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锻造过程中变形均匀性控制及模具优化设计

材料科学与工艺 1999年第S1期7卷 237-240页

作者：赵新海马新武郑毅赵国群山东工业大学模具工程技术研究中心山东济南250061

以直接设计预成形模具形状为目标 ,提出并建立了一种控制变形均匀性的灵敏度分析理论和模具形状优化设计方法 .以任意单元的等效应变与所有单元的平均等效应变的差值的平方和作为目标函数 ,B样条曲线表示模具形状 ,B样条曲线控制点坐标... 详细信息

以直接设计预成形模具形状为目标 ,提出并建立了一种控制变形均匀性的灵敏度分析理论和模具形状优化设计方法 .以任意单元的等效应变与所有单元的平均等效应变的差值的平方和作为目标函数 ,B样条曲线表示模具形状 ,B样条曲线控制点坐标作为优化设计变量 ,优化设计的目标就是通过设计预成形模具形状使目标函数最小 ,即使整个工件的变形尽可能均匀 .给出了目标函数的表达形式 ,详细推导了目标函数、单元等效应变率和单元各应变率分量对优化设计变量的灵敏度 .并对圆柱体平面镦粗工艺进行预成形优化设计 ,给出了相应的优化设计结果 .

关键词：锻造预成形设计灵敏度分析变形均匀性

面向变形均匀性的回转体锻件坯料自适应优化平台开发

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面向变形均匀性的回转体锻件坯料自适应优化平台开发

作者：杜康康重庆大学

学位级别：硕士

回转(或轴对称)结构件在航空航天、燃气轮机、水电等大型装备上有着广泛应用。例如,作为飞机心脏的航空发动机内部就有机匣、涡轮盘、风扇盘、气压盘等多个回转构件。此类构件服役时长期处在高温、高压和交变载荷的复杂工况下,对组织均... 详细信息

回转(或轴对称)结构件在航空航天、燃气轮机、水电等大型装备上有着广泛应用。例如,作为飞机心脏的航空发动机内部就有机匣、涡轮盘、风扇盘、气压盘等多个回转构件。此类构件服役时长期处在高温、高压和交变载荷的复杂工况下,对组织均匀性及机械性能等方面要求极高。整体模锻是目前这类构件的主要成形方式,而合理设计荒坯与预成形坯料的形状与尺寸是获得高质量锻件的重要保障。但目前生产实践中采用的“试错”法,很难高效、可靠地获得优化的成形尺寸参数。因此,针对回转锻件的变形均匀性问题建立坯料几何尺寸的快速优化途径,具有重要的理论与工程价值。本文首先总结了现有模锻工艺优化方法的优缺点。针对材料力学性能测试与有限元应用的衔接需求,研究了材料卡片的生成器开发;针对当前商用CAD/CAE软件不能自动实现联合反馈优化,导致工艺设计阶段重复、低效的试错操作问题,基于Deform和UG后台模式并采用Python语言,构建了以遗传算法为内核的黑盒子优化模型,开发了针对回转体锻件变形均匀性的自适应联合优化平台。主要工作和成果包括:(1)针对目前从材料力学性能测试数据的处理到有限元分析应用,大多依赖人工手动操作的问题,基于Numpy/Pandas开发了与有限元应用直接衔接的材料卡片生成器,提高了数值模拟的效率和准确性。(2)以遗传算法为内核控制,期望应变范围单元数占总单元数的比例为适应度函数,构建了变形量与待优化参数之间的隐式模型关系,通过选择、交叉、变异等机制自适应迭代,得到坯料最佳参数组合;采用Python语言,通过UG后台模式和Deform文本模式,开发了针对变形均匀问题的模锻件坯料尺寸自适应优化软件平台。该平台可以在一定程度上解决模锻件坯料成形参数多、变化空间大,穷举试错法计算成本高且优化方向随意,而正交实验、响应面、人工神经网络等近似模型需要大量样本,预测结果容易陷入局部最优且近似模型无通用性等问题。(3)以某TC6低压盘锻件为案例,对荒坯、预锻坯进行了尺寸参数的自适应优化。对该低压盘优化方案进行的生产试制结果表明,锻件力学性能、理化检验、超声波探测结果均符合标准要求,证明该优化是有效的。

