楔横轧三维变形的数值模拟研究及内部缺陷预防

论文摘要

阶梯轴类锻件在工业生产中有着广泛的应用。随着制造业的快速发展,楔横轧成形技术越来越受到重视,其应用领域也在不断扩展。本文的研究工作针对楔横轧工艺应用中的关键问题,应用大型商品化软件对楔横轧三维变形过程进行数值模拟研究,对轧件内部缺陷产生的机理及预防进行深入探讨。采用DEFORM-3D有限元模拟软件,对楔横轧变形过程进行了三维数值模拟,分析了成形过程中轧件内部材料与流动规律有关的速度场和位移场,各阶段应力场、应变场的分布状况,模具载荷的变化情况以及轧件变形区的接触特点,并用光塑性物理实验结果进行了验证,确定了数值模拟方法研究楔横轧的有效性。研究了变形温度、变形速度和应力状态对楔横轧成形过程中轧件内部塑性的影响。得到了轧件心部材料的受力状态为两向拉应力,一向压应力;轧件心部材料的应变状态为两向拉伸变形,一向压缩变形。指出在楔横轧成形过程中,变形温度和变形速率的变化不大,对轧件心部的塑性影响较小,轧件心部的受力和变形状态降低了轧件的塑性成形能力,是导致轧件心部破坏的内在原因。分析了现有的韧性破坏准则,结合楔横轧变形特点、受力状态及内部缺陷产生的主导因素,选定了一种能够较好适用于分析楔横轧内部韧性损伤的破坏准则。应用这一准则得到了轧件内部损伤分布及其变化特点,研究了变形参数和变形量分配对轧件内部损伤的影响,确定了预防轧件内部疏松缺陷的工艺设计及变形量分配原则,应用于实际生产中的工艺模具设计,收到了较好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 楔横轧塑性成形技术和方法综述
• 1.3 楔横轧技术的发展和研究现状
• 1.3.1 楔横轧技术的应用和发展
• 1.3.2 楔横轧技术的研究现状
• 1.4 有限元技术及在回转成形中的应用
• 1.4.1 有限元技术概述
• 1.4.2 数值模拟技术在回转成形中的应用
• 1.5 金属塑性加工中材料韧性损伤的研究现状
• 1.6 课题的提出和主要研究内容
• 1.6.1 课题的提出
• 1.6.2 主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第二章 楔横轧成形过程的三维有限元模拟
• 2.1 引言
• 2.2 有限元基本理论
• 2.3 楔横轧成形过程三维有限元模拟模型
• 2.3.1 材料模型的建立
• 2.3.2 摩擦模型的建立
• 2.3.3 数值模拟系统模型的建立
• 2.3.4 模型方案
• 2.4 数值模拟结果与分析
• 2.4.1 楔横轧变形过程的三维动态模拟
• 2.4.2 楔横轧变形过程中流动规律模拟结果
• 2.4.3 轧件应力应变场数值模拟结果
• 2.4.4 轧件与模具表面接触面
• 2.4.5 模具受力分析
• 2.4.6 光塑性物理模拟试验验证
• 2.5 辊式楔横轧和板式楔横轧的对比分析
• 2.5.1 两种轧制方式的运动特点分析
• 2.5.2 模拟方案和系统模型的建立
• 2.5.3 模拟结果与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 楔横轧内部空心缺陷产生机理的模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 楔横轧变形过程中内部空心缺陷
• 3.2.1 金属塑性成形中的缺陷和断裂
• 3.2.2 楔横轧变形过程中的内部空心缺陷
• 3.2.3 横轧实心圆坯内部孔腔形成的机理
• 3.3 楔横轧内部塑性变形和受力状态的数值模拟及结果分析
• 3.3.1 楔横轧轧件内部应力场模拟结果及分析
• 3.3.2 楔横轧轧件内部应变场模拟结果及分析
• 3.3.3 楔横轧轧件内部应变速率模拟结果及分析
• 3.4 轧件内部温度场的数值模拟及结果分析
• 3.4.1 模拟模型和基本参数
• 3.4.2 轧件内部温度场的模拟结果及分析
• 3.5 轧件内部空心缺陷形成机理
• 3.5.1 轧件内部应力应变状态
• 3.5.2 变形量对轧件内部应力应变状态及分布的影响
• 3.5.3 楔横轧内部疏松缺陷的产生
• 3.6 本章小结
• 第四章 楔横轧变形过程中韧性损伤准则的确立
• 4.1 引言
• 4.2 金属塑性加工中的韧性损伤断裂
• 4.2.1 金属材料的损伤断裂
• 4.2.2 金属塑性加工中常见的韧性损伤断裂
• 4.3 塑性成形过程中材料韧性损伤和断裂准则
• 4.4 楔横轧内部韧性破坏的断裂准则的选择
• 4.5 本章小结
• 第五章 楔横轧变形过程中内部缺陷预防和控制
• 5.1 引言
• 5.2 各工艺参数对楔横轧内部损伤的影响
• 5.2.1 楔横轧内部损伤模拟方案
• 5.2.2 展宽角β对轧件内部损伤的影响
• 5.2.3 成形角α对轧件内部损伤的影响
• 5.2.4 断面缩减率η对轧件内部损伤的影响
• 5.3 楔横轧二次变形轧件内部损伤及变形量分配
• 5.3.1 一次成形和两次成形对轧件内部损伤的影响
• 5.3.2 两次轧制时变形量分配原则及内部缺陷预防
• 5.4 轧件内部缺陷预防和控制方法在工程中的应用
• 5.4.1 零件最初工艺设计方案
• 5.4.2 方案改进前的内部缺陷检测
• 5.4.3 零件工艺设计方案的改进及效果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表论文及成果