（材料加工工程专业论文）核电饼类锻件的有限元分析与试验研究.pdf

中文摘要 中文摘要 通常，自由锻较少产生缺陷，但对于核电大型锻件的自由锻，产生缺陷的机率要高很 多，因此有必要对这类自由锻进行c a e 仿真以预见这类缺陷，从而避免大的经济损失。 本文基于中国二重核电水室封头项目，为使封头在后续的拉深和冲孔后，不使超声 波探伤超标和减少裂纹，获得较高的质量，就必须对封头在制坯阶段加以研究，且大型 饼类锻件以镦粗变形为主锻制而成，水压机生产的大型饼类锻件废品率较高，存在的主 要问题是超声波探伤时锻件内部中心区域出现大面积密集性缺陷。 核电大型饼类锻件中心区域的缺陷是由材料特性和所处的力学条件共同作用所致， 从力学角度，基于刚塑性有限元软件平台d e f o r m ，以二重提供的模型为研究对象，采用 数值模拟和理论分析的方法，首先对平板镦粗圆柱体进行了数值模拟和有限元分析，其 次对锥形板镦粗圆柱体进行了数值模拟和有限元分析，最后对中国二重在水室封头项目 中1 ：3 凸台的压制方案进行了数值模拟与有限元分析。 在用平板镦粗不同高径比的圆柱体中，分析了在非均匀温度场下，变形体难变形区 及中心区域随压下量的应力、应变的变化，研究了难变形区尺寸与压下量的关系，及不 同高径比下变形体中心区域所处的应力与瞬时高径比的关系及中心区域激烈剪切带形 成的机理。得出在核电饼类锻件的现场制造过程中，应该优先选取h 0 d o 1 0 的毛坯进 行镦粗。 在用锥形板镦粗不同高径比的圆柱体，分析了锥形板镦粗圆柱体过程中，应力、应 变、温度场的变化，从而得出在用锥形板镦粗圆柱体时，当瞬时高径比小于1 时( 此时 毛坯端面与砧子己完全接触) ，中心点径向应力由拉应力转变为压应力，从而使坯料处 于三向压应力状态，且内部变形较平板镦粗时均匀。 在对中国二重水室封头项目中1 ：3 凸台的压制模拟中，分析了1 ：3 封头试验板坯 成形工艺的可行性及工艺参数，模拟了板坯变形的整个过程，得到了坯料中分布的力能 参数，比较了三种成型带凸台饼类锻件的板坯成形工艺方案，得出了最佳的工艺方案。 并用于l ：3 现场试制，完成了二重核电水室封头带支撑凸台的锻件模拟实验。 该模拟计算为核电饼类锻件自由锻工艺参数的确定与优化，提高产品质量提供了有 益的参考依据。 关键词：核电：镦粗：应力：应变；温度场；饼类锻件 a b s t r a c t a b s t r a c t g e n e r a l l y , t h ef r e ef o r g i n gh a sl i t t l ef l a w , b u ti nt e r m so fh e a v yf o r g i n g ，t h e c h a n c eo fa p p e a r i n gf l a wi sm u c hh i g h e r , t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt op r e d i c ts u c h f l a w si nf r e e f o r g i n gp r o c e s sb yu s i n gc a es i m u l a t i o n ，t h u st oa v o i dh u g e e c o n o m i cl o s s e s b a s e do nv e s s e lh e a dp r o j e c to fc h i n ae r z h o n g ，t h i sp a p e rh a sf o c u s e d a t t e n t i o nt or e s e a r c ht h eb l a n k f o r m i n gp r o c e s si no r d e rt od e c r e a s ec r a c k si n v e s s e lh e a dd u r i n gt h ef o l l o w i n gp r o c e s so fd r a w i n ga n dp u n c h i n gs oa s t o o b t a i nar e l a t i v e l yh i g hq u a l i t y m e a n w h i l e ，b e c a u s et h eu p s e t t i n gd e f o r m a t i o n i s t h em a i nf o r m i n gm o d ef o rh e a v yd i s kf o r g i n g s ，t h er e je c tr a t e i sh i g ha n da l a r g e a r e ao fd e n s ed e f e c t si nf o r g i n g s c e n t r a la r e ai s t h em a i nq u a l i t yi s s u e w h e np r o c e s s i n gu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n