关键词：模锻变形均匀性数值模拟自适应优化遗传算法

航空发动机回转类锻件充填性与变形均匀性优化控制

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航空发动机回转类锻件充填性与变形均匀性优化控制

作者：郭涛重庆大学

学位级别：硕士

随着现代航空技术的快速发展,航空发动机回转类锻件的结构变得更加复杂,采用传统的经验法与试错法对其成形工艺方案进行设计难以保证锻件的充填性和变形均匀性,常出现局部折叠、充填不满以及粗晶与混晶等缺陷。为此论文首先设计一种适... 详细信息

随着现代航空技术的快速发展,航空发动机回转类锻件的结构变得更加复杂,采用传统的经验法与试错法对其成形工艺方案进行设计难以保证锻件的充填性和变形均匀性,常出现局部折叠、充填不满以及粗晶与混晶等缺陷。为此论文首先设计一种适用于大高径比棒料镦粗的模具,以确保航空发动机回转类锻件坯料性能的稳定性。然后结合预锻件基本形状的设计与成形工艺参数的优化,以及锻件变形均匀性预测模型的建立,制定充填性与变形均匀性的优化策略。论文结合数值模拟和实际生产试制对以下几个方面开展了研究:首先,设计一种能控制大高径比棒料镦粗失稳的带浮动平砧模具。针对航空发动机锻件制坯失稳的问题,设计一种带浮动平砧的模具结构,并通过数值模拟对其成形规律进行探究。结果表明,圆筒加热至400℃,减小摩擦系数至0.5以内,上下模速度比控制在1.5,该模具能有效控制多个规格大高径比棒料的失稳。其次,以锻件难充填部位等效应变值为充填性评价指标,制定了航空发动机回转类锻件充填性优化策略。首先分析圆盘类、轴颈类与锥壁类锻件的结构特征与成形难点,总结两种预锻件基本形状设计方法的特点与适用性,再以锻件难充填部位等效应变值为充填性评价指标,结合DEFORM DOE模块优化成形工艺参数,制定了航空发动机回转类锻件充填性的优化策略。再者,基于智能算法建立变形均匀性预测模型,制定了航空发动机回转类锻件变形均匀性优化策略。以预锻件关键几何参数为设计变量,编写程序从模拟文件中自动提取变形均匀性评价指标作为输出目标,结合遗传算法与支持向量回归机建立变形均匀性预测模型,制定了航空发动机回转类锻件变形均匀性的优化策略。最后,以实际生产试制验证充填性与变形均匀性优化策略的有效性。以低压涡轮转子支撑锥壁为例,首先分析原始方案充填不满,变形不充分的原因,对预锻件基本形状进行修改,再采用DOE模块优化成形工艺参数,最后建立锻件变形均匀性预测模型。对比原始方案与优化方案的试制结果与理化检测结果表明,所提出的优化策略能有效改善锻件的充填性和变形均匀性。

关键词：回转类锻件失稳充填性变形均匀性

医用高纯镁变形均匀性分析及其对耐蚀性的影响研究

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医用高纯镁变形均匀性分析及其对耐蚀性的影响研究

作者：王雪西华大学

学位级别：硕士

镁及其合金因具有良好的生物相容性及生物可降解性,成为目前生物医用材料领域的研究热点。随着研究的深入,许多学者发现镁及其合金的腐蚀速率过快,大于了组织的修复速度,控制镁及其合金的降解速率是镁作为生物医用材料目前急需解决的问... 详细信息

