TC18钛合金模锻件锻造成形工艺仿真.docx_第1页
TC18钛合金模锻件锻造成形工艺仿真.docx_第2页
TC18钛合金模锻件锻造成形工艺仿真.docx_第3页
TC18钛合金模锻件锻造成形工艺仿真.docx_第4页
免费预览已结束,剩余1页可下载查看

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

第 卷 第 期 年 月 钛合金模锻件锻造成形工艺仿真 黃 湘 龙,易 幼 平,李 蓬 川,沙 爱 学(中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室 , 湖 南 长 沙 ;中国第二重型机械集团公司 , 四 川 德 阳 ;北京航空材料研究院 , 北 京 )摘 要 : 采 用 有 限 元 软 件 对 钛合金模锻件锻造成形过程进行了数值模拟仿真 , 研 究 比 较 了 锤 锻 和 液压 机模锻两种成形方式的不同 。 研 究 结 果 表 明 :钛 合 金 模 锻 件锤锻变形时过热倾向更加明显 , 锤 锻 锻 件 的 最 高温度比液压机模锻高 左 右 , 必须严格控制锻 造 过 程 中 的 温 升 ; 锤锻的有效应力分布很不均匀 , 锤 锻 锻 件 的 平 均 有 效应力比液压机模锻大 左 右 , 并且存在严重的应力集 中 区 域 , 而液压机模锻的有效应力变化较为 平 缓 ; 相比液压机模锻 , 锤锻锻件的最 大和最小有效应变的差值减小了 , 锤锻锻件的变形均匀性得到了 改 善 。关 键 词 :钛 合 金 ; 流 变 应 力 模 型 ; 锻 造 工 艺 ; 数 值 模 拟:中 图 分 类 号 :文 献 标 识 码 :文 章 编 号 : () , ( ,;,;,):, , , ,; , , , ;, , :; 合 金 是 一 种 高 合 金 化 的 型 钛 合 金 ,具 有 高 强 度 、 高 韧 性 、 高 塑 性 、 淬透性和焊接性好 等 优 点 ,是 退 火状态下强度 最 高 的 钛 合 金 , 特 别 适 合 制 造 飞 机 机 身 和 起 落 架 上 的 大 型 承 力 结 构 件 , 在 减 轻 结 构 质 量 、 改 善 结 构 可 靠 性 、 满 足 高 温 高 载 要 求 等 方 面 发 挥了其他金属 难以比拟的作用 。 锻 造 成 形是飞机 主 承 力钛合金构件的主要成形方式 ,型 钛 合 金 准 锻 造 的 工 艺 路 线 是 坯 料 在 相 变 点以 下 预 热 , 然后随炉升温至 上短 时 加 热 后 变 形 , 同 时 合 金 的 热 变形 终 锻 温 度 不 能 低 于 , 锻造温度区间窄 , 严格 控 制 好 锻 造 过 程 中 的 变 形 温 度 ,才 能 确 保 两相 钛 合 金 具 有 良 好 的 综 合 力 学 性 能。近 年 来 , 在研 究 钛 合 金 热 变 形 方 面 , 许 多 学 者 对 合 金 热 变 形 行 为 的 研 究 较 为 广 泛 。 