b o t hm a t e “a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i c a lc o n d i t i o n sr e s u l ti nt h ef l a w a p p e a r i n gi nc e n t r a la r e ao fh e a v yd i s kf o r g i n g su s e d f o rn u c l e a rp o w e rs t a t i o n b a s e do nr i g i d p l a s t i cm o d e li nf e ms o f t w a r ed e f o r m ，t h i sp a p e r , t a k i n gt h e m o d e lp r o v i d e db yc h i n ae r z h o n ga ss t u d yo b je c t ，h a sc o m b i n e dm e t h o d so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r ya n a l y s i s ，f i r s t l yc a r r i e so n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dm ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h ec y l i n d e ru p s e t t i n gb e t w e e np l a t e n s ；t h e n s e c o n d l ym a k e ss i m u l a t i o n t ot h eu p s e t t i n gb e t w e e nc o n ep l a t e n s ；f i n a l l y , a n a l v z e st h er a t i o n a l i t yo fd e s i g ns c h e m ef o r v e s s e lh e a dp r o je c to fc h i n a e r z h o n g s i m u l a t i o no nd i f f e r e n tr a t i o so fh e i g h ta n dd i a m e t e ro fc y l i n d e rm o d e l s d u r i n gu p s e t t i n gp r o c e s sb e t w e e np l a t e n s ，w ea n a l y z ec h a n g e s o fs t r e s sa n d s t r a i ni nh a r d d e f o r m a t i o nz o n ea n dc e n t r a l a r e ai nf o r g i n g su n d e r v a i l o u s r e d u c t i o n si nu n e v e nt e m p e r a t u r ef i e l d w e a l s or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns i z eo fh a r d d e f o r m a t i o nz o n ea n dr e d u c t i o n ，a n d f i n dt h er e l a t i o n s b e t w e e nt h es t r e s si nc e n l ：r a la r e aa n di n s t a n t a n e o u sr a t i o su n d e rd i f f e r e n tr a t i o s o fh e i g h ta n dd i a m e t e ro fd e f o r m a t i o nb o d i e s ， a sw e l la s t h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo fi n t e n s es h e a rb a n d si nc e n t r a la r e a a tl a s t ，w ed r a wa c o n c l u s l o n t h a ti nf o r g i n gp r a c t i c e ，c h o o s i n gb l a n k sw i t hh o d o l 0i sm u c h b e t t e l w h e ns i m u l a t i o nd i f f e r e n tr a t i o so fh e i g h ta n dd i a m e t e rd u r i n gu p s e t t i n g 核电饼类锻件的有限元分析与试验研究 p r o c e s sb e t w e e nc o n ep l a t e n s ，w e a n a l y z et h ec h a n g e so fs t r e s s ，s t r a i na n d t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e nw ef i n dw h e nh 0 d 0 1 0 0 m p a ) 和均匀一致的组织： 转子要求综合的高强度和高韧性，对孔洞、夹杂的尺寸及分布要求极其严格：火箭燃 烧室筒体强度高达1 5 0 0 m p a 等昭3 1 。 