三辊螺旋轧制成形数值模拟与实验研究

论文摘要

常用钛合金等贵金属棒材的生产已经商业化、规格化、批量化。但非标准规格棒材生产、新型材料研发、特殊要求的棒材生产等还往往需要一些生产方式灵活、产品性能优异的特种生产方式,金属棒材的三辊螺旋轧制成形就是这样的一种特种加工方式。本文结合有限元数值模拟,对三辊螺旋轧制成形的成形理论和轧制工艺进行了系统深入的研究。对三辊螺旋轧制成形的两个重要角度参数螺旋角和倾斜角进行了影响性分析,重点分析了不同的螺旋角对轧制载荷的影响；经过坐标变换得出轧辊和轧件的表面方程从而建立起轧辊与轧件的数学模型。利用DEFORM-3D有限元模拟软件,对三辊螺旋轧制成形进行了模拟分析,得到了轧件的应力应变场、温度场信息和轧辊载荷；对模拟结果分析,得到了成形规律和工艺参数之间的关系。模拟计算结果对轧制实验提供了指导作用。分析了轧件塑性变形和轧件应力状态对轧制压力的影响,得出了轧制力的计算方法。利用理论计算公式对轧制力和轧制力矩进行初步估算,把模拟计算出轧制力矩和实验测得数值进行比较,验证了计算的可靠性。对不同的材料、不同规格的棒材,进行了多种工况下的轧制实验,发现了轧制缺陷并总结研究出缺陷控制方法,改进轧制工艺和调整设备参数,得到了质量良好的轧件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究基础及国内外现状
• 1.2.1 三辊螺旋轧机的产生及工作原理
• 1.2.2 三辊螺旋轧机的特点及应用
• 1.2.3 三辊螺旋轧机的国内外发展动态
• 1.3 有限元技术在塑性成形中的应用
• 1.3.1 有限元法概述
• 1.3.2 有限元法在塑性成形中的应用
• 1.4 课题的提出及主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 三辊螺旋轧制成形的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 三辊螺旋轧制成形的基本原理
• 2.3 轧辊与轧件数学模型的建立
• 2.3.1 轧辊的锥面方程
• 2.3.2 坐标变换矩阵
• 2.3.3 轧件的表面方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 成形过程的三维有限元模拟
• 3.1 引言
• 3.2 有限元法的基本理论
• 3.2.1 刚（粘）塑性有限元材料的基本假设
• 3.2.2 刚（粘）塑性有限元的基本方程
• 3.2.3 刚（粘）塑性有限元的虚功原理和变分原理
• 3.2.4 热力耦合有限元原理
• 3.3 轧制成形有限元模型的建立
• 3.3.1 几何模型的建立
• 3.3.2 材料模型的建立
• 3.3.3 摩擦模型的建立
• 3.3.4 模拟方案
• 3.4 数值模拟结果与分析
• 3.4.1 轧件内部应力分布及其影响因素分析
• 3.4.2 轧件内部应变分布及其影响因素分析
• 3.4.3 轧辊载荷及其影响因素分析
• 3.4.4 温度场分布及其影响因素分析
• 3.5 小结
• 第四章 轧制实验与缺陷控制
• 4.1 引言
• 4.2 设备结构与工艺实验
• 4.2.1 基本组成
• 4.2.2 主要参数设计
• 4.2.3 工艺实验
• 4.3 轧制力的计算与测试
• 4.3.1 轧制压力的确定方法
• 4.3.2 轧制力矩的计算
• 4.3.3 力能测试
• 4.4 缺陷控制
• 4.4.1 表面螺纹痕迹分析
• 4.4.2 轧制棒材弯曲
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况