如 等用 及 修 正 的 方 程 描 述 钛 合金高温流变应力 ; 李 渭 清 等 研 究 了 不 同 镦 粗 变 形 工 艺 对 钛 合 金 棒 材 的 显 微 组织和力学性 能 的影响规 律 , 研 究 结 果 表 明 , 钛 合 金 棒 材 首 先 在 单 相 区 加 热 并 施 加 大 变收 稿 日 期 :; 修 订 日 期 :基 金 项 目 : 国家重大专项资助项目 ()作 者 简 介 : 黃 湘 龙 (), 男 , 硕 士 研 究 生电 子 信 箱 :锻 造锻压技术第 卷形 量 锻 造 ,而 后 在 () 两 相 区 加 热 并 以 适 当 变形 量 锻 造 ,可 获 得 强 度 、 塑性和韧性等综合性能的 良 好 匹 配 ;王 晓 燕 等研 究 了 钛 合 金 在 恒 应 变 速 率 下 、大变形等温锻造时 ,温 度 变 化 对 合 金 组 织 和 性 能 的 影 响 。有 限 元 法 辅 助 锻 压 工 艺 设 计是目前先进的工艺 设 计 方 法 ,研 究材料在模腔 内 的 流 动 状 况 、 锻 件 的 温 度 分 布 、应 力应变和成形 载 荷 , 进而对工艺参数 进 行 优 化 ,对 提 高 产 品 质 量 、 降低生产成本具有指 导 意 义 。 本 文 以 钛 合金模锻件为 研 究 对 象 ,在 型 热 模拟试验机上进行了 材 料 的 热 模 拟 压 缩 试 验 , 建 立 了 材 料 流 变 应 力 模 型 ; 借 助 有 限 元 仿 真 技 术 ,针 对 锤 锻 和 液 压机模锻两种成形方 式 的 数 值 模 拟 试验进行了对 比 分 析 , 为 生 产 实 践 提 供 合 理 的 工 艺 方 案 。试 样 温 度 均 匀 , 然后进行压缩变形 , 试 样 变 形 后 空冷 到 室 温 。流 变 应 力 模 型根 据 热 模 拟 压 缩 试 验 得 到 钛 合 金 的 压 力 、 位 移 、温 度 、时间等试验数据 , 不同应变速率和不 同 温 度 下 的 应 力 应 变 曲 线 如 图 所 示 。流变应力模型建立 流 变 应 力 是 影 响 材 料 成 形 的 重 要 因 素 , 不 仅 受 材 料 特 性 的 影 响 , 而 且 取 决 于变形工艺参数 。 在 变 形 方 式 确 定 的 情 况 下 , 变 形温度和应变速率是材料 成 形 过 程 最 主 要 的 工 艺 参 数, 本文通过热模拟 实 验 方 式 获 得 钛 合 金 材 料 流 变 特 性 , 采 用 线 性 回 归 方 法 建 立 材 料 的 流 变 应 力 模 型 。试 验 方 法试 样 材 料 为 国 内 新 型 的 钛合金铸锭棒料 ,除 了 钛 基 ,其 它 元 素 化 学 成 分如 表 所 示 。表 钛合金的其它元素化学成分 ( , 质 量 分 数 )图 合 金 真 应 力 真 应 变 曲 线()() ( ,)在 高 温 塑 性 变 形 条 件 下 , 钛 合 金 的 流 变应 力 和 应 变 速 率 之 间 的 关 系 可 用 和 提 出 的 包 含 变 形 激 活 能 和 温 度 的 双 曲 正 弦 形 式 :其 他 杂 质 在 型 热 模 拟 压 缩 试 验 机 上 进 行 材料 等 温 恒 应 变 速 率 热 压 缩 试 验 , 压 缩 试 样 为 的 圆 柱 体 , 试 样 两 端 车 出 直 径 为 、深 的 凹 槽 。 为 减少端面摩擦对变形抗力的 影 响 ,避 免 产 生 严 重 鼓 形 , 压 缩前圆柱试样两端的 ()()()式 中 : 为 常 数 ; 为 变 形 激 活 能 ; 为 气 体 常 数 ;为 应 变 速 率 ; 为 绝 对 温 度 ; 为 与 温 度 无 关 的 常 数 。结 合 热 压 缩 试 验 得 到 的 数 据 绘 制 出和 曲 线 ,利 用 软 件 , 通 过 线 性 回 归 的 方 法 得 到 其 直 线 斜 率 的 平 均 值 , 从 而 求 出 。