特大型零件热态成形制造技术基础研究

在中国国家自然科学基金重点项目《特大件成形制造技术基础研究》、国家科技支撑计划课题《大型轧机共性技术》、国家重点基础研究发展计划(973计划)前期研究专项《大型零件热态成形制造虚拟技术基础研究》,以及中国河北省科技攻关项目《大型轧机共性技术》和《特大件成形制造技术基础研究》共同资助下,以大型锻钢轧辊(辊身直径超过1 000 mm或质量大于100 t)为对象,通过宏观 微观强耦合建模,解决铸造缺陷信息遗传、孔洞锻合条件、形变焊合条件、材料断裂准则构建,以及热 力 微观组织耦合建模等关键技术问题,建立以淬硬层深度数值预测技术为核心的热处理工艺分析与优化系统,提出基于非均质轧辊辊间接触力学模型的轧辊强度设计方法,构建起大型锻钢轧辊热态成形制造与服役评估的多学科耦合决策支持理论体系,提出理论研究报告。针对缩孔和气孔等大型铸钢锭铸造中的孔洞缺陷控制,以大锻件内部孔洞锻造闭合过程为科学问题,以大锻件内部有效锻合区域数值预测为目标,将有限元方法与人工神经网络技术相结合,利用神经网络的非线性映射能力,描述材料变形抗力、温度、应力应变与孔洞闭合程度之间的复杂关系,将孔洞锻合过程有限元模拟结果作为神经网络训练样本,建立起温度、应力和变形等多场耦合作用下的孔洞锻合条件模型(VCCM)。针对孔洞形变焊合机理与物理模拟模型一致性问题,以消除大锻件心部残留微孔隙,实现物理闭合状态下的锻合孔洞缺陷的真正冶金结合为目标,基于临界闭合孔洞界面接触力学原型和原子高温扩散理论,以界面接触应变和高温环境作为孔洞焊合的驱动力,利用高温和大变形对闭合孔洞界面扩散焊合的有利影响,提出适用于大锻件在锻造成形阶段的内部孔洞缺陷形变的形变焊合方法,通过物理模拟实     

大型锻件锻造的关键技术

大型锻件的常规生产工艺存在萌生裂纹源的变形机制。从宏观力学出发剖析了大型轴类锻件、大型饼类锻件、大型板类锻件的常规生产工艺，指出其容易产生废品的力学机理，提出合理匹配料宽比、砧宽比和压下率来控制毛坯变形区横向和径向拉应力的方法，从而彻底锻合毛坯内部的空洞缺陷，改善毛坯内部金属的组织与性能，防止内部产生裂纹，降低废品率。该方法的可靠性得到生产实践的检验，具有广阔的应用前景。     

大型锻件内部空洞缺陷修复条件

介绍大型锻件内部空洞缺陷修复条件在理论研究和生产中的作用及研究现状.针对非线性粘性材料,建立以空洞周围速度场和远场应力、应变速率表示的泛函.对于由体积不可压缩材料构成的含有空洞的无限体而言,锻造过程中空洞周围的真实速度场总是使该泛函取极小值,借助泛函的变分可求得空洞边界速度与远场应力、应变的关系,锻造变形后空洞的形状.为使设计的速度场能表征空洞的变形特点,加快泛函极小化的收敛速度,采用叠加速度场.研究大型锻件镦粗工序中锻坯内部球形空洞的闭合情况.结果表明,随着空洞体积的减小,远场应力、应变迅速增大,仅靠远场应力的增大使空洞闭合是非常困难的,因此大锻件技术要求中应允许有未闭合的微小空洞存在.在理论分析的基础上进行试验研究,结果表明理论计算结果与实测结果相差不大.     

镦拔工艺对支承辊心部压实效果模拟分析

以83 T锭型钢锭生产的支承辊锻造压实过程为模拟对象,将生产现场几种镦粗及拔长辅具组合,在同一工艺参数下,进行多组压实工艺数值模拟,分析锻件心部等效应变与Q值参数。结果表明：在悬漏式镦粗漏盘与1500KD拔长辅具组合下,锻件心部等效应变状态最好、Q值最大,压实效果更好,有助于锻合锻件心部缺陷。     

大型锻件内部空洞缺陷修复条件研究

文章采用解析和数值模拟的方法,对大型锻件内部空洞缺陷的修复条件进行了分析研究,针对疏松缺陷在力学和变形上的特点,建立了大型锻件内部空洞缺陷的修复条件。     

平砧拔长长方体钛合金锻件的数值模拟研究

在钛合金长方体锻件的锻造中,平砧拔长长方体锻件是非常重要的一个工序,也是整个锻造工艺过程中变形量最大的一个工序。利用Dform软件,研究钛合金长方体锻件的拔长过程,不同的砧宽及平砧压下量对锻件内部应变大小分布、质量及其内部孔洞锻合效果的影响。     

