（材料加工工程专业论文）金属环件热辗扩宏微观变形三维热力耦合有限元分析.pdf

摘要 摘要 金属环件热辗扩是一个多因素耦合作用下的宏观变形和微观组织演变交互影 响的复杂成形过程。研究热力耦合作用和微观组织演变规律，以实现环件成形过 程的优化设计达到精确控形和控性，是环件热辗扩成形前沿领域迫切需要解决的 重要课题。为此，本文采用数值模拟，并与理论分析、试验研究相结合的方法， 对金属环件热辗扩宏微观变形过程进行了系统的研究，主要研究内容和结果如下： 建立了环件热辗扩三维热力耦合刚粘塑性有限元模型，解决了材料模型、单 元选取、网格、边界条件处理、摩擦、求解器和增量步长选取等关键问题，试验 验证表明该模型是适用、可靠的。 基于d e f o r m 3 d 软件平台，将4 0 c r 钢的微观组织演变计算模型与环件热 辗扩宏观有限元计算模型相集成，成功地实现了环件热辗扩过程的传热、变形和 微观组织演变的模拟。 对环件热辗扩过程传热、变形和微观组织演变耦合进行了模拟分析，揭示了 环坯网格、等效应变、温度场的分布规律。发现环坯塑性变形区经历了由局部小 区域扩展到环带的过程，由外层和内层向中层移动，外层和内层为大变形区；环 坯的温度分布不均匀，高温区在变形量较大的外层，低温区首先在环坯与成形辊 接触的地方，随后转向内层的棱边，接着向外层棱边处扩展。 研究揭示了驱动辊转速、芯辊进给速度、环坯初始温度、摩擦因子等主要工 艺参数对热辗扩成形中变形场、温度场和辗扩力的影响规律。结果表明，驱动辊 转速及摩擦因子增大：芯辊进给速度及环坯初始温度减小，环坯的非均匀程度增 大；芯辊进给速度增大、环坯初始温度及摩擦因子减小，环坯温度非均匀程度减 小，而驱动辊转速存在一个最佳值，使得环坯温度分布最均匀；驱动辊转速、芯 辊进给速度增大和环坯初始温度减小，辗扩力增大。 研究揭示了热辗扩成形过程主要工艺参数对环坯的动态再结晶体积分数、动 态再结晶晶粒尺寸、再结晶体积分数和平均晶粒尺寸的影响规律，为工艺参数的 优化、成形环件质量预测与控制提供依据。 关键词：环件，热辗扩，热力耦合，微观组织演变，刚粘塑性有限元法 至! ! 三兰奎兰三兰竺三兰竺兰三 a b s t r a c t h o tr i n gr o l l i n gi sac o m p l e xp l a s t i cf o r m i n gp r o c e s su n d e rc o u p l e de f f e c t so f m u l t i f a c t o r sw i t hi n t e r a c t i o nb e t w e e nm a c r o d e f o r m a f i o na n dm i o r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n i no r d e rt oa c h i e v ei t so p t i m u md e s i g na n dp r e c i c o n t r o lo fs h a p ea n d p e r f o r m a n c e ，r e s e a r c ho nc o u p l e dt h e r m o m e c h a n i c a l e f f e c t sa n dm i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o nh a st h u sb e c o m e i m p o r t a n ts u b j e c tu r g e n tt ob er e s o l v e di nt h el e a d i n g f i e l do ft h eh o tr i n gr o l l i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n , as y s t e m a t i c i n v e s t i g a t i o no nm a c r o m i c r o - d e f o r m a t i o no f h o tr i n gr o l l i n gp r o c e s sh a sb e e nc a r r i e d o u tu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , c o m b i n e dw i t ht h ea n a l y t i e a la n de x p e r i m e n t a l m e t h o d s ab r i e f h i t r o d u c l i o nt ot h ep r o j e c ta n di t sm a i na c h i e v e m e n t sa r e 嬲f o l l o w s ： a3 d - f em o d e lu n d e rc o u p l e dt h e r m o - m e c h a m e a le f f e c t so fh o tr i n gr o l l i n g p r o c e s