1-0.8mm/s，导向辊位置角60o，驱动辊摩擦因子取稍大值较好，而锥辊摩擦因子取值不宜过大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 环件径轴向轧制简介
• 1.1.1 环件轧制成形原理
• 1.1.2 环件径轴向轧制的成形特点
• 1.2 环件轧制技术研究现状
• 1.2.1 环件轧制的实验研究
• 1.2.2 环件轧制的理论研究
• 1.2.3 环件轧制的有限元模拟研究
• 1.3 Ti40 阻燃钛合金简介
• 1.4 本文研究背景及意义
• 1.5 本文研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 环件径轴向轧制有限元数值模拟基础理论
• 2.1 环件径轴向轧制成形基本理论
• 2.1.1 咬入条件
• 2.1.2 锻透条件
• 2.1.3 刚度条件
• 2.2 有限元数值模拟基本理论
• 2.2.1 刚/粘塑性有限元法基本方程
• 2.2.2 刚/粘塑性有限元法变分原理
• 2.2.3 刚/粘塑性有限元法求解列式
• 2.2.4 金属热塑性变形过程中的热力耦合分析
• 2.3 有限元模拟软件 DEFORM-3D 简介
• 2.4 本章小结
• 第3章 Ti40 合金环件径轴向轧制过程有限元模型的建立
• 3.1 模拟实验方案的拟定
• 3.2 几何装配模型的建立
• 3.3 各模型运动规律的计算模型
• 3.3.1 轧制过程中环件运动规律的计算模型
• 3.3.2 轧制过程中芯辊运动规律的计算模型
• 3.3.3 轧制过程中锥辊运动规律的计算模型
• 3.3.4 轧制过程中导向辊运动规律的计算模型
• 3.4 Ti40 阻燃钛合金材料模型的建立
• 3.5 建模时关键问题的处理
• 3.6 本章小结
• 第4章 Ti40 合金环件径轴向轧制过程数值模拟及其工艺优化
• 4.1 Ti40 合金环件径轴向轧制过程数值模拟结果
• 4.1.1 Ti40 合金环件径轴向轧制过程中温度场变化及分布规律
• 4.1.2 Ti40 合金环件径轴向轧制过程中等效应变场变化规律
• 4.1.3 Ti40 合金环件径轴向轧制过程芯辊轧制力及力矩变化规律
• 4.1.4 Ti40 合金环件径轴向轧制过程中金属流动变化规律
• 4.1.5 Ti40 合金环件径轴向轧制过程中环件变形规律
• 4.2 驱动辊转速的优化
• 4.2.1 驱动辊转速对 Ti40 合金环件温度场的影响
• 4.2.2 驱动辊转速对芯辊轧制力的影响
• 4.2.3 驱动辊转速对 Ti40 合金环件等效应变的影响
• 4.2.4 驱动辊转速对 Ti40 合金环件外形尺寸的影响
• 4.3 芯辊进给速度的优化
• 4.3.1 芯辊进给速度对 Ti40 合金环件温度场的影响
• 4.3.2 芯辊进给速度对芯辊轧制力的影响
• 4.3.3 芯辊进给速度对 Ti40 合金环件等效应变的影响
• 4.3.4 芯辊进给速度对环件外形尺寸的影响
• 4.4 导向辊位置角速度的优化
• 4.4.1 导向辊位置角对 Ti40 合金环件温度场的影响
• 4.4.2 导向辊位置角对芯辊轧制力的影响
• 4.4.3 导向辊位置角对 Ti40 合金环件等效应变的影响
• 4.4.4 导向辊位置角对 Ti40 合金环件外形尺寸的影响
• 4.5 坯料开轧温度的优化
• 4.5.1 坯料开轧温度对芯辊轧制力的影响
• 4.5.2 坯料开轧温度对 Ti40 合金环件等效应变的影响
• 4.5.3 坯料开轧温度对 Ti40 合金环件外形尺寸的影响
• 4.6 驱动辊摩擦因子的优化
• 4.6.1 驱动辊摩擦因子对 Ti40 合金环件温度场的影响
• 4.6.2 驱动辊摩擦因子对芯辊轧制力的影响
• 4.6.3 驱动辊摩擦因子对 Ti40 合金环件等效应变的影响
• 4.6.4 驱动辊摩擦因子对 Ti40 合金环件外形尺寸的影响
• 4.7 锥辊摩擦因子的优化
• 4.7.1 锥辊摩擦因子对环件 Ti40 合金温度场的影响
• 4.7.2 锥辊摩擦因子对芯辊轧制力的影响
• 4.7.3 锥辊摩擦因子对 Ti40 合金环件等效应变的影响
• 4.7.4 锥辊摩擦因子对 Ti40 合金环件外形尺寸的影响
• 4.8 坯料尺寸的优化
• 4.8.1 坯料尺寸对 Ti40 合金环件温度场的影响
• 4.8.2 坯料尺寸对芯辊轧制力的影响
• 4.8.3 坯料尺寸对 Ti40 合金环件等效应变场的影响
• 4.8.4 坯料尺寸对 Ti40 合金环件外形尺寸的影响
• 4.9 物理试验验证
• 4.10 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