大型锻件的生产有以下三个主要特点h 1 ： ( 1 ) 要求严格大型锻件是机器中的关键件，工作条件特殊，受力情况复杂：要 求质量可靠、性能优良，确保安全运行。随着工业机器向高性能、高参数、大型化 方面发展，对锻件的技术条件和质量水平要求日益提高。 ( 2 ) 工艺过程复杂大锻件的生产过程是一项系统工程，包括：冶炼、铸锭、加 热锻造、粗加工、热处理等。工艺环节多，周期长，生产技术复杂。 ( 3 ) 生产费用高大锻件的原料、能源、劳动力及工具消耗大，生产周期长， 占用大型设备多，因而生产成本高。 所以，提高大型锻件质量，保证其在运行过程中的安全性和可靠性，提高材料 利用率，减少废品率，降低消耗，在技术上和经济上都有十分重要的意义。 大型锻件是由钢锭直接开坯锻造而成。由于大型钢锭中的各种缺陷很多以及组 核电饼类锻件的有限元分析与试验研究 织不均匀非常严重，与其高质量要求之间形成了尖锐的矛盾，为了达到严格的技术 要求，后续的制造工序非常复杂，生产周期较长。其中多数工序都是围绕消除或减 小钢锭缺陷制定，这也是大型锻件制造的特色和重点。大型锻件的质量虽然是炼钢、 锻造和热处理等专业综合技术水平的标志，但锻造环节起着重要作用。为了获得优 质锻件，必须通过锻造工艺来消除这些缺陷。要想达到此目的，所采用的锻造工艺 应能保证锻件内部，尤其是缺陷区域不出现拉伸应力及过分强烈的剪切应力，否则， 不但不能消除这些缺陷，而且还有可能使之加剧。 1 2 大型锻件的锻造工艺 大型锻件的通常的生产流程：冶炼一铸锭一锻造一粗加工一热处理一精加工。 对大锻件而言，锻造的主要任务有两个嘲。 一是成形钢锭经济地锻制成接近零件的形状。 二是改善一锻件内部质量，破碎铸态组织，细化晶粒，均匀组织，锻合缩孔、 气孔和缩松等缺陷。 大型锻件通常是单件小批量，一般都在液压机上锻造，多采用自由锻造的工艺。 自由锻造是利用冲击力或压力使金属材料在上下两个砧铁或锤头与砧铁之间产 生变形，从而获得所需形状、尺寸和力学性能的锻件的成形过程。 自由锻成形过程的流程如下： 零件图一绘制锻件图一计算坯料质量和尺寸、下料，确定工序、加热温度、设 备等一加热坯料、锻打一检验锻件。 自由锻造的主要工艺有：镦粗、拔长、冲孔、马杠扩孔、芯棒拔长，其中镦粗工 序是消除钢锭缺陷的主要工序之一，其工艺的合理性直接关系到最终产品的质量。 1 2 1 镦粗工序的概述 镦粗是自由锻的基本工序之一，也是绝大多数大型锻件必不可少的一步工序。 镦粗可破坏铸态树枝状组织，细化锻件内部组织晶粒，增大材料强度，提高锻件的 韧性和抵抗破坏的能力，细化锻件内部组织晶粒，增大材料强度，提高锻件的韧性 和抵抗破坏的能力，是合理锻造圆盘类，齿轮类，饼类锻件的必须工序。空心类锻 件在冲孔前必须进行镦粗，以增大坯料横截面积和平整坯料端面。在自由锻造工艺 中起着至关重要的作用。 2 第一章绪论 镦粗主要用于：由横截面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小的锻件：冲 孔前增大毛坯横断面积和平整毛坯端面：提高下一步拔长时的锻造比：提高锻件的力 学性能和减少力学性能的异向性：反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳 化物，并使其均匀分布。水压机上的镦粗，通常可在下镦粗盘、上球面镦粗板进行 带钳把镦粗：在上下平板间镦粗及在漏盘上进行局部镦粗。镦粗工序中容易产生的缺 陷有侧表面裂纹、砧下存在“难变形区”和高坯料弯曲失稳m 3 。 1 2 2 镦粗工序的特点 在大型锻件锻造过程中，镦粗是锻造工艺中不可缺少的一步基本工序，被广泛 应用于锻压行业的各个领域中，其中圆柱形锻件镦粗是最为常见的。 镦粗时圆柱体内部的变形相当复杂。但为了便于分析研究，常将圆柱体在中间 剖面分为三个变形区来考虑。当然可以看到，变形区的边界其实并不是很确切的。 如图1 - 1 所示。 对于圆柱体毛坯( 0 8 h 0 d 。 o 2 5 h 式中h _ 锤头的最大行程 k 一毛坯的原始高度 ( 6 ) 镦粗高合金低塑性材料时，为使变形均匀，防止裂纹产生，必需采取措施改 善变形时的外部条件( 提高工具工作面的光洁度，预热工具和应用润滑剂等) 和采用 合适的变形方法n 引。 4 第一章绪论 1 2 3 镦粗的缺陷 通常来说，坯料在镦粗过程中的缺陷有三种：一种是在难变形区，晶粒粗大，无 法细化晶粒。一种是在心部，由于变形不均匀，心部产生拉应力，促使心部出现裂 纹。