sh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h er i g i d - v i s c o p l a s t i ef e m ，a n ds o m ek e y t e c h n o l o g i e sh a v e b e e ns o l v e d ，s u c ha sm a t e r i a l sm o d e l i n g ，e l e m e n ts e l e c t i n g ，m e s h i n g ， c o n t a c tb o u n d a r y , f i c t i o n , c h o i c eo f i t e r a t i o ns o l v e ra n di n c r e m e n ts t e p e r e 1 1 1 em o d e l h a sb e e nv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t st ob ea p p l i c a b l ea n dr e l i a b l e b a s e do nt h e p l a t f o r m o ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r m - 3 d ，t h e m i c r o s ”u c t u r em o d e l so f4 0 c rs t e e lh a v es u c c e s s f u l l yb e e ni n t e g r a t e di n t ot h e d e v e l o p e dt h e3 d - f em o d e l a n dc o n s e q u e n t l yc o u p l e ds i m u l a t i o n so fh e a tt r a n s f f i r , d e f o r m a t i o na n dm i e r o s t r u c t u r ee v o i n t i o nr e a l i z e d t h r o u g hc o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o n sa n da n a l y s e so fc o u p l e dh e a tt r a n s f e r , d e f o r m a t i o na n dm i c r o s t r u e t u r ee v o l u t i o no fh o tr i n gr o l l i n gp r o c e s s ，t h el a w so f d i s t r i b u t i o nh a v e b e e nd i s e l n s e df o rd e f o r m e dm e s h ，e q u i v a l e n ts t r a i nf i l e da n d t e m p e r a t u r ef i l e d i ti sf o u n dt h a t ：( 1 ) s t r a i nz o n ec h a n g e sf r o mas m a l ll o c a lz o n ei n t o ar i n gs t r i pa n dm o v e sf r o mt h ei n n e r - l a y e ra n dt h eo u t e r - l a y e rt ot h em i d l a y e r ；( 2 ) t h e i n n e r - l a y e ra n do u t e r - l a y e rf i r el a r g es t r a i nz o n e ；( 3 ) t h ed i s t r i b u t i o no f t h et e m p e r a t u r e i si n h o m o g e n e o u s ，a n db e c a u s eo fi t sl a r g ed e f o r m a t i o n , t h eh i g h - t e m p e r a t u r ez o n ei s i nt h eo u t e r - l a y e r ；( 4 ) a tt h ef i r s ts t a g eo ft h ep r o c e s s ，t h el o w - t e m p e r a t u r ez o n ei si n t h ec o n t a c tz o n eb e t w e e nr i n gb a n ka n df o r m i n gr o l l e r , a n dt h e n , i tm o v e si n t ot h e i n n e r - l a y e re d g e ，a n df u r t h e r , i te x t e n d si n t ot