环件冷辗扩变形规律和工艺模拟研究

论文摘要

环件冷辗扩是在室温下进行的连续局部塑性回转成形工艺，它具有省力、节能、节材、生产率高、生产成本低、产品质量好等显著特点，是各类小型轴承套圈、齿圈、管接头及其它环件精密制造新工艺。本文通过ABAQUS／Explicit有限元模拟研究和实验研究，从静力学、运动学方面，深入分析了环件冷辗扩变形基本规律，研究了残余应力分布规律，推导出了轧辊的运动参数设计公式，建立了工艺参数设计和优化模型，为环件冷辗扩技术应用发展提供了理论和实验依据。基于高精度拉伸试验机上测得的轴承钢GCr15的机械性能，建立了适合于有限元模拟分析的弹塑性本构方程。根据D56G90型冷辗环机的结构、轧辊及环件几何尺寸、接触条件、载荷加载、自适应网格划分要求，建立了环件冷辗扩成形三维弹塑性动力显式有限元模型。应用塑性力学、塑性成形理论和有限元模拟方法，研究了环件冷辗扩锻透过程塑性区的分布规律，导出了基于有限元模拟的环件冷辗扩锻透条件。研究了环件冷辗扩的咬入条件，得到了摩擦与咬入条件之间的关系。研究了环件冷辗扩过程中进给速度、毛坯尺寸及摩擦对宽展的影响，通过数值拟合的方法得到了环件宽展的基本公式，在D56G90型冷辗环机上对矩形截面环件进行了开式冷辗扩实验，验证了宽展模拟研究结果。基于有限元模拟和实验方法，首次进行了环件冷辗扩残余应力的研究，得到了深沟球截面环件冷辗扩过程中残余应力变化规律。从运动学的角度，通过解析计算和有限元模拟，建立了矩形截面环件和深沟球截面环件冷辗扩轧辊的运动学模型，分析了两种环件的直径变化规律，首次建立了根据冷辗扩工艺来确定导向辊运动参数的一整套设计方法；基于不同的进给控制模式，建立了相应的进给速度设计方法，分析了进给速度对成形的影响，提出了在不同辗扩阶段采用不同进给规范的设计思路。基于环件冷辗扩过程研究和有限元模拟，设计并优化了深沟球截面环件冷辗扩中的轧辊参数、运动参数和毛坯参数，得到了环件冷辗扩过程中环件内外直径增长规律和环件内外圆圆度变化规律。在D56G90型冷辗环机上进行了深沟球截面环件冷辗扩实验，验证了工艺设计和模拟研究结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 环件辗扩分类
• 1.1.1 环件径向辗扩原理
• 1.1.2 环件径—轴向辗扩原理
• 1.1.3 环件冷辗扩工作原理及工艺流程
• 1.1.4 环件冷辗扩优点
• 1.2 课题的来源、目的和意义
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 课题研究的目的、意义
• 1.3 环件辗扩的研究现状
• 1.3.1 环件辗扩实验研究
• 1.3.2 环件辗扩理论研究
• 1.3.3 环件辗扩工艺参数设计研究
• 1.3.4 环件辗扩有限元研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.4.1 环件冷辗扩塑性变形机制和规律
• 1.4.2 环件冷辗扩过程中残余应力计算
• 1.4.3 环件冷辗扩过程中工艺参数设计
• 第2章 弹塑性动力显式有限元基本理论
• 2.1 环件冷辗扩变形特点
• 2.2 有限元方法简介
• 2.2.1 刚塑性有限元和弹塑性有限元简介
• 2.2.2 有限元求解方法简介
• 2.3 弹塑性有限元法的基本原理
• 2.4 动力显式有限元理论基础
• 2.4.1 动力显式有限元方程的一般形式
• 2.4.2 动力显式方程的时间积分
• 2.4.3 显式方法的条件稳定性
• 2.5 本章小结
• 第3章 环件冷辗扩中材料的本构关系
• 3.1 引言
• 3.2 本构方程建立基本理论
• 3.2.1 拉伸实验基本特点
• 3.2.2 模型建立
• 3.3 材料性能实验
• 3.3.1 目的
• 3.3.2 设备
• 3.3.3 试样准备
• 3.3.4 测量结果
• 3.4 本构方程的求解
• 3.5 本章小结
• 第4章 环件冷辗扩有限元建模
• 4.1 ABAQUS简介
• 4.2 环件冷辗扩过程模拟流程
• 4.3 环件冷辗扩过程建模
• 4.3.1 几何建模
• 4.3.2 材料模型
• 4.3.3 装配和分析步
• 4.3.4 接触定义
• 4.3.5 约束和加载
• 4.3.6 网格划分
• 4.3.7 计算
• 4.3.8 求解结果的后处理
• 4.4 本章小结
• 第5章 锻透过程中塑性区分布规律
• 5.1 引言
• 5.2 环件锻透三维有限元建模
• 5.3 环件锻透过程的有限元研究方法
• 5.3.1 环件锻透有限元分析中单元屈服条件
• 5.3.2 研究方法
• 5.4 结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 环件冷辗扩中摩擦与咬入条件
• 6.1 引言
• 6.2 解析几何关系
• 6.3 模型建立
• 6.4 结果与讨论
• 6.5 本章小结
• 第7章 环件冷辗扩中宽展规律
• 7.1 引言
• 7.2 有限元建模
• 7.3 模拟计算及分析
• 7.3.1 进给速度的影响
• 7.3.2 宽径比的影响
• 7.3.3 摩擦系数的影响
• 7.4 实验验证
• 7.4.1 试验设计与过程
• 7.4.2 测量结果及讨论
• 7.4.3 模拟结果与实验结果对比分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 环件冷辗扩过程中残余应力的计算
• 8.1 引言
• 8.2 残余应力计算的有限元建模
• 8.3 残余应力有限元模拟结果分析
• 8.4 残余应力测试
• 8.4.1 机械测试
• 8.4.2 X射线测试
• 8.5 模拟结果与测量结果比较
• 8.6 本章小结
• 第9章 环件冷辗扩过程中运动参数研究
• 9.1 环件冷辗扩中单辊随动导向运动规律研究
• 9.1.1 立式单辊随动导向辗扩原理
• 9.1.2 立式单辊随动导向运动规律
• 9.1.3 试验验证
• 9.1.4 计算与分析
• 9.2 环件冷辗扩进给速度规范设计
• 9.2.1 引言
• 9.2.2 进给速度规范设计
• 9.2.3 计算结果比较及讨论
• 9.2.4 模拟结果比较及讨论
• 9.3 本章小结
• 第10章 深沟球截面环件冷辗扩工艺设计
• 10.1 引言
• 10.2 轧辊设计
• 10.3 辗扩参数设计
• 10.4 毛坯参数设计
• 10.5 试验
• 10.5.1 试验条件
• 10.5.2 试验过程描述
• 10.6 讨论与分析
• 10.6.1 环件直径增长规律比较
• 10.6.2 环件圆度的比较
• 10.7 本章小结
• 第11章 结论与展望
• 11.1 结论
• 11.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录