大型轴类件锻造工艺

大型轴类锻件,一般都是由钢锭直接锻造而成。锻件的质量越大,钢锭的吨位也越大。钢锭在浇铸过程中,中心区的菲金属夹杂物、偏析、缩孔和密集性疏松等缺陷严重。为了获得满足要求的锻件质量,必须通过锻造的方法来消除钢锭内部的缺陷。     

大型锻件内部空洞缺陷修复的力学条件

介绍了大型锻件内部缺陷修复条件研究的现状,针对钢锭内部空洞缺陷的尺寸远远小于本身尺寸的特点,依据圣维南原理,将各种空洞缺陷的形状假设为数学上可处理的椭球形。由于大型锻件的锻造是在高温下进行的,材料具有粘性流动的特征。在上述分析假设的基础上,对于线性粘性材料模型,利用损伤力学中远场应力与物体内部微观损伤的力学关系,得到了锻造过程中外载荷与内部空洞体积变化的解析式,进而得到了空洞缺陷闭合的修复条件。条件表明应力状态影响空洞的闭合方式,三向压应力是修复空洞缺陷的最佳应力状态。该条件可直接根据锻造水压机的在线载荷与压下量计算锻件内部空洞缺陷的修复情况。不同边界应力状态下的试验表明,计算结果与试验结果接近。     

大钢锭内部空洞锻合过程的数值模拟

本文采用实验和塑性有限元法模拟相结合的方法研究了大钢锭在锻造过程中内部空洞的锻合机制。结果表明,空洞的闭合度λ和空洞周围的最大压应变ε 1成线性关系。工具与坯料间的磨擦影响坯料内部的应力应变分布,但不改变λ和ε 1的线性关系。当用上下平砧拔长大钢锭时,使ε 1峰值到达坯料中心的最小砧宽比为0.51,最佳砧宽比为0.7。对于FM法拔长,最小砧宽比为0.4,最佳砧宽比为0.6。     

大型钢锭内部空洞性缺陷锻合过程的实验研究

本文采用均匀压缩热钢模拟实验,研究了内部空洞在锻合过程中受应力应变的影响,提出空洞沿最大压应变方向闭合,并经由变形→压合→扩散焊合三个阶段得以消除的机制。对坯料内部三维变形条件下对称面上应变分布的实验测量与计算结果,发现在平砧拔长条件下,应变峰值随砧宽比变化而移动的规律,以及在连续锻造过程中,两砧交界处的坯料中心存在小变形区的现象。     

大型锻件锻造拔长新工艺

在分析现有镦粗、拔长变形工序中难变形区对大型锻件锻造过程变形分布和应力状态影响的基础上,提出一种新的拔长工艺——凹面砧拔长。借助数值模拟方法和物理模拟方法比较了普通平砧与凹面平砧、普通V砧与凹面V砧拔长过程中大型锻件内部的等效应变、静水应力和空洞缺陷的闭合情况。结果表明,对应力状态而言,在变形量相同的情况下,对于凹面平砧锻造(CFAF)工艺,静水应力提高近30%,对于凹面V砧锻造（CVAF）工艺,静水应力提高近50%。对变形而言,静水应力相同情况下,CFAF工艺减少压下量33.5%;CVAF减少压下量26.5%。对空洞缺陷而言,凹面砧拔长空洞变形后的椭圆度较普通拔长小10%以上。与其他特殊拔长方法比较,凹面砧拔长有操作方便,附具简单的优点。     

触底式镦粗工艺研究

利用Deform-3D对触底式镦粗和悬漏式镦粗两种工艺方案进行数值模拟,对比分析镦粗变形过程中应力、应变在轴向和径向上的分布情况,以及坯料心部的静水压力的分布规律。通过在坯料轴线方向设置追踪点分析坯料心部金属的流动及压实效果。分析结果表明:触底式镦粗时坯料内部的等效应变、静水压力状态更好,分布更均匀,压实效果更显著,更有助于锻合坯料心部的空洞缺陷,改善坯料内部质量。     

锻合钢锭内部缺陷的最小锻比研究

本文从大型锻造发展趋势和质量控制、节约能源的要求出发,提出了用最小锻比或有效锻比作为制定大锻件工艺的综合性准则。用模拟试验方法确定了FM锻造法的最小锻比,并介绍了大型支承辊的锻造实例,将100t重大钢锭仅以2.25的小锻比成功地锻造出合格大锻件,节约了大量能源。     