h eo u t e r - l a y e re d g e t h ei n f l u e n c eo f m a i np r o c e s sp a r a m e t e r so nd e f o r m a t i o nf i l e d t e m p e r a t u r ef i l e d a b s i r a c i - a n dr o l lf o r c eh a v eb e e nd i s c l o s e di nh o tr i n gr o l l i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n gr o t a t i o n a l s p e e do fd r i v e rr o l l ，f e e dr a t eo fi d l er o l l ，i n i t i a lt e m p e r a t u r eo fr i n ga n df r i c t i o n 1 1 屺 r e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h ed e g r e eo f i n h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o no f f i n gb l a n ki n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h er o t a t i o n a ls p e e do f d r i v e rr o l la n df r i c t i o nf a c t o r , b u tw i t ht h e d e c r e a s i n go ft h ef b e dr a t eo fi d l er o l la n di n i t i a lt e m p e r a t u r eo fr i n gb a n k ；( 2 ) t h e d e g r e eo f i n h o m o g e n e o u st e m p e r a t u r eo f f i n gb a n kd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h e f e e dr a t eo fi d l er o l l b u tw i t l lt h ed e c r e a s i n go fi n i t i a lt e m p e r a t u r eo fr i n gb a n ka n d f r i c t i o nf a c t o r ；( 3 ) t h e r ei sa no p t i m u mr o t a t i o n a ls p e e do fd r i v e rr o l lw h i c hm a k e s t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fr i n gb a n kt h em o s th o m o g e n e o u s ；( 4 ) r o l lf o r c ei n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h er o t a t i o n a ls p e e do fd r i v e rr o l l ，f e e dr a t eo fi d l er o l la n dt h e d e c r e a s i n go f i n i t i a lt e m p e r a t u r eo f f i n gb a n k t h ee f f e c t so fh o tr i n gr o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z e d v o l u m ef r a c t i o n ，d y n a m i cr e c r y s t a l l i z e dg r a i ns i z e ，r e e r y s t a l l i z e dv o l u m ef r a c t i o na n d a v e r a g eg r a i ns i z eo fr i n gb a n kh a v eb e e ns t u d i e da n do b t a i n e d t h eo b t a i n e dr e s u l t s m a yp r o v i d eng u i d et ot h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ep r e d i c a t i o na n d c o n t r o lo f f i n gq u a l i t y k e y w o r d s ：r i n gp a r t s ，h o tr i n gr o l l i n g , c o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c s ，m i c r o s t r u e t u r e e v o l u t i o n ，r i g i d - v i s e o p l a s t i cf e m i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论 文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：刎指导教师签名：掬 7 年3 月j 2 r m 。