环形零件短流程铸辗复合成形技术研究进展

轴承套圈、法兰等环形零件作为关键连接、传动、回转和支承结构件,在航空航天、风力发电、高铁、船舶和高档数控机床等重大装备制造领域应用非常广泛。环形零件的生产是一种高能耗的热加工过程,传统生产工艺主要有两种:(1)厚板轧制—弯卷—焊接成形,该工艺下环件焊接部位应力集中明显,在高压、强腐蚀等恶劣服役条件下为弱性能区;(2)通过冶炼—浇铸—加热—锭坯开坯—下料—圆棒加热—锻造—冲孔—加热—环坯热辗扩来实现环件生产,该工艺流程冗长,开坯、锻造和冲孔工序设备资金投入巨大,多次加热导致能源消耗和材料浪费严重,不利于环境友好型生产。环件热辗扩过程中的传热-变形-组织演变耦合行为使得环坯经历了多场、多因素作用下多道次、连续局部加载与卸载、不均匀变形和微观组织复杂演变历程,对成形环件的外形尺寸、组织和力学性能均产生显著影响。随着环件应用向着大型、轻量、重载和长寿命方面逐步发展,对其高性能、精确成形与低成本制造提出了更高要求。近年来得到重点研究并取得长足发展的环形零件短流程铸辗复合成形技术以砂型铸造或离心铸造获得的环形铸坯加热后直接进行辗扩为基础,省去了开坯、锻造和冲孔,只需要一次加热,具有工艺流程短和节能节材等突出优点(节材30%以上、节能60%以上),是风电法兰、石油化工容器和高档数控机床主轴承等重大装备高效、高性能和绿色制造的必然要求。然而,在热辗扩过程中不仅要实现环形铸坯截面轮廓达到所要求环件外形尺寸,同时其组织与性能也要得到充分改善和提高,使得对热辗扩过程中组织演变和性能控制面临诸多技术挑战。研究者们深入分析了环形铸坯材料单道次和双道次热压缩变形行为、组织演变规律及其模型构建方法,建立了关于材料常数考虑应变补偿的本构关系模型,为此研究了热-力-组织演变多场耦合及其基于晶粒拓扑变形技术和介观-微观元胞自动机跨层次耦合条件下的热辗扩数值模拟技术,构建了考虑晶粒空间重叠的CA模型,基于工业性试验从织构视角研究了其在铸坯环件热辗扩成形中微观组织和性能控制规律,获得了环件不同区域的晶粒细化极限,可以实现环件短流程铸辗复合成形生产。本文综述了基于锻态环坯和铸态环坯的热辗扩成形技术研究进展,探讨了环形铸坯热辗扩过程中组织与性能协同调控的理论与方法,建立了环形铸坯凝固过程裂纹萌生判据与裂纹控制的工艺方法,提出了环形铸坯热辗扩成形技术的研究发展方向,阐述了双金属复合环形铸坯热辗扩成形技术的研究内容及重点,以期推动环件短流程制造全过程“形”/“性”一体化调控理论与技术发展。

轴向柱塞泵配流副楔形角和方位角求解算法研究

针对配流副油膜形状理论建模难且与试验数据偏差大的问题,基于配流副油膜周向三点试验法,考虑力与力矩因素、偏磨因素和主轴与柱塞缸同轴度误差因素对配流副油膜形状的影响,建立柱塞缸轴向力平衡模型和配流副油膜厚度模型及配流副油膜形状的拟合算法。结果表明:3种试验工况下的三点膜厚拟合曲线与试验曲线吻合良好,进一步求解出配流副楔形角和方位角的时变曲线,为后续研究配流副润滑、摩擦和磨损特性奠定基础。

双金属复合环形构件制造技术研究进展

环形构件作为关键连接、传动和回转支承基础件,品种多、用量大、用途广。在深空探测、石化和风电等极端严酷环境应用场合,对环件内层和外层性能均提出了不同要求,使得单一金属环件在性能上越来越难以满足实际使用性能的要求。双金属复合环形环件可以同时兼具两种单一金属材料的优点,最大限度地实现其性能的优势互补,从而提高环件的使役性能和可靠性。综述了现有双金属复合环形构件制造技术研究现状,根据复合环件界面结合机制的不同,着重阐述了滚压、胀接、拉拔复合等机械结合法和离心铸造复合等冶金结合法的结合规律与特点,指出了现有制造技术的局限性和存在的问题,在离心铸造复合法的基础上提出了基于离心铸坯的双金属复合环件短流程制造技术,总结了新技术的特点、研究内容和发展趋势。

