亚热控制成形过程模拟及模具磨损关键技术研究

论文摘要

伴随着经济发展和制造全球化的热潮,市场竞争日益加剧。采用节约高效的先进制造技术已成为制造业重要的发展趋势。精密塑性成形技术是一种以高效、低成本获取高质量的净形或近净形零件的先进制造技术,而亚热控制精密成形则是在温成形和热成形温度范围之间成形的一种新的精密成形工艺。该工艺具有变形抗力较低、简化工序、减少设备吨位等优点,并可通过控制锻后冷却及利用余热进行热处理获得力学性能优良、尺寸精度高的优质锻件,达到节约能耗的目的。因而这种方法具有广泛的应用前景,但目前尚未有系统的研究报导。为深入认识亚热成形特性,本文以汽车精锻件常用合金结构钢40Cr和DIN优质碳素钢Cf53为研究对象,以汽车外星轮为载体,采用物理模拟和数值模拟相结合的方法对亚热控制精密成形特性及变形过程中的模具磨损进行了系统的理论和实验研究。本文基于热模拟试验,对40Cr钢和Cf53钢的亚热流变行为进行了试验研究及分析,结果表明随变形工艺参数的变化,流变应力曲线表现为不同的型式。在变形温度较高（1000℃和950℃）、变形速率较低（0.1s-1和0.5s-1）的时候,流变应力曲线出现明显的峰值,属于动态再结晶型。峰值应力时的应变（峰值应变）随变形温度的降低和变形速率的增大而升高。变形温度、变形速率及变形量对流变应力均有影响,其中变形速率和变形温度是最敏感的影响因素,是工艺控制中的主控因素。通过40Cr圆环亚热压缩试验,探讨了亚热变形工艺参数对摩擦因子的影响,研究结果为实际成形及数值模拟分析中摩擦因子的选取提供依据。基于热模拟试验的分析结果,在对现有流变应力模型进行评价的基础上,建立了40Cr钢和Cf53钢的亚热变形稳态应力模型,采用双曲正弦表达式计算40Cr钢和Cf53钢的亚热变形稳态激活能。40Cr钢亚热变形激活能为:270.321 KJ·mol-1,Cf53钢亚热变形激活能为:290.782 KJ·mol-1。并计算得出不同变形条件下的lnZ值,对应相应的表格即可快速算出特定变形条件下的峰值流变应力,进而可方便地为模具设计、设备选择等方面提供重要理论依据。基于Zener-Hollomon参数的研究,将变形激活能及其他参数与应变相关联,建立了一个基于动态变形激活能的亚热流变应力模型,计算了40Cr钢和Cf53钢在连续变形过程中的变形激活能及其变化情况,得到了变形激活能与变形量之间的关系。模型计算结果表明,所有工艺下的预测值均与试验值相吻合,为将本文构造的流变应力模型应用于数值模拟分析中提供了依据。采用编写用户子程序的方法将本文建立的流变应力模型耦合到MSC.Marc/Mentat有限元软件系统中,建立了亚热精密成形工艺模拟系统。利用该系统对40Cr钢和Cf53钢的亚热挤压成形过程进行了数值模拟,分析了变形温度、凸模速度、变形程度和摩擦因子对亚热挤压成形过程中的应力场、应变场分布和金属流动规律的影响,为确定合理的亚热成形工艺参数提供了科学依据。在分析现有磨损模型基础上提出适用于有限元模拟的模具磨损模型,建立了模具磨损模拟系统,首次采用数值模拟方法获得了各工艺参数对模具最大磨损深度及磨损分布的影响规律。研究表明摩擦因子和凸模速度对模具的磨损深度和磨损分布影响很大。将模具磨损模型预测结果与实际生产实例所测模具磨损轮廓对比,发现二者趋势相吻合,证明了模型的正确性。研究结果为预测模具寿命、预测产品尺寸及模具设计的补偿研究提供理论基础,具有重要的实际意义。通过物理模拟进行了不同变形条件下亚热正挤压和反挤压成形,比较研究了数值模拟结果和实验结果。研究结果表明,模拟与实验所得变形载荷大小及趋势基本一致,证实了本文的流变应力模型及数值模拟系统在40Cr钢和Cf53钢亚热变形过程的应用中具有较高的准确性和可靠性。应用基于本文建立的流变应力模型、模具磨损模型的亚热控制精锻模拟系统,以Cf53钢的汽车外星轮为例,对其亚热成形过程进行工艺分析,确定了工艺方案,成功实现了Cf53钢的亚热控制精锻成形,并投入了批量生产。结果表明采用本论文研究的亚热控制精锻工艺,降低了材料变形抗力,取消了单独正火处理的工序,采用成形后的余热控制冷却,从而获得优良的内部组织与较高的力学性能,具有简化工艺,节约能源,使产品兼具优良的内外质量的特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 亚热控制精密成形技术研究进展