最后种是在圆柱的侧表面，由于砧板与圆柱端面的摩擦，产生较大的鼓形， 并由此在侧表面产生周向附加拉应力。当附加拉应力过大时，在坯料侧表面出现裂 纹，最终导致锻件破坏。在金属材料中，一般都存在各种各样的缺陷，如疏松、缩 孔残余、偏析、第二相和夹杂物质点、杂质等，这些缺陷，特别是夹杂物或杂质质 点一般都处于晶界处。带有这些缺陷的材料，在塑性成形中，当施加外载荷达到一 定程度时，在应力应变场中，有夹杂物或第二相质点等缺陷的晶界处，由于位错塞 积或缺陷本身的分裂而形成微观空洞。所以说空洞是大锻件成形中普遍存在的组织 变化。 镦粗低塑性的坯料时，在坯料侧表面常易产生裂纹。镦粗锭料时上下端部还常 易残留铸态组织。这些问题都是由于镦粗过程中的变形不均匀引起的。 1 3 镦粗工序的研究概况 镦粗是指用压力使坯料高度减小而直径( 或横向尺寸) 增大的工序。在坯料上 某一部分进行的镦粗称局部镦粗。 按变形图，镦粗是在作用力方向受压缩变形为负，而在其他两个方向变形 为正的变形。在某些情况下，后二者可能彼此相等( 简单压缩) 或其中一个为零( 平面 变形) 。 在理想情况下，即摩擦力为零时，平板间镦粗毛坯其应力简图为简单压缩。在 其余情况下，内部应力状态显得很复杂，很多问题不能进行求解，甚至不能进行定 性分析。因此，虽然塑性力学经过了很长的发展，但在实际生产中往往只是凭经验， 缺乏正确的理论指导，而且有些问题的阐述，不能正确描述其内在规律。例如：对 普通平板间的圆柱体镦粗，认为，不管毛坯高径比h d ( 瞬时状态) 的大小，在变形 体中心都产生三向压缩应力状态n 2 1 钉。这样，不管工艺参数怎样，镦粗总是有利于消 除中心区域的缺陷。 上述观点实质上忽略了变形体的尺寸特点，有很大的片面性，不能真实反应事物 本身的客观本质，也不能正确指导生产实践。 1 9 9 2 年以来，燕山大学刘助柏等在理论研究与实验的基础上，从塑性力学的基 核电饼类锻件的有限元分析与试验研究 本理论出发，把镦粗的变形区分为主动塑性变形区和被动塑性变形区。提出了普通平 板间镦粗圆柱体的两个新理论一刚塑性力学模型的拉应力理论和静水应力力学摸型 的切应力理论n 们。同时进行了定性物理模拟实验n7 埔1 ，并利用广义滑移线法n 训、力学 分块法，来求解变形体内部的应力状态，证明了该理论的正确性。并据此理论提 出了圆柱体镦粗的新工艺锥形板镦粗新工艺乜u ，发展到镦粗方柱体的刚塑性力学 模型口2 1 。该理论揭示了普通平板间镦粗圆柱体时其内部应力的定性分布，能很好地 回答上述及目前在该方面不清楚的问题，纠正了某些错误的论点与阐述。应当说， 这对工程应用塑性力学是一个发展。 关于这方面的定量模拟研究，虽然一些学者做了一定的工作，如清华大学的马 庆贤、曹起骧等探索了以高温云纹法为代表的物理和数值模拟技术，并用此研究了大 型饼类锻件的变形规律、内部缺陷的损伤和修复机制、晶粒组织控制过程，提出了 控制锻造理论的雏形1 。北京科技大学的韩静涛等研究开发了耦合热及细观损伤分 析的刚粘塑性有限元分析软件r v t d a ，并将其用于饼类锻件在镦粗成形中的应力、应 变、温度和损伤场的分析髓钔。燕山大学的刘助柏、张庆、邓冬梅等利用弹塑性有限 元软件a n s y s 作了普通平板镦粗圆柱体、方柱体和锥形板镦粗新工艺的数值模拟，分 析了圆柱体高径比对应力、应变的影响，并比较了锥形板镦粗工艺与普通平板镦粗 圆柱体的模拟结果口5 训。但是随着企业在激烈的市场中竞争程度的加剧，不但要求生 产周期缩短，降低成本，而且要求能够让已有的理论更好的与实际制造相结合，最 终制造出质量合格的产品。为此，有必要做进一步的工作，使诸新理论、新方法进 一步精确化和完善化。 1 4 选题的目的和意义 中国政府对核电发展的政策从“适度发展 调整到了“积极推进”，政府正式发 布了雄心勃勃的核电目标：2 0 2 0 年我国核电供应量要占总电量的6 ( 4 0 0 0 万k l 】i ) 。在我 国历史上，这是第一次将核电正式纳入国家能源发展规划，表明中国急需优化能源供 应结构，以尽可能减少对煤炭的依赖。这意味着需新建3 0 座以上的核电站，每年需要3 台百万级核电新机组投入运行。人们可以期待，这一核电发展势头将会持续保持下 去。如果中国2 0 3 5 年能使核电占全国总电量的1 6 ，那么核电装机容量将会达n 2 0 0 c w 的规模( 2 0 2 0 年至i j 2 0 3 5 年，平均每年增2 n i o 套百万级机组) 。届时，中国将成为世界上 核电装机容量最大的国家。至j j 2 0 2 0 年，中国有4 0 0 0 亿人民币的核电市场，中国核电市 6 第一章绪论 场将吸引全球目光。其中至少有5 0 是设备投资，若按7 0 的设备国产化率，有1 0 0 0 多 亿元的市场“蛋糕等待国内众厂家的分享。 全世界拥有核电站的国家只有3 0 个，而美国、法国和日本三国的核电站数量就接 近全世界核电站总数的二分之一。这一方面是由于核电站建设需要巨额的资金投入： 另一方面也说明核电技术是掌握在少数人手里的高新技术。 核承压设备主要有核岛设备，核二、三级级泵，核二、三级压力容器，核级阀门、 管件。