大型圆筒形锻件高温锻造过程数值模拟

chinarjg

大锻件是大型成套设备中的关键核心构件，其尺寸大、质量要求高、生产工艺过程复杂，成本高昂。大型圆筒形锻件是大型锻件中具有代表性的技术性密集产品，件大、体重、质量要求高、冶金缺陷多、制造周期长、生产难度大。本文以核电用大型压力容器筒体锻件为研究对象，运用先进的有限元数值模拟技术，开展大型圆筒形锻件高温锻造过程工艺数值模拟，找出影响大型锻件质量的主要因素，对于丰富和发展大型圆筒形锻件的高温锻造工艺理论与技术，提高大型圆筒形锻件锻造工艺设计科学化、自动化水平，确保大型圆筒形锻件的质量具有重要的意义。 芯轴扩孔工艺是大型圆筒形锻件高温锻造的主要工序，决定着大型圆筒形锻件的质量。本文在锻造新工艺理论与技术的指导下，结合热塑性成形过程中传热理论，应用刚粘塑性有限元方法研究了芯轴扩孔工序，分析了不同单砧压下量和芯轴转动角度下圆筒形锻件的应变、温度、轴向位移和成形力等的分布状态。芯轴扩孔的变形体内主要是径向变形，同时还存在小量的轴向变形。单砧压下量主要决定圆筒形锻件的变形大小和锻件内的温度分布，芯轴转动角度则主要决定锻件的尺寸形状。本文的研究结果为正确制定芯轴扩孔工艺提供了理论依据，弄清了大型圆筒形锻件高温锻造过程中内部应力、温度、成形力的分布情况以及金属流动规律。 应用发展的锻造工艺理论和技术，结合数值模拟研究结果，以系统的观点重新认识和评价了现有大型圆筒形锻件的芯轴扩孔锻造工艺，建立了对锻造过程中单砧压下量和芯轴转动角度之间相互关系的几何模型，揭示了锻件的变形规律。单砧压下量越大，变形量就越大；锻件表面尺寸精度随着芯轴转动角度的增大先上升后下降，芯轴的转动角度在30°- 40°间锻造效果比较好，不宜大于50°；芯轴转动角度系数 取0.3 - 0.4时，模拟结果显示圆筒形锻件的圆度满足要求，壁厚均匀，尺寸精度较高；凹面砧比平面砧的锻造质量要高；锻造终锻温度以锻件表面与芯轴接触区的最低温度来确定；多道次锻造时各道次间需要减小芯轴转动角度以实现变形均匀过渡。 本文的模拟综合应用了锻造工艺理论和有限元数值模拟技术，使得模拟的结果具有先进性和实用性，适用于核电用压力容器等大型圆筒形锻件的锻造工艺，可以直接用于指导该类大型圆筒形锻件的生产，为生产企业服务。 本文的研究为全面提高大型圆筒形锻件锻造工艺设计水平和实现大型圆筒形锻件机械化生产具有十分重要的意义。