镁及其合金因具有良好的生物相容性及生物可降解性,成为目前生物医用材料领域的研究热点。随着研究的深入,许多学者发现镁及其合金的腐蚀速率过快,大于了组织的修复速度,控制镁及其合金的降解速率是镁作为生物医用材料目前急需解决的问题。塑性变形因可以改善材料的力学性能成为了近年来的研究热点,随着研究的深入,有学者发现,塑性变形可以提高材料的耐蚀性,变形均匀性与耐腐蚀性能有着密切的关系。这意味着可以利用塑性变形在改善材料力学性能的同时,通过控制变形均匀性来控制材料的耐腐蚀性能。本文旨在通过挤压变形,在改善镁的力学性能的同时,研究挤压变形的均匀性及其对镁生物耐腐蚀性能的影响,这对镁作为生物医用材料有着重大的现实意义。本文以99.95%的高纯镁为研究对象,借助数值模拟技术,采用大型商用软件DEFORM对反挤压过程进行有限元分析,分析挤压比和挤压温度对变形均匀性的影响,并对试样进行Hank’s溶液浸泡实验,通过PH值、失重分析、SEM和EDS结果,分析反挤压试样在模拟体液中的耐腐蚀性能,确定耐腐蚀性能与变形均匀性的关系。在此基础上,本文深入研究大塑性变形等径转角挤压(ECAP)过程中,挤压道次、挤压路径、挤压温度、挤压速度、摩擦系数对变形均匀性的影响,并对反挤压和ECAP变形均匀性进行了对比分析。(1)通过对比分析有限元和实际挤压过程中的行程-载荷曲线,表明本文所建立的有限元分析模型有效,与实际实验结果吻合度高。(2)通过对反挤压过程进行有限元分析,得出结论:反挤压过程中,挤压比越小,变形均匀性越好;在挤压比相同时,在温度300℃时,可以得到最好的变形均匀性。(3)通过模拟体液Hank’s溶液浸泡实验,得出五种方案的腐蚀速率:ER50(300℃)>ER30(350℃)>ER30(250℃)>ER30(300℃)>ER10(300℃)。由此可知,挤压比越小耐腐蚀性能越好,在挤压比相同的情况下,纯镁在300℃时的耐腐蚀性能相对较好。(4)通过对变形均匀性和耐腐蚀性能的结果分析表明:变形均匀性与耐腐蚀性能有直接的关系,变形均匀性越好,耐腐蚀性能越好。(5)通过对ECAP进行有限元分析,可知:在四道次之前,增加挤压道次,可以增加变形均匀性,挤压在四道次以后,增加挤压道次,对变形均匀性的影响不大。(6)通过对挤压路径、挤压温度、挤压速度、摩擦系数进行正交实验有限元分析,结果表明:挤压路径对变形均匀性的影响最大;四种挤压路径中,BC路径的变形均匀性最好;摩擦系数越小,变形均匀性越好;在300℃进行挤压可以得到相对较好的变形均匀性。(7)通过对比反挤压和等径转角挤压变形均匀性系数值的大小,可知等径转角的变形均匀性比反挤压更好。

关键词：生物医用材料高纯镁挤压变形 ECAP 变形均匀性耐蚀性

TC21钛合金航空模锻件准β锻造表层组织分析及变形均匀性研究

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TC21钛合金航空模锻件准β锻造表层组织分析及变形均匀性研究

作者：张谦重庆大学

学位级别：硕士

TC21钛合金是我国自主研发的一种新型的损伤容限型两相(α+β)钛合金,被广泛应用于飞行器上的各个重要结构上,随着我国的航空航天领域的发展,锻件向着精密化、高质量方向发展。TC21钛合金在锻造完成后,其表面常出现粗大组织,综合性能较... 详细信息

TC21钛合金是我国自主研发的一种新型的损伤容限型两相(α+β)钛合金,被广泛应用于飞行器上的各个重要结构上,随着我国的航空航天领域的发展,锻件向着精密化、高质量方向发展。TC21钛合金在锻造完成后,其表面常出现粗大组织,综合性能较差的贴模层,必须通过机械加工去除掉,如何减少这种性能不合格的表层组织的厚度,实现钛合金精密化成形,是本文的研究问题之一。其二,为了获得强韧性的网篮组织,TC21钛合金一般使用准β锻工艺成形,而准β锻最关键的是变形均匀,且变形量要在合理区间,期望变形量区间及如何实现变形均匀性是本文要研究的问题之二。本文的主要研究内容及结果如下:(1)通过对不同工艺参数和不同锻件结构参数下的TC21钛合金锻件表层组织变化规律进行研究,将锻件表层组织定义为贴模层组织和近表层组织,贴模层组织为一层粗大颗粒组织,其组织厚度尺寸从大到小排列依次为:型腔区域、筋条区域、圆角区域;粗大颗粒组织形成的主要原因是锻件贴模层温降速度过大,其综合性能相较于细密组织更差。进一步分析了保压时间、润滑条件、包套工艺、模具温度对近表层组织的影响,最后,发现贴模层和近表层的大角度晶界含量都大于各自的小角度晶界的含量,贴模层大角度晶界的含量比近表层更多。(2)通过对TC21钛合金阶梯腹板试验件进行准β锻造试验,建立了TC21钛合金准β锻不同变形量与力学性能之间的关系:随着变形量的增大,TC21钛合金横、纵向抗拉、屈服强度都呈现先增大再减小趋势,在应变量区间15%～21%时最小;随着变形量的增加,纵向伸长率无明显变化规律,横向伸长率呈现逐渐增加的趋势,横向和纵向的伸长率都在10.5%以上;除了在变形量区间15%～21%之外,其它变形量区间纵向收缩率都要大于对应区间的横向收缩率,纵向和横向收缩率全部都大于13%;纵向冲击功随着变形量增加,先增加后减小,在变形量区间为21%～32%之间时,纵向冲击功达到最大值56.9 J/cm;断裂韧性随变形量的增加而降低。(3)以某TC21钛合金航空锻件为例,根据前述研究成果设定期望变形量区间为21%～32%,通过数值模拟,分析了工字形截面结构参数与工艺参数对其变形均匀性的影响规律,并以此设计了预锻件结构并优化了成形工艺参数,最后,采用所设计的预锻再终锻的工艺方案,期望应变区间的占比达到了55%,相较于直接终锻成形提升了20.5%,有效实现了锻件的变形均匀性和大范围期望变形量区间。(4)对该TC21钛合金航空锻件进行生产试制,使用预锻后终锻成形方案,锻件理化检测结果满足性能指标要求,组织为网篮组织;使用包套工艺能够减小表层粗大颗粒组织厚度;在该锻件腹板剖面上,表层粗大颗粒组织的厚度尺寸分布与结构的关系符合第二章得出的规律(型腔区域>筋条顶部区域>凹圆角区域)。