环形零件辗扩成形工艺研究现状与发展趋势

环形零件的辗扩成形工艺是一种局部加载连续成形工艺,成形过程中变形区材料在高温和外载荷作用下经历了非稳态、非线性的塑性变形。为探讨辗扩工艺中金属塑性变形机理,促进该工艺的改进、完善和推广新应用,国内外学者利用理论分析、数值模拟和试验研究等方法,对辗扩成形工艺过程、工艺参数及其对材料组织、性能的影响规律进行系统深入的研究。综合论述这种先进成形工艺研究现状;分析辗扩成形工艺参数理论与试验研究、环件辗扩过程组织演变规律数值模拟、环件辗扩成形过程成形/成性一体化调控等方面的发展趋势;针对目前环件辗扩成形工艺存在的流程长、能耗大、浪费材料等问题,提出环件短流程铸辗复合成形新工艺,并探讨这种新的短流程工艺的重点研究内容和推广应用前景。

环件辗扩成形过程微观组织及性能控制研究进展

高性能大型环件精确辗扩控形控性一体化制造是大型运载火箭仓体、风电法兰、核电反应堆及石油化工容器等高端装备向着安全、轻量、高效和长寿命方面发展的迫切需求。综述环件辗扩成形过程微观组织及性能研究现状,分析单、双道次简单热模拟压缩试验和显微组织演变数值模拟技术在环件辗扩过程组织演变研究中的应用,探讨环件组织与性能控制中存在的问题,并指出目前的研究已无法满足上述高性能环件制造要求。提出复杂多道次物理模拟及内变量组织建模用于环件辗扩组织演化分析的必要性,探明环件宏观/微观织构定量表征和晶体塑性有限元法(Crystal plasticity finite element method,CPFEM)揭示组织演变机理的可行性。阐述今后高性能环件辗扩成形组织演变及性能控制的研究方向与重点,未来必须构建辗扩过程环件组织、织构和力学性能之间及其与工艺参数的定量关系。

基于铸辗复合成形的25Mn钢法兰热处理工艺的试验研究

以铸辗复合成形的25Mn钢法兰为研究对象,研究热处理工艺参数对25Mn钢法兰微观组织及力学性能的影响;通过扫描电镜观察分析,揭示25Mn钢法兰件经不同回火温度处理后拉伸与冲击断口的断裂机理。试验结果表明,辗扩后法兰件内存在残余应力,组织不均匀,拉伸与冲击断裂形式主要为准解理和脆性断裂。在220~660℃回火时,晶粒得到细化,组织均匀;低温回火后,断口形貌为河流状花样和撕裂棱,韧窝少而浅,断裂形式为剪切和解理断裂;且随着回火温度的升高,强度总体呈下降趋势;经620℃回火析出细粒状碳化物,塑性达到峰值,伸长率和断面收缩率分别约为29%和65.32%,此时韧窝密度大,深度变深,冲击吸收能量最大（约103 J）,塑韧性最好。回火温度大于620℃,碳化物发生球化,塑韧性降低。为获得优良的综合力学性能,制定25Mn钢法兰的最佳热处理工艺为880℃淬火保温2 h,在10%NaCl水溶液中冷却后620℃回火10 h。

42CrMo钢轴承环件铸辗成形及淬回火组织性能研究

42CrMo轴承环件是高铁动车和风力发电等装备制造领域关键承载、传动构件。基于环件铸辗复合成形技术开展42CrMo钢轴承环件离心铸造、热辗扩成形及淬回火试验研究,分析高温变速进给时辗扩成形环件的微观组织及力学性能,并对后续淬回火过程组织性能演变规律进行探讨。结果表明,成形环件沿径向厚度区域晶粒得到细化,环件近中层和最小宽展处伴有不规则和等轴状的粗大晶粒;强度、硬度值较高,塑、韧性偏差,拉伸和冲击断口形貌表现为韧窝均聚集在剪切唇上,以解理断裂形式为主。530℃回火时沿环件壁厚方向未观察到碳化物,塑韧性仍较低;590℃回火后析出少量细小、弥散分布的碳化物颗粒,各项力学性能指标均满足标准要求,拉伸断口的韧窝数量多、直径大,冲击断口也比530℃时的平整,韧窝分布更加均匀,使得铸辗复合成形轴承环件的强度和塑韧性得到良好的配合。

