基于数值模拟的大型大变截面连杆锻件辊锻制坯工艺研究

论文摘要

大型锻件是国家重大技术装备和重大工程建设所必需的重要基础部件,它的制造能力是衡量一个重型装备制造业综合实力的重要标志。科技部在“十一五”国家科技支撑计划中特设立了“大型锻件制造关键技术及装备研制”重点项目。重点攻克我国重大装备制造中的大型锻件制造工艺关键技术和检测技术等一批关键技术和瓶颈问题。目前,我国大型锻件的制造能力、技术水平以及大型锻压设备与国外相比还有较大差距,一些大型、关键锻件尚需进口,受制于人。本课题是2009年重庆市科委针对“百亿长征”而设置的重点技术攻关项目的内容之一。通过对项目合作方重庆长征重工有限责任公司重新进行设备配置的情况下,针对生产的大型船用中速柴油机连杆,在现有的生产技术工艺方案的基础上,优化模锻毛坯,提出整体辊锻制坯,模锻成型的工艺方案。辊锻工艺的特征是连续局部塑性变形。充分利用辊锻变形的特点,采取辊锻制坯,模锻成形的工艺方案,就能大大降低模锻设备的吨位。针对具体的零件,设计合理的辊锻方案,能够实现局部模锻,进一步降低设备的功耗。大型船用连杆是中速柴油机重要的运动件,是属于大型锻件范畴。目前我国受锻压设备的限制,多数生产商采用分体锻造成形,然后机加连接,且国内尚无成熟的大型连杆锻件整体锻造工艺。研究此类零件合理的制坯工艺,对优化模锻坯料,提高材料利用率,减少机加,降低设备功率的需求等显得极其重要。本课题经理论分析和详细的工艺计算,计算出模锻毛坯,即辊锻零件。并利用数值软件,对制坯后的模锻工艺和各道次辊锻,配置了合理的技术参数进行反复的验证,同时利用模拟结果进行毛坯优化。根椐优化后的锻坯,经过辊锻工艺分析计算后,制定辊锻制坯工艺,并结合企业调研的工程经验,将辊锻模具设计的一些影响因素考虑到设计中,设计出了四道次辊锻模具,同时辊锻模具进行了参数化造型,并应用有限元分析软件Deform 3D,对四个道次的辊锻过程,进行数值模拟。分析了辊锻四个道次中每一道次的材料流动、等效应变、辊锻力矩等工艺参数对成形的影响。利用模具结果,改进了辊锻工艺方案。针对辊锻飞边、道次匹配问题进行了理论分析,并修改辊锻工艺、辊锻模具,利用修改后的方案,再进行了数值模拟。对辊锻中摩擦系数、失稳、变截面辊锻材料流动等问题,研究其理论原因,进行了多种数据数值模拟。本课题的研究内容,对大型锻件辊锻制坯工艺的制定,具有实际的指导意义,同时对项目合作方重庆长征重工有限责任公司起到技术支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 大型锻件在国民经济建设中的重要地位及制造技术现状
• 1.1.1 大型锻件在国民经济建设中的重要地位
• 1.1.2 大型锻件制造技术的现状
• 1.2 国内外辊锻技术研究相关状况
• 1.2.1 辊锻技术研究现状
• 1.2.2 辊锻数值模拟研究状况
• 1.3 课题研究的提出及内容与研究组织路线
• 1.3.1 课题的提出及研究内容
• 1.3.2 课题研究组织路线
• 1.4 本课题研究解决的关键技术问题
• 2 基础辊锻技术与工艺技术难点
• 2.1 基础辊锻技术
• 2.1.1 辊锻变形特点
• 2.1.2 辊锻工艺的分类和应用
• 2.1.3 辊锻的基本参数
• 2.1.4 辊锻模具结构与固定方式
• 2.1.5 辊锻机
• 2.2 辊锻工艺技术工程难点
• 2.3 本章小结
• 3 刚（粘）塑性有限元的基本原理
• 3.1 刚（粘）塑性材料的基本假设
• 3.2 刚（粘）塑性有限元法基本方程
• 3.3 刚（粘）塑性有限元变分原理
• 3.4 刚塑性有限元法列式及求解
• 3.4.1 刚塑性有限元法求解步骤
• 3.4.2 离散化
• 3.4.3 罚函数法基本求解公式
• 3.4.4 线性化
• 3.5 本课题有限元分析平台
• 3.5.1 DEFORM 软件简介
• 3.5.2 DEFORM 的特点
• 3.5.3 本课题数值模拟方案的制定
• 3.6 本章小节
• 4 大变截面船用连杆整体模锻坯料优化与合理性验证
• 4.1 大型船用连杆锻造成形工艺分析
• 4.2 大型船用连杆整体模锻坯料尺寸的确定
• 4.2.1 计算坯料截面图的绘制
• 4.2.2 计算坯料截面图的优化
• 4.3 大型船用连杆整体模锻工艺方案及模具设计
• 4.3.1 压扁工序与压扁模具
• 4.3.2 成形模锻工序及模具设计
• 4.4 大型船用连杆成形模锻数值模拟研究及优化坯料合理性的验证
• 4.4.1 成形模锻数值模拟参数设定
• 4.4.2 压扁模拟结果分析
• 4.4.3 成形模拟结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 大型大变截面连杆整体辊锻制坯工艺及优化
• 5.1 3240 连杆锻件辊锻特点分析
• 5.2 辊锻制坯模具设计
• 5.2.1 辊锻件零件图设计
• 5.2.2 确定原始毛坯坯料尺寸
• 5.2.3 辊锻道次的确定
• 5.2.4 辊锻型槽的设计
• 5.2.5 各道次辊锻件图设计
• 5.2.6 各道次辊锻模具设计
• 5.3 本章小结
• 6 大变截面零件辊锻成形特点理论分析
• 6.1 辊锻模具与锻件啮合运动分析
• 6.2 辊锻成形机理
• 6.2.1 后壁成形
• 6.2.2 前壁成形
• 6.3 变截面辊锻零件的基本方程分析讨论
• 6.3.1 变截面辊零件的基本方程
• 6.3.2 变截面辊零件的基本方程分析讨论
• 6.4 本章小结
• 7 辊锻制坯数值模拟与结果分析及工艺优化
• 7.1 锻件材料特性
• 7.2 数值模拟的前处理参数设定
• 7.2.1 模拟过程的技巧设置
• 7.2.2 数值模拟前处理参数设定
• 7.3 辊锻成形数值模拟分析
• 7.3.1 坯料流动分析
• 7.3.2 各道次应变分析
• 7.3.3 各道次力能曲线分析
• 7.4 利用辊锻模拟结果进行辊锻工艺优化
• 7.4.1 中间辊锻道次产生飞边的原因分析
• 7.4.2 大型辊锻零件辊锻道次匹配的研究
• 7.5 本章小结
• 8 辊锻中摩擦与稳定性研究
• 8.1 辊锻工艺中摩擦特点
• 8.1.1 辊锻过程中材料滑动特点
• 8.1.2 摩擦条件对辊锻过程影响的复杂性
• 8.1.3 变形区内摩擦状态的复杂性
• 8.1.4 有效摩擦与剩余摩擦
• 8.2 大变截面连杆辊锻中摩擦系数的数值模拟结果分析
• 8.2.1 摩擦系数对前滑值的影响
• 8.2.2 摩擦系数对稳定性的影响
• 8.3 本章小结
• 9 结论与展望
• 9.1 本文结论
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果