其中关键的核岛设备，包括核电站反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主 管道、主泵、堆内构件、控制棒驱动机构。以百万k w 的核电站为例，阀门需求量约为 1 5 0 0 0 台，为同类火电的2 - 3 倍，一座有两套百万k w 级核电机组需各类阀门约3 万台。 同时百万k w 级核电站的大锻件需求量也非常巨大。 在我国，目前常规岛国产化程度较高，但核岛内设备和材料国产化程度较低，核 二级、三级的部件可国产但核一级的大型部件多数靠进口，部分在攻关阶段。例如反 应堆压力容器( 低合金钢) 一重、二重在攻关啪1 ，核电国产化率已有了很大的提高，但 是关键设备材料的国产化还有很长的路要走啪瑚3 。 对大型锻件的生产，自由锻是唯一的锻造方法，且大多以镦粗为主。水压机厂 生产锻件用的钢锭，其内部均存在疏松孔隙和不同程度的夹杂( 偏析) 。如何通过锻 造有效地锻合这些孔隙? 什么条件下夹杂处不会出现夹杂性裂纹? 如何改善偏析状 态，破碎金属和非金属夹杂? 如何解决单件小批生产的锻件存在的“肥头大耳”现 象口，造成金属材料和机加工时的极大浪费? 这些问题一直是该领域的难题。实际 加工中对变形机理分析比较困难，目前理论分析的假设过于简化，自由锻过程中塑 性变形的信息较难获得。 计算机硬件的发展，为有限元软件的发展提供了条件。1 9 7 0 年h d h i b b i t 等利 用l a g r a n g e 描述提出大变形弹塑性有限元列式以来，大变形弹塑性有限元不断完善， 解决了一些实际问题，为大型锻件的自由锻有限元模拟提供了可行的手段口羽。通过 模拟可以对金属加工过程中金属流动过程进行分析，从而得到流动规律、应力应变 分布，预测金属成形过程中可能出现的缺陷，及对工艺参数进行优化。 自由锻成形工艺参数的影响因素较多，新品研制通常需依靠经验，反复试验， 才能够确定合理的工艺参数。利用计算机数值模拟方法，将对自由锻成形前的工艺 优化和工件质量预测，具有重要的指导意义。 近年来，虽然许多学者曾尝试用有限元方法分析自由锻的成形过程，对自由锻成 形和应力、应变分布进行了分析和研究，但就针对核电饼类锻件成形过程的数值模 7 核电饼类锻件的有限元分析与试验研究 拟却少见报道。 1 5 课题主要研究内容和方法 1 5 1 研究内容 本课题以核电水室封头制坯技术为目标，采用材料热力学模拟工艺、实验模拟 与计算机模拟相结合的现代集成研究方法，通过在中国二重的1 ：3 现场试验与计算 机模拟结果的比较，研究在制造核电装备中饼类的制坯，变形进给、成形尺寸控制 的问题，完成二重核电水压封头带支撑凸台的饼类板坯模拟试验，研制出合格的产 品。 主要研究内容如下： 1 ) 根据自由锻工作原理图建立符合实际情况的几何模型，在保证模型符合实际 加工情况条件下做到模型的合理简化，建立三维有限元模型。 2 ) 有效而合理的单元划分，以及合理制定出工件、模具之间的接触条件和工件 的运动速度条件和材料参数。 3 ) 通过对工艺过程和模拟结果分析，掌握饼类坯料在各种镦粗变形过程应力场、 应变场、温度场等工艺参数的分布规律：通过控制模具外形、模具压下量、坯料原 始尺寸等使封头板坯变形较为均匀，从而得到模具、坯料的关键工艺参数对缺陷形 态的影响规律。 4 ) 通过多种模拟方案的比较，得到使带凸台的封头板坯形状趋向近净形化、减 少余料、尺寸余量少的优化工艺参数和方法。 5 ) 得出制订合理工艺参数，进行试制。 1 5 2 试验方法 1 ) 热模拟试验；二重1 ：3 的现场试验。 2 ) 以d e f o r m 一2 d 、d e f o r m - 3 d 软件为平台进行数值模拟试验。 3 ) 对以上两种方法的结果及过程比较、分析，得出结论。 1 6 论文的组织结构 全文共分五章，章节安排和主要内容如下： 第一章绪论 本章主要介绍了自由锻工艺的研究概况，选题的目的、意义，及本文研究的方 第一章绪论 法和主要内容。 第二章平板镦粗的有限元分析 本章主要分析了平板镦粗圆柱体过程中，应力、应变、温度场的变化，从而定 量的得出了一些值，对镦粗工艺的改进有一定的参考价值。 第三章锥形板镦粗的有限元分析 本章主要分析了锥形板镦粗圆柱体过程中，应力、应变、温度场的变化，从而 定量的得出了一些值，进一步完善了镦粗工艺。 第四章水室封头板坯成形的方案优化 本章主要介绍了基于中国二重水室封头项目中的局部镦粗工艺的模拟过程，并 比较了三种成形水室封头板坯的工艺方案，得到了最终的优化方案。 第五章板坯成形的工艺参数优化及试验研究 本章主要介绍了确定方案中工艺参数优化的有限元模拟过程与现场试验的操 作过程，及模拟后锻件的工艺参数与现场试验后测得的锻件尺寸，得到了模拟与实 际的误差值，验证了有限元模拟的正确性。 9 第二章平板镦粗圆柱体的有限元分析 第二章平板镦粗圆柱体的有限元分析 2 1 引言 在核电封头板坯成形中，其锻造工艺流程口3 1 如下： 压钳口倒棱气割水口一镦粗按w h f 法拔长压方倒八方、滚 圆气割下料一平板预镦锥板镦粗平板压平四周平整一压椭圆 压出凸台平整。 从以上流程可以看出，在板坯成形过程中，主要是以镦粗变形为主的。 