7 年3 月，己同 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公丌发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他己申请学位或其他用 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 y 叩年歹月，2 日 西北工业大学工学硕+ 学位论文 本文的主要创新与贡献 ( 1 ) 建立了可靠的环件热辗扩三维热力耦合刚粘塑性有限元模型，解决了材 料模型、单元选取、网格、边界条件处理、摩擦、求解器和增量步长选取等关键 技术问题；成功地集成了环件热辗扩宏观微观有限元计算模型，实现了环件热辗 扩过程的传热、变形和微观组织演变的模拟，为系统研究热辗扩成形过程宏微观 变形提供了一种先进手段。 ( 2 ) 对环件热辗扩过程中的传热、变形和微观组织演变耦合进行7 系统模拟 分析，揭示了环坯网格、等效应变、温度场的分布变化规律及驱动辊转速、芯辊 进给速度、环坯初始温度、摩擦因子等主要工艺参数的影晌规律，从而为环件热 辗扩工艺的确定提供依据，为进一步研究环坯微观组织演变提供了基础数据。 ( 3 ) 研究揭示了热辗扩成形过程驱动辊转速、芯辊进给速度、环坯初始温度、 摩擦因子等主要工艺参数对热辗扩成形中环坯的动态再结晶体积分数、动态再结 晶晶粒尺寸、再结晶体积分数和平均晶粒尺寸的影响规律，从而为工艺参数的优 化、成形环件质量预测与控制提供了依据。 i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 塑性成形是利用材料的可塑性，实现材料成形和改性的一种制造方法。塑性 成形技术因其具有高效、优质、低耗等优点，已成为当今先进制造技术的重要组 成部分，对于推动我国经济、科技和国防现代化的发展发挥着不可替代的作用。 然而，随着国际市场竞争、知识经济和绿色制造的兴起，塑性加工技术领域，面 临着新的挑战和机遇，因而迫切需要发展先进塑性成形技术，使塑性成形产品朝 着精密、优质、高效、低耗、柔性、绿色、数字化、智能化和环境友好等方向发 展。 环件热辗扩成形是一种重要的无缝环形零件的先进塑性成形技术，顺应了先 进塑性成形技术的发展方向，因面在塑性加工中倍受重视，在航空航天、汽车、 火车、船舶及能源等领域具有广泛的应用价值。然而，由于金属环件热辗扩是一 个受多因素交互影响的宏观变形和微观组织演变相耦合的复杂成形过程，目前人 们对环件热辗扩过程中的热力耦合作用和微观组织演变规律缺乏深入认识和掌 握，导致实践生产中环件成形质量难以控制。因此，有必要深入研究环件热辗扩 成形过程中热力耦合作用和微观组织演变，掌握工艺参数对宏观变形和微观组织 演变的影响规律，从而为环件生产的精确控形和精确控性提供科学的工程实用的 依据，这也是实现环件优质、高效、低耗成形制造的迫切需求和必然趋势。 本章综述了环件热辗扩过程、塑性成形中热力耦合模拟以及塑性成形过程中 微观组织模拟的研究现状，在此基础上，提出了本文的选题背景和意义，确定了 本文的主要研究内容。 1 2 环件辗扩成形过程 1 2 1 环件辗扩成形原理和特点 环件辗扩成形，是利用环件辗扩设备上旋转着的成形辊( 模具) 对工件局部 连续加压，使工件在回转过程中主要产生径向压缩、切向伸长从而获得环坯壁厚 1 西北工业大学工学硕士学位论文 减薄、直径扩大、截面轮廓成形的连续、局部、回转塑性成形技术，是无缝环形 零件的主要先进成形制造方法之一。其成形原理如图1 1 所示。 驱动辊 导向辊芯辊 图1 - i 环件辗扩成形原理图 在环件辗扩过程中，驱动辊为主动辊，做旋转辗扩运动；芯辊为被动辊，做 从动旋转运动，同时沿着驱动辊与芯辊中心连线向着驱动辊做进给运动；导向辊 为可自由旋转的从动辊。在驱动辊的作用下，环坯多次通过由驱动辊和芯辊构成 的孔型产生连续局部塑性变形，使得环坯壁厚减薄、直径扩大、截面轮廓成形。 当环坯多次通过逐渐减小的孔型产生变形达到预定尺寸时，芯辊停止直线进给运 动并返回，环件辗扩结束。在辗扩成形过程中，导向辊以一定的压力作用于成形 环坯，起到定心和防振的作用，保证环坯的平稳转动和环件的圆度。驱动辊的旋 转辗扩运动由电机提供动力，芯辊直线进给运动由液压或气动装置提供动力，其 它成形辊无需提供动力，而在环坯摩擦力作用下随环坯作从动运动【”。 从环件辗扩成形原理可知，环件辗扩成形具有如下主要特点： ( 1 ) 三维非均匀变形。宽高比比板材轧制大得多，既有径向压缩变形、周向 延伸，又有宽度方向的宽展，宽展不可忽略； ( 2 ) 连续渐变。