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高性能大锻件控形控性规律与操作机—压机联动轨迹的研究

陈明松

  大锻件是冶金、造船、石油化工、电力、核能、航空航天和国防军工等领域的大型成套设备的关键零部件,苛刻的服役条件决定了其高质量要求。大锻件的成形制造一般以大型铸锭为原材料,由于大型铸锭通常存在严重的晶粒粗大、夹杂、偏析、疏松和空洞等冶金缺陷,因此锻造的主要目的是成形和成性,即在保证成形精度的同时,打碎枝晶、细化晶粒、消除偏析、压实疏松和焊合空洞,尽可能消除大型铸锭的冶金缺陷。本文针对我国大锻件锻造技术水平较低和生产能力不足的现状,以实现高性能大锻件的自动化锻造为目的,研究了大锻件的控形控性规律,提出了锻造操作机与压机联动轨迹的规划方法。主要包括以下内容。 采用热模拟实验,研究了典型大锻件用材料42CrMo钢的高温流变行为,建立了应变-应变速率补偿的Arrhenius型高温流变本构方程,可精确预测其高温流变应力,其预测值和实验值的最大相对误差及其标准偏差分别仅为-4.36%和2.36%。 采用热模拟实验与金相观察,研究了典型大锻件用材料42CrMo钢的动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶与晶粒长大行为。基于实验结果,建立了三种再结晶的动力学模型与晶粒尺寸模型。结果表明:(1)减小初始奥氏体晶粒尺寸,动态与静态再结晶速率增快、晶粒变细。亚动态再结晶晶粒则在初始奥氏体晶粒尺寸较小时也变细,而在初始奥氏体晶粒较大时变化不明显;(2)升高变形温度,动态、静态与亚动态再结晶速率均增快、晶粒均粗化;(3)增大应变速率,动态、静态与亚动态再结晶晶粒均细化;(4)增大变形量,动态再结晶分数增大、静态再结晶速率增快且晶粒尺寸变小;(5)奥氏体晶粒长大速率受保温温度影响较大,受保温时间影响较小;(6)三种再结晶模型的预测结果均与实验结果吻合较好。 采用细观损伤力学的研究方法,建立了研究理想刚粘塑性大锻件内部椭圆柱形(圆柱形)空洞演变的代表性体元模型;基于变分原理,导出了体元基体材料速度场的泛函;采用瑞利-里兹法对泛函变分问题进行求解,获得了不同远场应力条件下的空洞演变规律。结果表明:(1)在远场纯剪应力作用下,空洞的形状系数变化率与其形状系数、材料Norton指数分别满足抛物线函数、一次指数函数关系;(2)在远场单向压应力作用下,空洞的形状系数变化率与其形状系数、材料Norton指数分别满足线性函数、一次指数函数关系;(3)在远场双向压应力作用下,空洞的形状系数变化率与其形状系数满足抛物线函数关系、且抛物线的顶点、张口与应力三轴度、材料Norton指数有关;(4)在远场单向压应力作用下,空洞的取向变化率与空洞形状、取向及材料Norton指数有关。 采用热力耦合的三维有限元模型,研究了大锻件内部椭球形(球形)空洞的演变机理;为了综合考虑应力、应变对空洞形状演变的影响,提出了一个新的特征参量——空洞形状估计参数,并建立了空洞形状估计参数与形状系数的关联模型;获得了平砧拔长工艺参数对大锻件内部空洞形状演变的影响规律,并通过实验验证了本文有限元模型的正确性。 集成了本文获得的大锻件控形控性规律,提出了锻造操作机与压机联动轨迹的规划方法,开发了操作机与压机联动轨迹的规划系统,并制定了操作机与压机联动轨迹的合理性评价准则,为操作装备的功能设计和控制提供理论依据。结合300MW发电机转子锻件的平砧拔长工艺,给出了操作机-压机联动轨迹规划系统的工程应用实例。……   
[关键词]:大锻件;流变应力;再结晶;空洞演变;联动轨迹
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2012年