TC4斜轧穿孔曼内斯曼效应机理研究

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曼内斯曼效应是指在斜轧穿孔时,由于坯料在反复旋转压缩过程中在轴对称方向受到横向挤压力,导致心部由拉应力诱发形成疏松和孔腔的现象。合理利用曼内斯曼效应可减少顶头穿孔阻力,提高顶头寿命,减小管坯温升,获得理想的性能与组织。目前对曼内斯曼效应的研究大多关于碳钢连铸坯,对于TC4合金曼内斯曼效应的研究较少,本文采用试验及有限元模拟结合的方法对TC4合金锥形辊斜轧穿孔曼内斯曼效应进行研究,主要研究内容及结论如下:进行锻态TC4合金、45钢旋转横锻试验及轧卡试验,虽可观察到心部曼内斯曼效应拉应力的作用效果,但未见明显裂纹及孔腔的产生。坯料心部受两向拉应力作用,45钢沿轴向拉应力更大,TC4合金沿切向拉应力更大。建立锥形辊斜轧穿孔有限元模型,分析不同辊型及材料的曼内斯曼效应变化规律。锥形辊斜轧时的曼内斯曼效应更为强烈,管坯心部最大主应力为桶形辊的1.03倍,拉应力分布区域较大;TC4合金为45钢的1.25倍,最大主应力峰值均出现在顶前压下率约为7.5%处。探讨了送进角、直径压下率、辗轧角、轧辊转速对TC4合金曼内斯曼效应的影响。随着它们的增加,最大主应力均呈现先增加后减小的趋势。分别从变形均匀性和温度控制两方面对工艺参数进行优化分析。确定最优工艺参数为:送进角12°,直径压下率12%,辗轧角15°,轧辊转速70 rpm。利用最优工艺参数模拟分析顶前压下率对曼内斯曼效应的影响。当顶前压下率为7.2%时,曼内斯曼效应最为强烈,应变分布均匀,温度合理,顶头阻力较小。利用最优工艺参数在Φ60 mm锥形辊斜轧穿孔机上进行了不同长度TC4合金锥形辊斜轧穿孔试验,穿孔过程顺利,毛管内外表面质量较好,未见裂纹、孔腔等缺陷,显微组织均为理想的双态组织,顶头磨损较小,可实现重复使用。本文的研究内容弥补了TC4合金斜轧穿孔曼内斯曼效应机理研究的空白,为钛合金厚壁管斜轧穿孔提供理论依据和技术支持,对于实际生产有重要指导意义。
摘要第3-5页
abstract第5-6页
1.绪论第10-22页
    1.1 TC4合金概述第10-13页
        1.1.1 TC4合金的热加工工艺第10-11页
        1.1.2 TC4合金的组织与性能第11-12页
        1.1.3 TC4合金的应用第12-13页
    1.2 TC4合金空心坯制备方法第13-15页
        1.2.1 挤压法第13-14页
        1.2.2 推轧法第14页
        1.2.3 机械加工法第14页
        1.2.4 斜轧穿孔法第14-15页
    1.3 斜轧穿孔过程中的曼内斯曼效应第15-17页
        1.3.1 曼内斯曼效应概述第15-16页
        1.3.2 曼内斯曼效应研究现状第16-17页
    1.4 钛合金斜轧穿孔工艺研究现状第17-20页
    1.5 本文研究背景及意义第20页
    1.6 本文主要研究内容第20-22页
2.有限元基本理论第22-30页
    2.1 有限元基本理论第22页
    2.2 刚塑性有限元理论第22-26页
        2.2.1 刚塑性有限元概述第22-23页
        2.2.2 刚塑性材料基本假设第23页
        2.2.3 刚塑性有限元基本方程第23-24页
        2.2.4 刚塑性有限元求解方法第24-26页
    2.3 有限元软件的关键技术第26-27页
        2.3.1 接触边界条件第26页
        2.3.2 网格划分技术第26页
        2.3.3 摩擦模型第26-27页
    2.4 有限元模拟在斜轧穿孔中的应用第27页
    2.5 Simufact有限元软件介绍第27-28页
    2.6 本章小结第28-30页
3.TC4曼内斯曼效应形变机理第30-40页
    3.1 试验设备及方法第30-35页
        3.1.1 TC4合金相变点的测定第30-31页
        3.1.2 试验设备第31-33页
        3.1.3 旋转横锻试验目的及过程第33-34页
        3.1.4 轧卡试验目的及过程第34-35页
    3.2 曼内斯曼效应分析第35-38页
        3.2.1 旋转横锻试验曼内斯曼效应分析第36-37页
        3.2.2 轧卡试验曼内斯曼效应分析第37-38页
    3.3 本章小结第38-40页
4.曼内斯曼效应的有限元模拟研究第40-60页
    4.1 斜轧穿孔有限元模型的建立第40-43页
        4.1.1 几何模型建立第40-41页
        4.1.2 材料模型及边界条件第41页
        4.1.3 有限元模型的可靠性第41-43页
    4.2 辊型对曼内斯曼效应的影响第43-44页
    4.3 TC4合金与45钢曼内斯曼效应对比分析第44-45页
    4.4 工艺参数对曼内斯曼效应的影响第45-55页
        4.4.1 送进角对曼内斯曼效应的影响第45-47页
        4.4.2 直径压下率对曼内斯曼效应的影响第47-50页
        4.4.3 辗轧角对曼内斯曼效应的影响第50-52页
        4.4.4 轧辊转速对曼内斯曼效应的影响第52-54页
        4.4.5 工艺参数的确定第54-55页
    4.5 顶前压下率优化分析第55-58页
        4.5.1 顶前压下率对曼内斯曼效应的影响第55-56页
        4.5.2 变形均匀性分析第56页
        4.5.3 温度场分析第56-57页
        4.5.4 顶头阻力分析第57-58页
    4.6 本章小结第58-60页
5.TC4合金厚壁管穿孔试验研究第60-68页
    5.1 TC4合金厚壁管穿孔试验第60-62页
        5.1.1 试验参数第60页
        5.1.2 试验设备第60-61页
        5.1.3 TC4合金厚壁管穿孔试验过程第61-62页
    5.2 毛管质量分析第62-64页
        5.2.1 质量分析第62-63页
        5.2.2 组织形貌分析第63-64页
    5.3 加长尺寸TC4合金厚壁管质量分析第64-66页
    5.4 本章小结第66-68页
6.结论与展望第68-70页
    6.1 结论第68-69页
    6.2 展望第69-70页
参考文献第70-76页
附录 硕士研究生学习阶段发表论文第76-78页
致谢第78页
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