每次压下量小，是一个连续渐变过程，且进给速度一般是时 变的； ( 3 ) 非线性。辗扩力与力矩等的影响因素多，且都是几何、物理及边界非线 性。环件外径增长率与进给速度、辗扩力之间的关系也是明显的非线性； ( 4 ) 非对称。主辊和芯辊直径不等，且只有主辊驱动。因此变形几何区非对 称； ( 5 ) 非稳态成形过程。变形区几何形状连续发生变化，变形区几何边界复杂、 不稳定、变形力学条件也是动态变化，不像板材轧制有一个稳定状态； ( 6 ) 属于多道次辗扩。环坯通过辊缝产生所需要的变形。 2 第一章绪论 环件辗扩根据成形温度主要可分为冷辗扩和热辗扩两类，而环件热辗扩技术 作为环件辗扩技术的一个重要组成部分，除了继承上述辗扩技术的共性特点之外， 在热辗扩过程中还存在传热、变形、微观组织相互耦合的复杂过程。 由此可见，环件热辗扩是一个多因素交互作用下的宏观变形和微观演变耦合 的高度非线性复杂成形过程，并且微观组织的模拟涉及塑性变形力学、传热学、 金属学、冶金学、试验技术等多学科的交叉融合。因此，如何实现环件热辗扩热 力耦合及微观组织演变模拟是本领域要解决的关键问题之一。 1 2 2 成形优势及应用前景 环件辗扩是辗扩技术与机械零件制造技术的交叉和结合，尤其环件热辗扩， 与传统的环件成形工艺相比，具有如下显著的技术优势： ( 1 ) 环件材料利用率高。辗扩成形的环件几何精度与模锻件相当，制坯冲孔连 皮小，而且无飞边材料消耗；与环件自由锻工艺和火焰切割工艺相比，辗扩成形 环件精度大为提高，加工余量大为减小，而且环件表面不存在自由锻与马架扩孔 的多棱形和火焰切割的粗糙层。 ( 2 ) 环件内部质量好。辗扩成形的环件，内部组织致密，晶粒细小，纤维沿圆 周方向排列，其机械强度、耐磨性和环件寿命明显高于其它锻造和机械加工生产 的环件。 ( 3 ) 设备吨位小、投资少、加工范围大。环件辗扩变形是通过局部变形的累积 而实现环件成形的，与整体模锻变形相b b ，环件辗扩变形力大幅度减小，因而辗 扩设备吨位大幅度降低，设备投资小；所加工的环件最大直径与最小直径相差3 - - 5 倍，最大重量与最小重量相差数十倍，这是其它成形方式难以达到的。 ( 4 ) 生产率高。环件辗扩设备的辗扩速度通常为1 2 r r g s ，辗扩周期一般为1 0 s 左右，最小周期已达到3 6 s ，最大生产率已达到1 0 0 0 件h ，大大高于环件的自由 锻造和火焰切割，也高于模锻生产率。 ( 5 ) 生产成本低。环件辗扩具有材料利用率高、机加工工时少、生产能耗低、 辗扩孔型寿命长等综合优点，因而生产成本低。 正是由于以上的技术优势，环件辗扩成形具有广阔的应用前景。目前，环件 辗扩成形制造的环件直径范围可达( p u 4 0 , - - ( p l o o o o m m ，高度为1 5 , - - 4 0 0 0 m m ，最小壁 厚为1 6 - - 4 8 m m ，环件的重量为0 2 - 8 2 0 0 0 k g 。环件的材料通常为碳钢、合金钢、 铝合金、铜合金、钛合金、钴合金、镍基合金等，常见的辗扩环件产品有轴承环、 齿轮环、火车车轮及轮毂、燃汽机环、集电环等。 西北工业大学工学硕士学位论文 1 2 3 该领域国内外研究现状及存在的问题 环件辗扩技术是伴随着铁路运输业的发展而产生的。自1 9 世纪中叶以来，铁 路系统的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅度提高。火车的铸铁车轮无 法满足商速、重载的要求，于是人们在火车铸铁车轮上装备性能更好的、可更换 的钢制轮箍。为了生产火车轮箍，1 8 4 2 年英国建造了轮箍轧机，1 8 8 6 年俄国奥斯 特洛维茨炼铁铸造厂设立了火车轮箍生产车间。随后，环件辗扩技术不仅在火车 轮箍、火车车轮生产中得到了广泛应用，在其他环形机械零件生产中也逐渐得到 了推广应用。我国于2 0 世纪5 0 年代开始应用环件辗扩技术生产轴承环，1 9 5 9 年 在上海建立了锤压力机一扩孔机的轴承环轧制生产线。现在，环件辗扩技术已经 成为环形机械零件生产的高效、先进和主要工艺方法之一f 1 1 。 环件辗扩成形技术从产生至今，虽然已经有一百多年的历史，但是对该工艺 技术的研究工作起步较晚。早期的工作大多是利用模型材料，如铅、碲铅等，在试 验环轧机上做实验，以模拟热钢在辗扩过程中金属的流动情况。 1 9 6 8 年，j o h i l s o n i 。叫首先在立式轧环机上进行了一系列基本参数实验研究， 得到了力能参数、变形区形状随进给量的变化规律；发现在轧制变形区的径向对 称点存在塑性铰，塑性铰弯矩对金属变形有影响。 1 9 7 3 年，h a w k y a r d i s l 在英国曼切斯特科技大学安装了一台结构新颖的环件试 验轧机。其特点是轧机刚度大，芯辊可沿轴线移动，便于环件装卸。m a m a l i s 6 1 在该轧机上分别对矩形和异型截面环坯进行试验，发现沿环件轴向有不规则的双 鼓度宽展变形即鱼尾缺陷产生。 m a m a l i s t 7 叫在芯辊和驱动辊上分别安装测压计，采用不同材料的环坯在不同 孑l 型中进行试验以研究轧辊表面的单位压力分布。发现在变形区入口附近单位压 力迅速升高并达到峰值，随后缓慢降低，在轧辊连心线附近单位压力曲线出现拐 点；当进给速度较大时，芯辊侧单位压力出现两个峰值。 