大锻件控性锻造过程的计算机模拟技术

提出能够模拟大锻件空洞型缺陷演化和微观组织演变等控性指标的数值模拟方法。基于典型体元模型建立空洞体积变化与宏观应力应变场关系的数学模型,以图从多尺度角度揭示宏观的塑性变形及其应力状态对随机分布的微小空洞的体积变化影响规律。将该模型与有限元法集成,当锻件内任意一点有空洞型缺陷(给定缺陷体积百分比)时,能够模拟得到成形过程中空洞型缺陷的体积变化,从而可被用来评估含缩孔缩松缺陷材料的压实状态。采用元胞自动机方法建立一种转子钢的微观组织演变模拟方法,根据"应变—位错密度—动态再结晶—流动应力"之间的宏微观相互影响规律,模拟出动态再结晶晶粒尺寸和完成分数。将这些模型与热力耦合有限元法相结合,构造大锻件控性锻造过程的数值模拟技术。根据大锻件增量成形的变形特点开发基于刚性区自由度凝聚技术的快速有限元法,从而为大锻件成形的工艺优化提供有效的计算工具。     

卡爪锻造新方法

我厂原来锻制卡爪毛坯为单件生产,并经常出现锻造缺陷,不能保证锻件质量。后来改为一次锻两件,保证了锻件质量,提高了生产效率。卡爪尺寸见图。锻造工艺为:用一吨钢锭切掉两头,锻成正方体后冲圆     

大型锻件内部缺陷演变行为的跨尺度模拟方法

针对大型锻件内部缺陷,提出了一种跨尺度模拟计算方法,即体胞模型法。以孔洞缺陷为例,论述了该方法的原理及应用思路。利用该方法对某锻件的孔洞缺陷演变行为进行了模拟计算,分析了孔洞缺陷的演变规律及其周围应变分布情况,并进行了人工预制孔洞的铅块变形实验。研究结果表明,孔洞随锻件变形程度增加而逐渐趋向闭合,其闭合程度与锻件应变分布情况有关;物理实验与数值模拟结果吻合度较高,体胞模型法的模拟计算较为准确;体胞模型法能够较好地解决大型锻件成形过程中内部缺陷的跨尺度数值模拟问题。     

关于轴类锻件拔长过程中组织均匀性控制的研究

汽轮机低压转子的终锻成型通常使用上平下V砧进行拔长,锻件变形很不均匀且晶粒分布均匀性较差,为后续热处理增加了难度。通过拔长缩比试验结合DEFORM-3D数值模拟,以30Cr2Ni4MoV低压转子钢为研究对象,将控制轴类锻件组织不均匀性作为目标,对不同拔长工艺进行对比,探究变形量和变形温度对锻件微观组织均匀性的影响。数值模拟与物理模拟结果表明,变形量和温度对锻件内部晶粒度影响较大,通过增加变形量,提高锻造温度,能够较为有效地控制锻件组织均匀性;当锻造温度为1 250℃,锻比为1.2~1.3时,锻件组织均匀性最佳。研究结果可为汽轮机转子终锻成形工艺的制定提供参考。     

大型锻件锻造新中心压实法及工艺参数研究

针对现有大锻件中心压实(Japan-Tefeno-Shikano,JTS)法工艺操作复杂且对设备吨位要求过大的缺点,提出一种新的大锻件中心压实方法——NJTS(New-Japan-Tefeno-Shikano)法,设计可用于生产的工装,在锻坯上、下、左、右四个方向同时施压。利用数值模拟与物理模拟方法,以在心部预置空洞的坯料为研究对象,对新中心压实法锻造工艺进行研究。结果表明,新中心压实法能在整个横截面上形成大的静水压力,在心部有最大的变形。对相对压下量、砧宽比和侧压角等主要工艺参数进行优选,在砧宽比为1、侧压角为10°时,NJTS法的锻造效果最好,空洞的体积变化率、周围的等效应变和应力三轴度最佳;单向压实时相对压下量为18%～20%,双向压实时相对压下量为8%～9%,都可锻合内部空洞。试验表明:物理模拟与数值模拟结果基本一致。     

钢锭内部缺陷的锻合及其实验方法

现代重工业中使用的大型锻件,其制品的重量和尺寸都在不断增加,质量要求越来越严格。由于冶金方面物理化学的规律性,钢锭中存在有非金属夹杂、气体、偏析及空洞和疏松等多种缺陷。虽然由于冶金技术的完善,钢锭的纯净度有了显著提高,但是空     

大型曲臂锻件模锻成形工艺模拟研究

针对大型曲臂锻件的结构特点和性能要求,提出采用了预锻-终锻两步成形方法模锻成形大型曲臂锻件。采用DEFORM-3D有限元软件对此工艺方法的成形过程进行模拟,并对应力、应变、温度场的分布特点和时间-载荷曲线进行分析。结果表明,采用此方法能够在8万吨水压机上饱满成形大型曲臂锻件,得到金属流动合理、锻造流线完整的锻件。