基于铸辗连续成形的42CrMo铸造环坯高温力学性能及临界应变计算

针对铸辗连续成形工艺中高温出模环形铸坯的易裂缺陷,采用Gleeble-3500热力模拟试验机对铸造42CrMo钢环坯进行高温拉伸试验,分析其高温强度、热塑性等力学行为,预测高温易裂敏感温度区。结果表明:铸造42CrMo钢的抗拉强度随温度的升高及应变速率的减小而减小。断面收缩率随应变速率增大而增大。1 100℃时,试样开始发生动态再结晶。试验条件下,材料存在两个脆性温度区,分别为红脆性温度区和高温脆性温度区。高温脆性是导致铸造42CrMo高温出模环坯产生裂纹的内在原因。能谱分析表明:硫化物、氧化物等夹杂物极易诱发裂纹的发生。根据试验结果,建立铸造42CrMo钢的峰值流动应力模型及产生裂纹的临界应变模型,该模型可为优化铸辗连续成形工艺,避免铸造缺陷,提高铸件质量提供指导。

环件铸辗连续成形新工艺温度参数的研究

针对传统环件生产工序繁琐、材料和能源浪费较严重的现状,提出一种环形零件铸辗连续成形新生产工艺。根据理论分析、数值模拟与试验研究来确定生产工序中冶炼、浇注和运输工序中的温度参数:以42CrMo合金钢为研究对象,利用JMatPro软件模拟出合金相图,依据凝固过程相变情况及工业生产实际制定冶炼温度,冶炼温度为1 750℃;通过ProCAST软件对离心铸造过程进行模拟,分析铸造凝固过程中组织晶粒尺寸、温度变化及应力变化,确定浇注温度和出模温度,其中浇注温度为1 520℃、出模温度为1 050℃;运用高温热台试验研究动态组织晶粒变化过程,制定环件保温温度及保温时间,保温温度为1 000℃,保温时间为180 min。模拟结果与工业生产相符合,且热台试验显微镜下观察,经保温处理的试样组织均匀细小,满足热辗扩晶粒条件要求。

基于铸坯的25Mn钢环件热辗扩成形力学性能分析

环形铸坯辗扩成形是一个多场耦合、局部加载和连续成形过程,与传统辗扩工艺相比,缩短工艺流程,减少加热次数,节材、降能耗,具有重要的研究价值与推广应用前景。辗扩过程中,不仅要控制环形铸坯辗扩后的成形精度,还应通过高温塑性变形获得所需微观组织,提高综合力学性能,实现成形/成性一体化调控。根据环件轧制技术及基于铸坯的辗扩成形基础理论,通过对25Mn钢环形铸坯进行辗扩,分析辗扩成形环件不同部位微观组织的变化及力学性能,并借助扫描电镜观察,揭示其拉伸与冲击断口的断裂机理。结果表明:辗扩后环件的外形好,宽展小,椭圆度为0.4;组织内部平均晶粒尺寸小,环件各个区域的力学性能均较高,且中层的略低于内层和外层;拉伸与冲击断裂形式主要为准解理,并伴有韧窝断裂。可见,基于铸坯的25Mn钢环件热辗扩"成形"/"成性"质量较高,为其进一步研究以及实际生产提供了理论指导价值。

铝合金环形零件形/性一体化制造技术

铝合金环形零件作为关键连接、传动、回转和支承部件在重型运载火箭贮箱、风电设备的轴承套圈及齿轮环、压力容器和核反应堆的加强圈等重大装备制造领域应用非常广泛。铝合金环形零件的生产是一个高能耗的热加工过程,现有生产工艺主要有两种:(1)厚板轧制-弯卷-对半焊接成形,环件焊接部位缝组织为弱性能区,无法满足在重载、冲击、高低温和强腐蚀等极端恶劣条件下长期稳定服役时的要求;(2)圆铸锭坯-多向锻造制坯-马架扩孔或环件辗扩,工艺流程冗长,辗扩前开坯、锻造和冲孔工序设备资金投入巨大,多次加热导致能源消耗和材料浪费严重,不利于环境友好型生产。深空探测领域铝合金环件存在几何尺度大、形状精度高、结构刚度低和服役环境苛刻等技术挑战,目前已实现Φ3 m~Φ10 m级大型铝合金环件辗扩生产。环件辗扩过程中的传热-变形-组织演变耦合行为使得环坯经历了多场、多因素作用下多道次、连续局部加载与卸载、不均匀变形和微观组织复杂演变历程。为了实现铝合金环件的辗扩成形,一是要使环件自身整体刚性和辗扩过程稳定,即"控稳";二是要使环件直径扩大与截面充填协同进行,同步获得径-轴向尺寸、截面轮廓及几何精度,即"控形";三是要使成形环件达到所要求的内部组织状态和各向性能,即"控性"。铝合金环形零件用环坯的制备是铝合金环件辗扩成形及其形/性一体化调控的基础,采用多向锻造变形技术可以有效细化大规格圆铸锭的粗大组织、破碎网状共晶化合物,实现组织改性,为后续辗扩过程提供优质环坯。通过开发铝合金环件双向辗扩智能建模仿真方法和基于力控的铝合金环件双向辗扩工艺路径智能仿真优化方法,解决了矩形/异形截面环件径-轴向变形区不协调、环件刚度弱及辗扩过程失稳等问题,实现了各轧辊运动的协调匹配和基于目标驱动的自动调控。利用辗扩成形后的形变强化和热处理时效析出强化改性技术,可以进一步提高环件强度和消除残余应力,使环件径向、轴向和周向均具有优良的性能。针对现有技术的不足,本文提出了环形零件短流程铸辗复合成形技术,将砂型铸造或离心铸造获得的环形铸坯加热后直接进行辗扩,在热辗扩过程中同时实现环形铸坯几何尺寸精度要求和组织与性能改善,揭示了基于织构演变的铸坯环件在热辗扩成形中的微观组织和性能控制机制,可为铝合金环件及铝基双金属层状复合环件的短流程形/性一体化制造提供理论指导。本文基于铝合金环形零件形/性一体化制造技术的研究现状,从铝合金环形零件用环坯的制备技术、铝合金环件辗扩成形技术和铝合金环件辗扩过程中组织与性能协同调控技术研究等方面做简要评述,着重阐述铝合金矩形/异形截面环件形/性一体化控制的技术挑战,提出铝合金环件制造技术的发展趋势及研究重点,以期推动铝合金环件/铝基双金属层状复合环件短流程制造过程中形/性一体化调控理论与技术的发展。