h a w k y a r d l 9 1 对环件辗扩孔型中金属流动特性进行了深入研究，考察了进给速 度、摩擦条件、环件形状及孔型尺寸等因素对孔型中金属流动及环件截面形状的 影响。研究表明，对环件毛坯进行预成形设计可以改善金属填充效果，并有效防 止缺陷的产生。 许思广等 t o - u 在恒压力辗扩条件下，对影响环件宽展变形的各工艺因素进行 了试验研究及分析。采用刚塑性法分析环件辗扩中金属产生较大变形后的应变分 布。试验表明。变形区的应变分布，不仅与总压下量有关，而且与轧辊尺寸、环 件尺寸等工艺因素密切相关。 4 第一章绪论 这些早期的试验研究从不同角度获得了环件热辗扩过程的一些基本特点。一 般来说，试验研究的针对性强，能反映研究对象的某一侧面，解决某一特定问题， 但试验点数往往不会很多，难以获得具有普适性的规律，并且耗时、耗力、成本 高。 在理论研究方面，h a w k y a r d l 5 j 采用平砧锻造平板时的滑移线场首次给出了辗 扩力和力矩的简洁表达式，并与试验结果吻合良好。y a n g 1 2 l 用能量法研究了l 型 截面环件辗扩力矩的变变规律。h a y a m a 1 3 】用能量法在圆柱坐标系中对环件辗扩进 行了三维分析，建立了金属变形模型。l u g o r a 1 4 1 采用希尔一般方法对连续辗扩过 程中环件的平均宽展进行了分析。h a h n 1 5 谰三维上限元法研究了t 型截面环件辗 扩时的孔型充满率，并得到了试验验证。 华林等【l l 从静力学、运动学、动力学、几何学、塑性成形原理和系统控制等 方面深入研究了环件辗扩条件、成形流动规律、力学计算方法、工艺设计方法和 过程控制方法等，揭示了环件辗扩的基本原理，建立了环件轧制理论体系。 蒋日东等1 1 l 】分析了环件辗扩的几何学、运动学与动力学，建立了环件辗扩 过程的数学模型，提出了满足各种约束条件的径一轴向环轧机综合可轧区，实现 了环件辗扩的逆向仿真与毛坯优化设计，研究了辗扩过程的c a d c a e c a p p c a m 和环轧机的控制系统。 许思广等【2 2 】采用极限分析方法推出了抱辊力的表达式，确定了环件辗扩时抱 辊角的最佳范围。朱春东等1 2 3 】对径向辗环过程尺寸控制进行了研究。陈学胜等 2 4 1 用上限法分析了伞齿轮坯闭式辗扩时的力能参数。周存龙等【2 5 】用上限元法计算了 l 型截面环件在辗扩过程中的辗扩力。 这些理论工作对成形规律进行了定性的分析，比试验研究更加深入地、系统 地研究了环件热辗扩过程。但是，由于环件热辗扩过程的复杂性，理论解析方法 必须对实际过程做出较大程度的简化，所以它只能提供定性的描述而无法提供环 件内部精确全面的场变量信息。随着计算机技术的飞速发展和塑性成形理论的进 步，计算机数值模拟仿真技术以其特有的虚拟现实等优点已成为研究与发展塑性 加工技术的强有力的工具。因此，许多学者把研究思路转向了对环件辗扩过程的 有限元数值模拟研究，以弥补试验和解析方法的不足。 y a n g 2 ”7 1 起初采用平面刚塑性有限元法得到了环件辗扩中等效应力分布及 单位压力分布；后来又采用三维刚塑性有限元法分析了t 型截面辗扩过程中变形 及应变分布。 s o n g 等【2 s 1 将环件热辗扩过程简化为平面应变热力耦合问题，利用m a r c 软件 分析了环件的外形变化，应力、应变、温度分布和辗扩力等，还对轧辊的温度分 西北t 业大学工学硕士学位论文 布进行了研究，但在模型中没有引入导向辊。 w a r d 等【2 9 l 采用d e f o r m 2 d 对火车车轮及轮毂制造过程的整个工艺进行了 模拟，目的是获得最佳的预成形毛坯形状，并对成形过程中温度的影响进行了模 拟分析。结果表明，工艺数值模拟手段可以为提高产品质量提供预测。 l i r a 等【3 0 1 采用弹塑性有限元法分别对矩形和v 形截面环件径向热辗扩过程， 以及v 形截面环件径轴向热辗扩过程进行了三维热力耦合模拟，对环件的宽展、 应力、应变和温度等场变量进行了分析。 许思广掣3 1 1 采用三维刚塑性有限元法对1 0 0 0 ( 2 条件下，在斜辊面孔型中辗扩 异形截面的钢环件进行了模拟。结果表明，异形截面环件辗扩具有与矩形截面环 件不同的金属流动特点及应力应变分布规律。同时，许思广等【3 2 】采用热力耦合三 维刚粘塑性有限元法，建立了环件变形区的稳态模型，研究了辗扩力和力矩，环 件的宽展和场变量分布，轧辊的温度分布等。结果表明，驱动辊的转速对环件和 轧辊的温度变化有重要影响。另一方面，考虑变形区和非变形区两部分的不同传 热特点【3 3 l ，构造了环件辗扩过程的温度变化有限元分析模型，即变形区为稳态模 型，非变形区为瞬态模型。 解春雷等【3 6 】基于动力有限元模拟的环件辗扩过程控制策略，论述了刚粘塑 性动力显示有限元的基本方法，发展了环件辗扩过程有限元模拟程序h r i n g ， 并模拟了热辗扩时的金属流动规律，模拟结果揭示了环坯形状、尺寸、温度和辗 扩加载速度对工艺性指标和效率性指标的影响。 综上可知，以往对于环件热辗扩过程的研究，存在如下特点和不足： ( 1 ) 最早的研究是从试验开始的，但试验研究具有一定的针对性，只能反映研 究对象的某一侧面，解决某一特定问题，因而不具有普适性，且耗时、耗力、耗 费大量能源和材料。