关键词： TC21钛合金准β锻表层组织成形工艺变形均匀性

氢热处理对钛合金激光焊接头超塑性变形均匀性的影响

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氢热处理对钛合金激光焊接头超塑性变形均匀性的影响

作者：江训焱南昌航空大学

学位级别：硕士

轻量化结构已成为现代航空领域的主要研究方向之一,目前使用扩散连接/超塑成形组合工艺在减轻结构重量方面运用较为广泛,但存在一些问题,而LBW/SPF技术有望代替SPF/DB技术解决相关的问题,研究发现钛合金激光焊接头在超塑性变形后都存在... 详细信息

轻量化结构已成为现代航空领域的主要研究方向之一,目前使用扩散连接/超塑成形组合工艺在减轻结构重量方面运用较为广泛,但存在一些问题,而LBW/SPF技术有望代替SPF/DB技术解决相关的问题,研究发现钛合金激光焊接头在超塑性变形后都存在严重的变形不均匀性现象,严重影响构件成形后的组织和力学性能,从而限制了LBW/SPF技术的实际运用。因此,本文通过对TC4钛合金激光焊接头进行氢热处理和高温变形试验,探索氢热处理对TC4钛合金激光焊接头超塑性变形均匀性的影响,研究结果表明:氢热处理能够提高接头的组织均匀性,随着氢含量和淬火温度的增加,接头焊缝与母材组织差距减小,全部转变为针状组织,接头组织均匀性增加,且氢热处理能够降低接头各区域的显微硬度差值,提高接头力学均匀性,接头显微硬度随着氢含量的增加和淬火温度的降低而降低。在氢含量0.16wt%时,淬火温度从T-40℃上升到T+40℃,接头母材与焊缝的显微硬度差值由22HV下降至12HV,达到最小值,接头组织均匀性增加。氢热处理能够提高钛合金激光焊接头超塑性变形性能,淬火温度的升高使得接头峰值流变应力增大,变形温度的升高和应变速率的降低促使峰值流变应力降低;接头峰值流变应力在5.38MPa2.24MPa之间变化,在氢含量为0.16wt%,淬火温度880℃,变形工艺920℃、10s的条件下达到最小值5.38MPa,接头延伸率在123.25%63.60%之间变化,且随着氢含量的增加,接头的延伸率先增大后降低,在氢含量0.05wt%,淬火温度900℃,变形工艺880℃、10s的条件下达到最大值563.60%。氢热处理能够调节接头组织结构,改善接头变形均匀性,不同氢含量的接头淬火后在两相区内变形,接头母材与焊缝组织都由针状组织转变为板条状组织,在接头变形过程中经挤压、断裂最后向等轴组织转变;在β单相区内变形时,母材与焊缝组织都转变为大晶粒β相,内部为针状组织,随淬火温度和变形温度的升高,接头组织中β相晶粒发生长大,针状组织的含量增加,接头整体组织均匀性增加。采用接头超塑性变形后焊缝与母材截面收缩率之比K来表征接头变形后的均匀性,随着氢含量的增加,接头变形均匀性先增大后减小,随着淬火温度越高,接头变形均匀性越大,因此在置氢量0.16wt%,960℃淬火,变形工艺920℃、10s的条件下达到最大值,此时接头变形均匀性系数K为0.989。