根 据 得 到 的 值 ,绘 制 ()曲 线 ,通 过 线 性 回 归 求 出 直 线 斜 率 平 均 值 。然 后 绘 制 () 曲 线 , 在 相 同 应 变 速 率 条 件 下 , 流变应力的双曲正弦的对数项和 凹 槽 内 填 充 润 滑 剂(石 墨 机 油 硝 酸三 甲 苯 酯);为 避 免 试 样 在 高 温 下 被 氧 化 ,在 氩 气 保护 气 氛 下 进 行 试 验 。 由 于 合 金 的 热 变 形 终 锻 温 度 不 能 低 于 , 试 验 选 取 变 形 温 度 为 , 和 ; 变 形 速 率 为, , 和 ; 变 形 程 度 为。系 统 升 温 时 间 ,保 温 以 保 证 整 个第 期黃 湘 龙 等 :钛合金模锻件锻造成形工艺仿真 温 度 的 倒 数 之 间 满 足 线 性 关 系 , 表 明 钛 合 金变 形 时 流 变 应 力 和 温 度 之 间 满 足 和 提 出 的 包 含 变 形 激 活 能 和 温 度 的 双 曲 正 弦 形 式 ,进 行 线 性 回 归 分 析 , 变换后可以得到激 活 能 ( )。 再 根 据 表 锻造仿真方案参数设置 工 艺 参 数数 值坯 料 温 度模 具 温 度() 关 系 ,将、 及 值 代 入 公 式() 式 , 对能 量 ; 打 击 效 率; 上 模 具 质量 ; 下 模 具 质 量 ; 两 锤 间隔 时 间 为 最 大 压 力 , 下 压 速 率 为 锤 锻 中 ( ), 锤 锻 间 隔 中 间 ( )其 进 行 线 性 回 归 ,得 到 。对 击 锤 参 数将所求得的材料常数代入公式()中,即可求得液 压 机 参 数适用于 钛合金所有应力状态的流变应力模型: ()热 交 换 系 数 (模 具 )()()热 交 换 系 数 (空 气 )( ) 热 摩 擦 系 数模锻件成形工艺仿真 有 限 元 仿 真 基 本 参 数本 文 利 用 有 限 元 仿 真 软 件 进 行 模 拟种 锻 造 成 形 方 式 对 锻 件 温 度 、 应力和应变场的影响 规 律 ,优 化 锻 件 成 形 工 艺 。温 度 场 比 较计 算 ,在 液 压 机 模 锻 和 锤 锻 两 种 工 艺 条 件 下 , 为 了获 得 航 空 支 柱 模 锻件在 锻 造 成形过程中的 温 度 场 、 应 变 场 、 应 变速率场以及应 力 场和 载 荷 的 变 化 规 律 , 采 用 了刚塑性有限 元法进行热力 学 耦合 。 在 有 限 元 计 算 过 程 中 , 考 虑 了 坯 料 与 空 气 间 的 辐 射 及 热 传 导 、 模 具 与 坯 料 间 的 热 传 导 、 同 时 还 考 虑了 塑 性 变 形 热 、 摩 擦 热 的 影 响 。 图 为 航 空 支 柱 模 锻 件 三 维 模 型 。从 图 可 以 看 到 : 液 压机模锻锻件 主 要温度范 围 是 ,锤 锻 锻 件 主 要 温 度 范 围 是 ,两 种 方 式 的 主 要 温 度 均 在 锻 造 温 度 区 间 范 围 内 。锤 锻 锻 件 的 最 高 温 度 为 , 比 液 压 机 模锻 锻 件 的 最 高 温 度 升 高 左 右 , 表 明钛 合 金锤锻变形时过热倾 向 更 加 明 显 。 