因此，通过试验研究，只能获得一些对环件辗扩过程的基本 认识，为开展理论研究奠定基础，或为数值模拟研究提供一种验证手段。 ( 2 ) 采用经典的塑性理论的解析方法对复杂的环件热辗扩过程进行的研究，都 采用了大量的简化和假设，因而只能针对实际生产中遇到的问题，作出相应的较 大程度的近视处理。因此，解析法研究难以系统深入地认识热辗扩过程、揭示热 辗扩成形机理，要形成直接、实用和准确的普遍规律以指导实际是很困难的，但 是可为试验研究和数值模拟研究提供方向性指导。 ( 3 ) 对于环件热辗扩的数值模拟研究，很多学者将热辗扩视作恒温过程进行处 理，还有一些学者尽管考虑了热力耦合，但或者将热辗扩简化为平面问题，或者 只分析变形区部分。然而，环件热辗扩过程具有三维变形、非稳态、传热等显著 特征，将其简化成二维问题，或者仅模拟变形区，或者将变形区视作稳态都与这 6 第一苹绪论 些特征不相符。因此，对环件热辗扩过程进行完整的热力耦合三维建模势在必行。 ( 4 ) 在环件热辗扩过程中，动态、静态回复与再结晶及晶粒长大等物理机制会 导致材料的微观组织发生明显的变化，而微观组织的改变会反过来影响材料的宏 观力学性能，进而影响材料的变形行为。因此，环件热辗扩过程不仅是一个热力 耦合问题，也是一个宏微观耦合问题，只有从宏、微观角度对环件的质量进行控 制，才能实现环件热辗扩生产的精确控形和控性。但目前对环件热辗扩过程微观 组织演变模拟缺乏系统研究。 1 3 塑性成形中热力耦合的研究现状 环件热辗扩过程是个多因素交互耦合的复杂成形过程，其中包括了变形和温 度的耦合作用。而热力耦合分析方法由于能同时分析传热和应力、应变问题，能 真实地模拟高温下金属塑性成形过程的传热和变形的相互影响，得到的结果准确 可靠，并且可以进一步对坯料微观组织的预测提供基础数据。因此，有必要关注 其发展情况。 虽然各国学者很早就认识到在金属塑性成形过程中热力耦合计算的重要性， 但对变形和热耦合分析的研究还只是始于二十世纪8 0 年代。首次进行真正的热加 工变形和传热耦合分析的是o d e n ”。 1 9 7 8 年，z i e n l ( i e w i c z f 3 s l 等人提出了两种热耦合分析的方法，一是联立求解传 热和变形方程，二是将两组方程分开。并采用第一种方法对稳态挤压过程进行了 热力耦合分析。在z i e n l d e w i c z 提出的耦合方法中，认为变形材料的密度，粘度系 数只有在己知温度条件下才能求出。因而，变形体要同时满足粘塑性力学方程及 传热方程，两者依靠材料的特性参数，如密度，粘度系数连接起来。要解出变形 材料的应力、应变、应变速率等场变量及温度分布，只有将两类等式组合起来求 解。 1 9 8 1 年，r e b e l o 和k o b a y a s h i i s 到对热力耦合方法在原理上作了相应的改变。 他们用热力学的方法导出了塑性成形过程中的传热方程，将变形和传热看作独立 的瞬态过程，在两者之间进行迭代求解，提出用迭代法求解耦合问题，并首次对 圆柱体和圆环镦粗等轴对称变形过程作了热力耦合分析。此方法在原理上较 z i e n k i e w i c z 提出的方法有所简化，计算量减少。 孙捷先 4 0 l 对圆柱体镦粗过程进行了热耦合分析。1 9 8 7 年，罗子健e 4 1 1 首次对热 镦过程进行了热力耦合分析的实验验证研究。到了二十世纪9 0 年代，热力耦合分 析方法快速发展，涉及到金属塑性加工过程的锻造、轧制、扭压等方面 4 2 椰】。 7 西北t 业大学1 = 学硕士学位论文 本实验室的蔡旺【4 6 1 、刘君【4 7 】等将热力耦合作用应用于叶片精锻的模拟过程， 首次得到了单榫头叶片精锻的非等温锻造模拟结果，使得模拟的结果更加接近实 际生产。 但是，随着有限元数值模拟技术的发展，基于有限元的数值模拟已成为研究 塑性成形问题强有力的工具，并在热成形过程的数值模拟研究中取得突破性进展， 已能准确地给出各场量地分布。如今，对于热塑性成形过程的研究已经不只局限 于会属的宏观塑性流动行为或局部热力参数的分布，而正向着微观组织模拟研究 和力学性能的预测与控制的深度推进。另外，环件热辗扩过程不仅是一个热力耦 合问题，也是一个宏微观耦合问题，只有从宏微观角度对环件的质量进行控制， 才能实现环件热辗扩生产的精确控形和控性。因此，有必要关注热塑性成形过程 中微观组织模拟方面的研究现状。 1 4 塑性成形中微观组织模拟的研究现状 材料的塑性变形、温度变化以及动态回复、动态再结晶等组织演变之间有着 错综复杂的相互影响。在塑性成形过程中发生的微观组织演变，不仅对变形过程 本身产生作用，而且在很大程度上直接决定了产品的宏观力学性能。因此，借助 于计算机技术模拟预测金属塑性成形过程中的微观组织演变，对于掌握塑性成形 规律，优化工艺参数，提高产品质量及性能，促迸先进塑性加工技术的发展具有 重要意义。 关于金属在热变形时微观组织演变过程的研究，目前的做法一般是针对主要 的微观组织演变过程，如动态回复和再结晶等进行试验研究，然后建立微观组织 演变数学模型，以描述微观组织特征参数与宏观热力学参数之间的关系。 材料的微观组织演变模型最早是在轧制领域提出和应用的。