双金属复合构件离心铸造技术

轧辊、无缝管和环类零件等是核电火电、石油化工和大型轧机等高端装备的关键基础构件,具有承载、连接和传动等作用,品种多、用量大、用途广。单一金属材料轧辊、无缝管和环件在性能上越来越难以满足重大装备在极端严酷环境下的服役性能要求,如在高磨损、高腐蚀环境下不仅需要考虑构件材料本身的力学性能,还必须采用抗磨损、抗腐蚀合金提高构件的力学性能和延长其使用寿命。因此,将具有不同性质的两种材料复合在一起组成双金属复合构件,可以实现两种单一金属组元性能的优势互补。单侧性能要求较高时,双金属构件可以取代稀有、贵重金属,在深空探测、风电、石化和远洋船舶等领域应用广泛。由于双金属材料成分、结构和性能的差异,其复合界面形态与结合特点是该类构件制造的关键。经过多年的研究与发展,已实现了复合辊、复合管等双金属复合构件离心铸造技术生产。双金属复合辊为外层卧式离心铸造、内层重力填充铸造,双金属复合管内、外层均为典型的卧式离心铸造,双金属结合界面形态受外层浇注温度、内外层浇注间隔时间和铸型转速的影响,结合层厚度的影响因素主要为浇注温度和凝固方法,复合构件性能主要取决于结合界面的性能;在复合辊和复合管离心铸造过程中,加以电磁控制和多元合金变质处理,以及离心铸造复合后进行阶梯热处理,均能够改善结合界面形态与成分分布均匀性,从而提高其结合性能,离心铸造复合成形机理主要为冶金结合。本文综述双金属复合构件离心铸造技术的研究现状,以典型双金属复合辊和复合管为研究对象,分析其离心铸造工艺特点与成形规律,探讨工艺参数对结合界面和结合性能的影响规律,揭示离心铸造过程中的组织演变机理,指出双金属构件离心铸造中存在的问题。结合盘状类环形零件的特点,展望双金属离心铸造复合构件的发展趋势与重点研究内容。

基于锻坯的大型外凹形截面环件成形研究

针对大型外凹槽型环件成形上的困难,根据异形截面的环锻件毛坯尺寸设计三大原则和方法,设计出合理的锻坯尺寸及形状,进一步设计出比较合理的模具。并基于SIMUFACT软件建立了径轴向轧环机三维数值仿真模型,对大型异形环件一个生产周期内的环件轧制过程进行了数值模拟,揭示了环件热辗扩过程中等效应变场、温度场、辗扩力以及金属流动特性的规律。仿真计算结果表明,采用计算机模拟环件的成形过程,可用于模具改造、锻坯设计以及轧制工艺的优化,建立起一种大型外凹槽截面环件稳定轧制模型。