高 速 锤 锻 使 得 锻 件 内部金属流动速度过快 , 由 于 变 形 热效 应 导 致 局 部 温 度 升 高 , 钛合金导热系 数 很 小 , 热 量 难 以 迅 速 扩 散 , 从而造成局部过热 , 可 能 会 导 致图 模锻件三维模型 锻 造 工 艺 仿 真 坯 料 材 料 为 钛 合 金 , 密 度为 ,泊 松 比 为 ,杨 氏 弹 性 模 量 为, 辐 射 率 为 , 材 料 的 体 积 比 热 容 为 ;模 具 材 料 为 ,热 导 率 为 (), 在 锻 造 成 形 模 拟 中 , 不 考 虑 模 具 的 变 形 , 模 具 材 料 属 性 设 为 刚 体 。 利 用 软 件 自 动 划 分 网 格 功 能 对 坯 料 进 行 网 格 划 分 ,坯 料 网 格 数 为 , 在 计 算 过 程 中 随 时 根 据 网 格 畸 变 情 况 进 行 重 划 分 , 以保证计算的精度和 收 敛 性 。分 别 对 锻 件 在 不 同 工 艺参数下的成形进行 仿 真 分 析 ,表 为模拟仿 真的详细参数设置 。图 温 度 场 比 较() 液压机模锻温度场 () 锤 锻 温 度 场 ()()仿 真 结 果 分 析本 文 对 钛 合 金 模 锻 件进行了锤锻和液压 机 模 锻 两 种 不 同 成 形 方 式 的 仿 真 分 析 ,研 究 比 较 两锻压技术第 卷出 现 粗 大 晶 粒 的 过 热 组 织 , 使得变形组织不均匀 ,锻 件 的 力 学 性 能低且一致性差 。 必须严格控制锻造 变 形 均 匀 性 比 较变 形 均 匀 性 与 锻 件 的 力 学 性 能 密 切 相 关 , 锻件 成 形 过 程 的 有效应变场可以反映锻件变 形 的 均 匀 性 。从 图 和 表 可 以 看 到 : 液 压 机 模 锻 锻 件 的 有 效 应 变 主 要 分 布 在 范 围 之 间 ;锤 锻 锻 件 的 有效 应 变 主 要 分 布 在 范 围 之 间 ;锤 锻 锻 件 的 最 小有 效 应 变 比 液 压 机 模 锻 提 高 将 近 , 锤 锻 锻 件 最 大 和 最 小 有 效 应 变 的差值比液压 机 模 锻 减 小 ,同 时 锤锻锻件的平均有效应变比液 压 机 模 锻 大,表 明 由 于 锤锻锻件整体温度比液压机模锻 高 ,锻 件 难 变 形 处 的 流 动 性 增 强 ,相 比 液 压 机 模 锻 , 变 形 均 匀 性 得 到 改 善 。过 程 中 的 温 升 情 况 , 要严 格控制变形温度 终 锻 温 度),避 免 锻 件 局 部 出 现 “过 烧”。(特 别 是应 力 场 比 较从 图 和 表 可 以 看 到 : 液 压 机 模 锻 锻 件 有 效应 力 值 主 要 分 布 在 之 间 ; 锤 锻 锻 件 有 效 应 力 值 主 要 分 布 在 之 间 ; 而 且 锤 锻 锻件 的 平 均 有 效 应 力 值 比 液 压 机 模 锻 大 左 右 ,说 明 锤 锻 金 属 变 形 比 较 困 难 , 同时锤锻锻件的最大 有 效 应力值 和 最小有效应 力值都比液压机模锻要大 , 有 效 应 力 分 布 很 不 均 匀 , 在筋板一些部位有效应力 值 接 近 , 比液压机模 锻的有效应力 增 加 近 两 倍 ,存 在 严 重 的 应 力 集 中 , 降 低 锻 件 的 质 量 ; 而液 压 机 模 锻 锻 件的有效应力 值变化较为平缓 , 在 一 些 难 成 形 的 拐 角 、 筋 等 处 应 力 也基本一致或者稍微 有 所 增 加 ,没 有 出 现 应 力 集 中 区 域 。