2 0 世纪7 0 年代， 英国学者c m s c l l a r s 等 4 9 - 4 9 1 率先对c m n 中碳钢板材和带材热轧工艺的微观组 织演变进行了数值模拟，建立了微观组织与热力参数之间的半经验数学模型。8 0 年代，h y a d a 和t s c n u m a 等【5 0 l 研究了m n 含量少于l 的碳锰低碳钢的再结晶 过程，建立了c m n 钢环件辗扩过程中微观组织演变的半经验数学模型，该模型 由动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大过程的晶粒尺寸模型和相应再结晶动力学 模型三个模块组成，给出了计算晶粒尺寸和体积分数的半经验公式，后来逐渐发 展成为金属材料成形过程微观组织模拟的一种比较通用的形式。脐田淳一掣”】提 出了用热力参数描述的热变形下低碳钢微观组织演变的数学模型。刘雪梅等【5 2 】在 不同工艺参数下对t i 6 a 1 - 4 v 钛合金试样进行均匀变形试验，在此基础上应用模 8 第一章绪论 糊神经网络的方法，建立了预测变形后晶粒大小的适应性模型。北京机电研究所 的金泉林教授口3 】把固体力学和材科科学相结合，应用细观力学和不可逆热力学内 变量理论提出了包括三种变形机制和多种微观组织演变的热刚一粘塑性本构关系。 此外，许多学者【5 4 q 6 】也在做了大量实验研究和数据处理的基础上，针对不同的材 料提出了相应的模型，并用于金属塑性成形过程的微观组织模拟预测。目前所建 立的微观组织演变模型多为用热力参数描述的半经验公式，且仅局限于低碳钢、 镍基合金等少数几种钢种。对于c m n 钢高温变形下的微观组织演变模型基本上 可以满足模拟预测的精度要求，但对于含有微合金元素的合金钢微观组织的预测 精度较低，还需进一步深入研究微观组织与变形机理之间的关系，通过大量实验 来确定模型中的常数，建立更为准确地微观组织演变模型，提高模拟预测精度。 在微观组织演变模型的研究基础上，微观组织的模拟、预测及控制已成为国 内外学者的一个研究热点，引起越来越多学者的极大关注。 最初开展微观组织模拟工作的也是从事轧制领域研究的学者们。2 0 世纪7 0 年代s e l l a r s 等【4 9 】率先对热轧过程中材料的微观组织演变进行了模拟研究。9 0 年 代仞，k o p p 5 7 首先将微观组织演变模型引入到非稳态锻造过程，并采用有限元法 对二维热镦粗的动态再结晶过程进行了数值模拟。1 9 9 5 年，s h e n 掣弼】对高温合 金w a s p a l o y 预测了锻后饼坯中的晶粒尺寸和再结晶体积分数。1 9 9 7 年，s a t i o t 5 9 1 在热力学和经典形核核理论的基础上，进行了组织模拟。2 0 0 0 年，m e d e i r o s 等1 6 0 1 预测i n 7 1 8 合金的晶粒尺寸。2 0 0 1 年，d i n g 等学者1 6 1 】将经典冶金学原理与c e l l a r a u t o m a t o n 技术相结合，模拟了热加工过程不同阶段的微观组织演变。2 0 0 3 年保 加利亚科学院机械学院的n b o n t c h e v a 和g p e t z o v l 6 2 也将金属在成形过程中再 结晶和晶粒长大过程进行耦合，并利用有限元的方法成功地对后轴法兰的锻造过 程进行了数值模拟；j a n g 掣”】利用热力耦合刚粘塑性有限元，结合y a d a 提出的 经验公式，综合考虑了变形过程及变形后动，静态再结晶、晶粒长大软变机制的影 响，模拟分析了碳钢热镦粗过程不同变形程度下的动态再结晶晶粒大小与分布， 及变形结束后不同空冷时间下的晶粒尺寸及分布。n a 等即l 建立了镍基合金7 1 8 在热变形过程中的微观组织演变模型，得出开始动态再结晶的临界应变值是应变 速率、应变、温度的函数的结论，并基于三维有限元模拟分析了镍基合金7 1 8 叶 片预锻和终锻后的晶粒尺寸和体积分数。 李俊等1 6 5 通过热力模拟试验，获得了3 c r n i 3 m o 钢在热变形过程中晶粒变化 的数学描述，结合自行开发的热力耦合刚粘塑性有限元模拟系统，模拟分析了发 动机气门热锻成形及模锻完成后空冷不同时间的晶粒尺寸及分布情况。王连生等 6 6 1 运用塑性变形、热传导和动态再结晶耦合的分析方法对4 5 号钢j t s 锻造工艺 9 西北工业大学工学硕十学位论文 下热锻成形的速度场、温度场、动态再结晶过程及再结晶的晶粒大小及分布进行 了有限元模拟研究。杨旗等f 明在等温恒应变速率压缩试验的基础上，应用模糊数 学方法建立了表征变形高温合金锻件晶粒度的隶属程度与锻造热力参数之间的定 量关系，即所谓隶属函数，并将隶属函数与有限元变形一传热耦合分析方法相结合， 建立了预测变形高温合金锻件晶粒度的新方法。熊爱吲6 8 建立了反映微观组织演 变对材料流动应力影响的新型本构关系，并应用模糊神经网络技术构造了t c 6 钛 合金在高温变形过程中微观组织演变的预测模型，将其应用于刚粘塑性有限元程 序中，并考虑传热对变形的影响，对t c 6 涡轮盘锻造成形过程及微观组织演变进 行了数值模拟，预测了终锻时不同工艺条件下晶粒尺寸及分布，探讨了变形工艺 参数对变形过程中微观组织的影响规律。刘君等【4 8 】