• 1.2.1 亚热精密成形的基本特点
• 1.2.2 亚热精密成形技术的研究与应用概况
• 1.3 模具磨损数值模拟的研究概况
• 1.4 本文研究的目标和主要研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 40Cr钢和Cf53 钢亚热变形力学行为研究
• 2.1 引言
• 2.2 亚热变形力学行为试验研究
• 2.2.1 流变应力的试验测量方法
• 2.2.2 亚热温度范围40Cr钢与Cf53 钢流变应力的试验测定方案
• 2.2.3 亚热温度范围摩擦因子的试验研究
• 2.3 40Cr钢和Cf53 钢亚热变形力学行为分析
• 2.3.1 40Cr钢亚热变形力学特性
• 2.3.2 Cf53 钢亚热变形力学特性
• 2.4 采用蠕变方程预测40Cr钢和Cf53 钢亚热流变应力
• 2.4.1 金属材料塑性变形流变应力模型
• 2.4.2 蠕变方程及亚热变形流变应力的预测方法
• 2.4.3 40Cr钢亚热变形稳态应力模型
• 2.4.4 Cf53 钢亚热变形稳态应力模型
• 2.5 基于动态变形激活能的流变应力模型
• 2.6 40Cr钢和Cf53 钢亚热变形的特点及应用前景
• 2.7 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 亚热挤压成形过程数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 有限元数值模拟理论
• 3.2.1 塑性成形中有限元法的应用
• 3.2.2 热—力耦合有限元理论
• 3.3 亚热挤压成形工艺数值模拟模型
• 3.3.1 MSC.Marc二次开发
• 3.3.2 数值模拟参数设置
• 3.3.3 数值模拟工艺方案
• 3.4 亚热挤压成形过程模拟结果及分析
• 3.4.1 亚热挤压成形过程
• 3.4.2 变形温度对亚热挤压成形的影响
• 3.4.3 凸模速度对亚热挤压成形的影响
• 3.4.4 摩擦因子对亚热挤压成形的影响
• 3.4.5 变形程度对亚热挤压成形的影响
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 亚热成形模具磨损模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 模具磨损理论
• 4.2.1 模具磨损机理
• 4.2.2 磨损基本模型
• 4.2.3 影响磨损的因素
• 4.3 亚热挤压模具磨损模型的提出及验证
• 4.3.1 模具磨损模型的提出
• 4.3.2 引入磨损的Marc的二次开发
• 4.3.3 典型亚热挤压模具磨损的模拟及验证
• 4.4 挤压工艺参数对模具磨损的影响
• 4.4.1 变形温度对模具磨损的影响
• 4.4.2 凸模速度对模具磨损的影响
• 4.4.3 摩擦因子对模具磨损的影响
• 4.4.4 凹模锥角对模具磨损的影响
• 4.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 亚热挤压成形实验及外星轮亚热精锻成形工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 亚热挤压工艺实验方案和实验条件
• 5.2.1 实验工艺方案
• 5.2.2 实验设备及模具
• 5.3 实验结果分析及讨论
• 5.3.1 变形载荷
• 5.3.2 微观组织
• 5.4 外星轮亚热精密成形工艺分析及有限元仿真
• 5.4.1 外星轮成形工艺路线
• 5.4.2 外星轮亚热精密成形过程模拟
• 5.4.3 外星轮亚热精密成形过程模具磨损的模拟
• 5.4.4 外星轮亚热成形工艺方案
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 致谢
• 作者在攻读博士期间完成的论文及申请专利情况