图 有效应变场比较 () 液压机模锻有效应变场() 锤锻有效应变场 ()()图 有效应力场比较 () 液压机模锻有效应力场() 锤锻有效应力场 ()()表 有 效 应 变 对 比成 形 方 式液 压 机 模 锻锤 锻表 有 效 应 力 对 比()最 大 有 效 应 变最 小 有 效 应 变 平 均 有 效 应 变 ()成 形 方 式液 压 机 模 锻锤 锻最 大 有 效 应 力最 小 有 效 应 力 平 均 有 效 应 力结 论() 通 过 等 温 恒 应 变速率热压缩 试 验确定了 第 期黃 湘 龙 等 :钛合金模锻件锻造成形工艺仿真 赵 建 国 合 金 的 热 变形行为及其组织演变 大连 : 大 连 理 工 大 学 ,李 兴 无 , 沙 爱 学 , 张 旺 峰 , 等 合金及其在飞机结构 中 的 应 用 前 景 钛 工 业 进 展 , ():彭 艳 萍 , 曾 凡 昌 , 王 俊 杰 , 等 国 外 航 空 钛 合 金 的 发 展 应 用 及 其 特 点 分 析 材 料 工 程 , (): , , , ():李 渭 清 , 冯 永 琦 , 王 鼎 春 , 等 镦 粗 变 形 工 艺 对 组 织 和 性 能 的 影 响 钛 工 业 进 展 , ():王 晓 燕 , 郭 鸿 镇 , 袁 士 翀 , 等 等温锻造温度对 钛 合 金组织性能的影响 锻 压 技 术 , (): 赵 为 纲 , 李 鑫 , 鲁 世 强 , 等 钛合金高温变形本构关 系 研 究 塑 性 工 程 学 报 , ():纪 仁 峰 , 闵 新 华 , 胡 弘 剑 , 等 钛合金高温塑性变形 流 变应力变形行为研究 稀 有 金 属 与 硬 质 金 ,():易 幼 平 , 杨 积 慧 , 蔺 永 诚 铝合金热压缩变形的 流 变 应 力 本 构 方 程 材 料 工 程 ,():李 红 恩 , 沙 爱 学 钛 合金热压参数对流动应力与显微 组 织 的 影 响 材 料 工 程 ,():黄 伯 云 ,李 成 功 , 石 力 开 , 等 中国材料工程大 典 : 第 卷钛合金 双 曲 正弦形式 的流变应力模型为 : ()()() 锤 锻 锻件的最高 温度比液压机模锻高 左 右 ,表 明 钛 合 金锤锻变形时过热倾向更加 明 显 ,因 此 ,锻 造 工 艺 参 数 和 工艺过程的温度控制 也 应 更 加 严 格 。() 相 比 液 压 机 模 锻 , 锤 锻 成 形 方 式 锻 件 的 有 效 应 力 分 布 很 不 均 匀 , 存 在严重的应力集中区域 ; 锤 锻 的 变 形 均 匀 性 得 到 改 善 。参 考 文 献 :刘 惠 芳 , 魏 寿 庸 , 刘 家 峰 , 等 钛合金组织对力学性 能 的 影 响 第十二届中国有色金属学会材料科学与 合 金加工学术研讨会文集 北 京 : , ,(): ,(): , ,():有 色 金 属 材 料 工 程 (上 ) 北 京 : 化学工业出版社 ,欢迎订阅 金属热处理杂志由北京机电研究所 、 中国机械工程学会热处理学会和中 国热处理行业协会合办的 金 属 热 处 理 杂 志 长期以来坚持正确 的 办 刊 方 针 , 努 力 面 向 市 场 , 服 务 行 业 , 依 法 办 刊 , 规 范 编 辑 , 创 造 精 品 , 及 时 大 量 报道了材料热处理行业的新材料 、 新 工 艺 、 新技术和新设备 ; 同时跟踪国际热处理行业新动向 , 积 极参与重大的热处理行业活动 , 报 道行业技术发展热点 , 为 促 进 我国材料

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论