环坯壁厚对铸辗连续成形的高温出模铸坯裂纹的影响

环件的短流程铸辗连续成形工艺中,高温出模环坯容易在表面和边角部产生裂纹。利用Procast模拟,探讨了42CrMo离心铸造环坯壁厚对裂纹形成的影响,提出了抑制裂纹的措施。结果表明:环坯出模时温度分布不均匀、与环境温差大,导致热应力应变大,是裂纹形成的主要原因。为避免裂纹形成,宜选用外径与内径比为1.5左右壁厚的环坯。采用金属型内壁覆砂,设计模具为圆角,可降低高温环坯局部应力集中,减小裂纹敏感性。研究结果可为新工艺实现提供重要理论指导。

花键冷敲成形设备分度机构分析与优化

对花键冷敲成形设备分度机构进行了分析。通过对传统的直线槽轮机构进行运动学和动力学分析,发现直线槽轮分度机构在拨销进入和离开轮槽的时候发生柔性冲击,引起了分度机构的振动。在此基础上,设计了两种减小冲击的分度机构:新型曲线槽轮机构及弧面凸轮分度机构。对这两种分度机构进行了设计计算,建立了几何模型,并进行了运动学及动力学特性分析。结果表明:改进之后的分度机构可以减少冲击,分度精确,运行平稳。

厚壁筒节三辊单道次弯卷成形数值模拟

针对水平下调式重型三辊卷板机弯卷成形工艺,采用ABAQUS对厚壁筒节单道次弯卷成形过程进行有限元模拟仿真。对板材三辊单道次弯卷成形工艺过程进行了分析,将成形工艺过程划分为9个阶段,建立了厚板三辊弯卷成形仿真模型,采用试验手段确定板材应力应变关系,根据弯卷工况参数施加仿真边界条件,将数值模拟成形过程划分为12个动作步,采用Explicit显式算法完成数值模拟计算。结果显示,合理设置工艺参数能够较好实现厚壁筒节单道次弯卷成形。

Q235B环形铸坯显微组织和力学性能的研究

针对短流程铸辗复合成形工艺,以法兰常用材料Q235B碳素钢作为研究对象,通过金相观察、力学性能测试和断口扫描等试验,研究砂型铸造方式和离心铸造方式对环形铸坯组织和力学性能的影响。结果表明,Q235B碳素钢的室温组织主要由铁素体和珠光体组成;砂型铸坯中的铁素体以块状的形式存在,且晶粒较为粗大,离心铸坯中的铁素体以针状和块状的形式存在,且晶粒较为细小。离心铸坯的抗拉强度和塑性、冲击韧度均明显优于砂型铸坯。砂型铸坯的拉伸断口呈现韧窝和准解理并存的混合断裂特征,冲击断口几乎为完全的脆性解理断裂特征;离心铸坯的拉伸断口几乎为完全的韧性断裂特征,冲击断口由撕裂韧窝区域和解理区域组成。

大口径厚壁无缝管的挤压过程力学理论分析

热挤压是制备大口径厚壁管的一种精密方法,挤压力是选择挤压设备和校核挤压机部件强度的依据;因此,求解计算精度高的挤压力计算公式在生产中尤其重要。在极坐标系下建立管材挤压变形的计算模型,采用主应力法理论分析厚壁管的挤压变形过程及计算公式。该公式能够同时反映挤压力与挤压比、挤压角、高度的关系,为厚壁管实际生产中的参数选择提供理论依据。

异形环件多步辗扩模拟

目的采用多步辗扩工艺模型虚拟生产异形环件,研究环件多步辗扩过程中环件的成形规律,为实际生产提供工艺参数。方法利用Gleeble-3500D热模拟实验机对Q345E钢进行单道次热压缩实验,建立环件用钢的流变应力模型,在Simufact中建立大型锻坯外凹槽内台阶环件多步辗扩三维数值稳定辗扩模型,对环件辗扩过程进行数值模拟。结果在双件辗扩内台阶环件和外凹槽环件的过程中,在与成形辊的接触部位应变场呈现较大值,环件的温度分布从心部到外逐渐降低,环件的应变与温度分布极为不均匀,辗扩过程需要对芯辊分级降速。结论通过所建立的多步辗扩模型,可以利用矩形锻坯虚拟生产异形环件。

铸态25Mn钢热变形行为及流变应力本构模型研究

为实现铸态25Mn钢热辗扩的数值模拟与制定合理的热成形工艺参数,基于Gleeble-3500热模拟试验机进行了单道次热压缩试验,系统地分析了各变形参数(变形温度、变形速率、初始晶粒尺寸)对铸态25Mn钢热变形及流变应力的影响,通过对实验数据进行线性分析推导出铸态25Mn钢的热压缩本构方程。研究结果表明:当变形温度越高、应变速率越小、初始晶粒越细小时,越容易发生动态再结晶;流变应力的预测值与实验值较吻合,且预测值最大误差仅为5.9%。