关键词：氢热处理超塑性组织均匀性变形均匀性

基于变形均匀性的锻造过程微观组织优化方法及其应用

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数字制造科学 2005年第2期 -页

作者：王广春赵国群赵新海马新武管婧李玲

在中国国家自然科学基金项目《锻造成形微观组织优化方法研究及应用》资助下，为提供一种控制锻造成形制品微观晶粒尺寸的理论方法和途径，开展基于变形均匀性的锻造过程微观组织优化研究。锻造生产除保证产品的基本形状要求外，更重... 详细信息

在中国国家自然科学基金项目《锻造成形微观组织优化方法研究及应用》资助下，为提供一种控制锻造成形制品微观晶粒尺寸的理论方法和途径，开展基于变形均匀性的锻造过程微观组织优化研究。锻造生产除保证产品的基本形状要求外，更重要的是通过材料的塑性变形提高产品的综合机械性能。因此，金属塑性成形过程微观组织模拟与优化研究具有应用价值。在描述金属在高温塑性变形中组织变化机制基础上，提出材料在热锻成形过程中动态再结晶、静态再结晶，以及晶粒长大等微观组织演变机理。金属塑性变形是以位错运动实现的。随着变形的进行，位错密度不断增加，高位错密度聚集的能量使材料处于不稳定状态。对于低层错能金属(碳钢)的热塑性变形，因其动态恢复缓慢而不能充分消除高密度层错能，动态恢复之后紧接着会出现动态再结晶现象。未能经过动态恢复和动态再结晶充分软化的金属停止变形后，其组织将发生静态再结晶。再结晶过程完成后的新组织是亚稳定的，为获得更稳定的组织，需要释放晶粒内部的潜能。因此，再结晶完成后，要发生进一步的晶粒长大来减少单位体积内的晶界面积。

关键词：锻造微观组织优化预成形变形均匀性微观遗传算法灵敏度分析方法数值模拟

变形工艺参数对钛合金框锻件等温成形变形均匀性的影响

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锻压装备与制造技术 2014年第1期49卷 66-68页

作者：陈蓬蔡军中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院陕西西安710089 西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

基于Deform 3D平台,对钛合金大型框锻件等温成形过程进行了数值模拟,分析研究了变形工艺参数(变形温度、变形速度及摩擦)对变形均匀性的影响。引入变形均匀性参数对变形均匀性进行分析,结果表明:变形工艺参数对TC4钛合金大型框锻件等温... 详细信息

基于Deform 3D平台,对钛合金大型框锻件等温成形过程进行了数值模拟,分析研究了变形工艺参数(变形温度、变形速度及摩擦)对变形均匀性的影响。引入变形均匀性参数对变形均匀性进行分析,结果表明:变形工艺参数对TC4钛合金大型框锻件等温成形过程具有显著影响,在锻件成形过程中应适当增加变形温度、降低加载速度和保持良好的润滑条件,以期提高坯料变形的均匀性。

关键词：等温锻造工艺参数变形均匀性钛合金框锻件影响

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滚珠旋压应变与变形均匀性的有限元分析

航天制造技术 2010年第3期 21-25页

作者：黄海青周文龙陈国清田辉大连理工大学材料科学与工程学院大连116085

基于有限元模拟软件***建立了GH4169滚珠旋压工艺的三维刚塑性有限元模型,建模过程中特别考虑了滚珠自转和滚动摩擦的作用,分析了不同变形区和不同阶段的应力应变分布规律。研究了减薄率、滚珠直径、进给比等工艺参数对等效应变和变形... 详细信息

基于有限元模拟软件***建立了GH4169滚珠旋压工艺的三维刚塑性有限元模型,建模过程中特别考虑了滚珠自转和滚动摩擦的作用,分析了不同变形区和不同阶段的应力应变分布规律。研究了减薄率、滚珠直径、进给比等工艺参数对等效应变和变形均匀性的影响。结果表明,滚珠旋压件内表面单元各向应变均比外表面小,并存在时间滞后,工件轴向和径向在分别产生拉应变和压应变之前都有一个相反的应变产生。滚珠旋压过程中等效应变随减薄率和进给比的增加而增大,随滚珠直径的增大而减小。当减薄率为25%～35%,进给比为0.5～1.2mm/r时,变形均匀性系数较小,坯料变形最均匀。

关键词：滚珠旋压等效应变变形均匀性有限元分析