但是目前水压机生产的大型饼类锻件由于实际压下量大，废品率较高，存在的主要 问题是超声波探伤时锻件内部中心区域出现大面积密集性缺陷。图2 1 为二重提供的饼 类锻件( 0 2 1 1 2 x 3 2 0 ) 的内部缺陷m 1 分布图。从图2 - 1 可以看出，饼类锻件内部缺陷主 要集中在其中心区域。 大型饼类锻件中心区域的缺陷是由材料特性和所处的力学条件共同作用所致，本章 从力学角度，以二重提供的模型为原型，利用d e f o r m - 2 d 软件，对平板镦粗圆柱体毛坯 进行了数值模拟研究。分析了在镦粗过程中，随着压下量的增加，毛坯难变形区的变化； 给出了在变形过程中，不同压下量下毛坯内部的变形过程及应力、应变、温度分布情况。 02 枷鲫d1 蛳 巾挣r n u n 图2 - 1 饼类锻件内部缺陷分布图 f i g 2 1s k e t c ho fi n n e rd e f e c t sd i s t r i b u t i o ni nh e a v yd i s cf o r g i n g s 2 2 建立有限元模型 根据结构和载荷的对称性，可取整个中心对称面的l 2 进行建模，变形最大压下量为 8 0 。建立的有限元模型如图2 2 所示。 拍 狮 鼬 抛 御 m 梆 御 暑一避糟窭警 植电饼娄锻件的盲鞭，c 分析与试验研究 囤2 - 2 有限元模型 f i g2 - 2 f i n l t ee l e m e n t m o d e l 初始温度：工件取1 2 5 0 c ；砧子取3 0 0 c 压机速度：3 0 m m s 摩擦因子：o5 传热系数：2 0 材料模型：工件为a i s i i 0 1 5 t 砧子为m s i h 一】3 m s i1 0 1 5 钢是美国标准的牌号，在中国标准的牌号是1 5 号钢【3 5 ”】，其化学成分( ) 如下所示； c 01 2 01 8s i01 7 03 7m n03 5 o 6 5 c r 02 5n i 0 3 0c u 02 5 从其主合金元素和碳含量来看，它是优质碳索结构钢。其主要特征是：强度低、塑 性、韧性很好。淬透性、淬硬性低，焊接性好。 表2 11 5 号钢的力学性能 。o 。b 嘲 仉8 s $正戈弹性模 泊松比 ( m p a )( ) 量 p e ( g p a ) 3 7 5 1 5 号钢的热力学性能如下所示： 熔点1 4 6 0 ( )热导率 4 7 5 8 ( wm 一1k - 1 )比热容c04 9 ( k j k g l k l 篓 第二章平扳镦粗圆柱体的有限元分析 表2 2 15 号钢的线胀系数( 温度( ) 线胀系敷 ( 1 0 为防止锻造过程中，因毛坯过高而发生失稳，通常情况下。取原始高径比不大于25 。 本计算取原始高径比巩为22 5 ，20 ，1 7 5 ，15 ，i2 5 ，10 ，08 3 3 直径d 。为0 1 2 0 0 m 1 1 。 23 应力场、应变场的模拟结果及分析 231 对于20 吖阢25 的两个圆柱体镦粗模拟结果分析 23 1 1 变形轮廓随压下量变化的分析 乩仇= 22 5 的坯料在d e f o r m - 2 d 中的变形后网格如图2 3 所示 蒸麟瓣 _f f j i 囤2 - 3h d d o - 22 5 的毛坯变形网秸国 f 培2 - 3t h ed e f o r m a t i o n f i n i t ee l e m e n t f i g u r e f o r b l a n k w i t h h e d o - 一2 2 5 从图2 3 可以看山，在变形初始，圆柱体侧面出现单鼓形，随着压下量的增加，圆柱 体侧面由单鼓肚变成双鼓肚，继而又变成单鼓肚，横截面则逐渐趋于圆形。需要指出的 是，难变形区并未包括坯料与上、下砧面相接触的全部区域。对于d 。_ 2o 的毛坯变化 是同心d 。= 22 5 的毛坯变化相似的。 # 电饼粪锻件柯i ”析与试h 充 23i 2 难变形区形状变化规律 ， | 。：! f ? 。 i _ 一、 7 0 8 ( 糕 图2 - 4h o ，d 0 = 22 5 的圆柱体在不同压下量下的等效应变 f 2 92 - 4 d l 曲曲u “曲o f e q u l v a l e n t 叫如s t r a i na t d i f f e r e n th e i g h tr e d u c t i o n f o rc y l i n d e r b l a n k w i t h h 4 d o - 2 2 5 图2 4 给出了 n d o ：2 2 5 的圆柱体在压下量分别为2 5 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 时 的等效应变分布状态，从图4 中可以看出，圆柱体在普通平板间墩粗时，应变分布极不 均匀，端面外缘区中的等效应变值与中心大变形区的等效应变值相当，同时，毛坯变形 程度不周时，其内部等效应变艟变形程度的增加而增大。在毛坯端面下面存在着变形量 极小的难变形区，并设定等效应变c 02 为难变形区椰1 。当压下量小于6 0 前，上、 f 难变形区高度和大小几乎没有变化。当压下量大于6 0 后，上、下难变形区开始逐渐 参与变形，高度逐渐减小，形状改变，但始终没有相交，也没有互相插入。难变形区的 第二章平板镦粗圆柱体的有限元分析 横向尺寸在变形过程中基本上没有什么变化。对于h o d 。= 2 o 的圆柱体也是同理。 设定难变形区的相对高度为难变形区高度与毛坯高度之比。对于原始高径比 h o d o 2 2 5 的圆柱体在镦粗过程中，难变形区高度和毛坯的高度都在随压下量的增加而 变化。难变形区的相对高度与压下量关系曲线如图2 - 5 所示。从图2 5 可看出变形刚开始 的时候，难变形区的相对高度约为2 3 ，随着压下量的增加，其相对高度亦随之增大， 当压下量达到6 0 时，其相对高度到达极值( 约为3 3 8 ) ，当压下量继续增大，其相对 高度逐渐减小，在压下量达到8 0 时，其相对高度仅约为1 9 5 。 弋 一 加40即7 口 ww 压f 盈n 图2 5h d d o 2 2 5 的圆柱体难变形区的相对高度与压下量关系曲线 f i g 2 - 5t h er e l a t i o nc u r v e so fe q u i v a l e n th i g h ta n d r e d u c t i o nf o rc y l i n d e rd i f i c u l tr e d u c t i o nr e g i o nw i t hh o i d o = 2 2 5 对于原始高径i ：l ：h o d o = 2 0 的圆柱体在镦粗过程中难变形区的相对高度与压下量关 系曲线如图2 6 所示。从图2 6 可看出变形刚开始的时候，难变形区的相对高度约为1 5 ， 随着压下量的增加，其相对高度亦随之增大，当压下量达到6 0 时，其相对高度到达极 值( 约为1 7 3 8 9 6 ) ，当压下量继续增大，其相对高度逐渐减小，在压下量达到8 0 时， 其相对高度约为1 5 3 。 x c f 原始高径i _ 匕h o d 。= 2 2 5 和h o d 。= 2 2 5 的圆柱体而言，其难变形区的相对高度都是 随着压下量的增加，先逐渐增大，到达一个极值后( 在压下量为6 0 左右) ，然后随压 下量的增加而逐渐减少。 1 5 弱 ：； 器 寻 侣 伸 最工驾专i 核电饼类锻件的有限元分析与试验研究 厂 一 、 柏7 0 乐r 量1 1 4 2 6 h o d o = 2 0 的圆柱体难变形区的相对高度与压下量关系曲线 f i g 2 - 6t h er e l a t i o nc u w e so fe q u i v a l e n th e i g h ta n d r e d u c t i o nf o rc y l i n d e rd i f i c u l tr e d u c t i o nr e g i o nw i t hh o d o = 2 0 2 3 1 3 纵向中心对称面上应力分布规律 图2 7 、图2 - 8 是h 0 d 。= 2 2 5 和h o d 。= 2 0 的圆柱体在压下量为0 - - - 5 0 范围内，高度方 向轴线上的应力0 ，、0 。分布曲线图。图2 - 9 、图2 - 1 0 是h o d 。= 2 2 5 和h o d 。= 2 0 的圆柱体 在压下量为0 - , 5 0 范围内，水平对称线上的应力分布曲线图。 2 。 佰 - 2 厶 吾4 善一6 目 - 8 1 0 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 高度h m m 4 2 - 7h o d o = 2 2 5 的圆柱体在不同压下量下高度方向上的应力变化曲线 f i g 2 - 7t h es t r e s sc h f v c so fd i f f e r e n tr e d u c t i o na n dh e i g h tf o rc y l i n d e rw i t hh o d o = 2 2 5 1 6 舭 伽 舭 舭 ；星 舯 孚z缸饵禽霉 o 墨 1 喜 - r - 2 兰 毫 3 - 6 订 乏 旷 乞 b r 删 高度h r a m 图2 8 h o d o = 2 o 的圆柱体在不同压下量下高度方向上的应力变化曲线 f i g 2 - 8t h es t r e s sc u l w e so fd i f f e r e n tr e d u c t i o na l o n gc y l i n d e rh e i g h tw i t hh o d o = 2 0 7 二竺j = 一一：二j 二j 二 一 + 5 - k 一? ，。 2 0 一3 5 j 十4 0 * , l 。一 、， 一5 0 1 。 、，、- r 、o 一一一 ! 一一 = 、 -j 一一 - 、： 一 = ，嗣 土，_ i 二；卜一 ，彳，。 爿 q _ 一一一i 4 一“1 辛轻d r a m + 5 i7 p2 0 j ， 3 5 f ! 一一 十4 0 l_q 邕i 咧_ r ，r 。 畚_ 譬：一。一。一 - 一a 一一一io 曩 ：一r ? 三一 ：出。， 一一_ 一一一一一- - _ 。1 玉矗矗厶。矗矗。“ 芈径w m m a ) 径向应力or ( r a d i a ls t r e s s ) b ) 切向应力o 。( t a n g e n ts t r e s s ) 图2 - 9h e d 0 = 2 2 5 的圆柱体在不同压下量下半径方向上的应力变化曲线 f i g 2 - 9t h es t r e s sc u r v e so fd i f f e r e n tr e d u c t i o na n dr a d i u sf o rc y l i n d e rw i t hh e d o = 2 2 5 一。、一一“ ：一= - - ：一= 一2 - 一 一 一一= ：二三：尹一 一q 一5 一p ，7 一，一r 十一p 4 一r 一： 一一2 0 - 3 5 一v 4 0 一5 0 芈经“n 8 8 4 砉： 喜。 善2 5 2 0 i 7 1 一3 5 i ，o 4 0 i。 一5 0 l ， 1 一一r 兰：= = 二一。 ，芸一。一 = j = 苎薛一；皇卜一j 堂， 。；一一；1 r 一 二 一一 一 一一一一 。 0 7 ，簟7 0 1 0 0 2 3 0 04 0 05 0 0 s 0 0 7 0 0 半径r r a m a ) 径向应力or ( r a d i a ls t r e s s )b ) 切向应力ae ( t a n g e n ts t r e s s ) 图2 10h e d o = 2 0 的圆柱体在不同压下量下半径方向上的应力变化曲线 f i g 2 1 0t h es t r e s sc u r v e sa td i f f e r e n tr e d u c t i o na l o n gc y l i n d e rr a d i u sw i t hh o d o = 2 0 由图2 7 图2 1 0 可知，缴粗体内部应力分布不均匀，对于h o d 。= 2 2 5 的圆柱体在压 下量小于5 0 前，锻件心部存在着拉应力，处于两向拉应力状态。对于h d 。- 2 o 的圆柱 1 7 ”驺”珏卸帖仲 - a 善，o r 付e 器 帖引m引舢舶舯 -d最口r捌墨掣 一 一一 核电饼类锻件的有限元分析与试验研究 二一一 体在压下量小于4 0 前，锻件心部存在着拉应力，处于两向拉应力状态。这些拉应力存 在的地方往往也是裂纹源萌生的地方，往往会使墩粗体内部产生裂纹，严重影响锻件质 量。由图2 9 、图2 一1 0 知，若心部存在拉应力，中心点的拉应力必定最大，所以在锻造 时，应保证危险点中心点处于压应力状态。图2 9 ( b ) 和图2 一1 0 ( b ) 给出了对称轴o x 轴上的切应力oo 分布，从图可以看出在变形体的心部区域附近在压下量较小时为拉应 力，在压下量较大时为压应力。在侧表面，存在拉应力且随着压下量的增加而迅速增大， 当拉应力达到材料的破坏极限时，就会使侧表面出现纵向裂纹。 & 吾 r 毯 弋 厂 | | u ，1 01 52 02 5 压f 量n 图2 - 1 1h o d o = 2 2 5 的圆柱体中心对称点径向应力o r 在不同压下量下的分布曲线 f i g 2 11t h ec e n t e rs y m m e t r i c a lp o i n t ss t r e s sg rd i s t r i b u t i o n c h i v e sa td i f f e r e n tr e d u c t i o na l o n gc y l i n d e rr a d i u sw i t hh o d o = 2 2 5 图2 1 l 是h o d o = 2 2 5 的圆柱体中心对称点径向应力o ，在不同压下量下的分布曲线。 从图2 一l l 可以看出中心对称点径向应力值在压下量为2 9 4 前，中心点处的应力随压下 量的增加而增加，然后随压下量的增加而减小，并由拉应力转为压应力。由计算知，当 压下率大约为4 2 时，中心点处的拉应力变为压应力( 此时瞬时高径比大约为0 9 9 ) ， 继续往下压，随压下量的增加而急剧增加。 厂 卜 | l | 如下量n 图2 - 1 2h o d o = 2 0 的圆柱体中心对称点径向应力o ，在不同压下量下的分布曲线 f i g 2 - 1 2t h ec e n t e rs y m m e t r i c a lp o i n t ss t r e s so rd i s t r i b u t i o n c u r v e sa td i f f e r e n tr e d u c t i o na l o n gc y l i n d e rr a d i u sw i t hh o d 0 = 2 0 1 8 2 ， 0 一 之 r 4：，jor词 第二章平扳镦粗圆柱体的有限元分析 圈2 一1 2 是h o t d 。；20 的圆柱体中心对称点径向应力o ，在不同压下量下的分布曲线。从 图2 - 1 4 可以看出。变形体中心点的径向应力变形至瞬时高径比为11 9 ( 压下率大约为 2 8