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转子叶片精锻过程热力耦合及动态再结晶数值模拟

作　者: 徐培培
导　师: 齐广霞
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 叶片精锻新工艺制坯数值模拟热力耦合
分类号: TG316
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

叶片是发动机的核心零件之一，长期在高温高压恶劣的环境中工作，并承受多种复杂的应力，因而要严格控制叶片的成形过程，以确保得到外观尺寸精准，内部组织均匀合理的锻件。本文以GH4169合金转子叶片为研究对象，利用热力耦合数值模拟方法分析了叶片精锻成形过程。研究得到的结果具有一定的理论意义。本文研究的主要内容如下：（1）在叶片传统制坯（挤杆-镦头）的基础上进行改进得到新的制坯工艺（挤压制坯）；根据终锻件的几何模型，分别设计传统工艺和新工艺制坯件各部位的相应尺寸，采用三维造型软件Pro/E创建两套制坯工艺的模具型腔，并且通过有限元模拟软件反复对模具进行调试，不断修改模具以完善模具设计。（2）运用三维有限元模拟软件DEFORM-3D模拟了叶片新工艺和传统工艺制坯过程，分析了不同工艺参数对两套制坯过程的影响。模拟结果表明：新工艺制坯件温度值随着始锻温度和摩擦因子的增加而增大，新工艺制坯件头部的等效应变场对变形速度比较敏感；在传统工艺制坯过程中，随着始锻温度的增加，挤杆件和镦头件的温度值不断增大，等效应力值不断减小。经优化后得到两套叶片制坯过程工艺参数：始锻温度1020℃，摩擦因子0.2，上模压下速度80mm/s。（3）采用DEFORM-3D模拟软件中的追踪点功能，模拟分析了新工艺路线的终锻过程，并且基于Boltzmann函数拟合得到叶片终锻过程行程-载荷曲线方程。（4）通过分析两套制坯过程的模拟结果发现：变形热和摩擦热是影响两套制坯工艺温度场的主导因素，变形程度控制制坯件的晶粒度；新工艺制坯件的等效应力值和等效应变值均大于传统工艺制坯件，而新工艺制坯件晶粒的细化程度及晶粒尺寸的均匀化程度要好于传统制坯件。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-18
  1.1 引言  12
  1.2 高温合金热力学参数的影响  12-14
    1.2.1 变形温度的影响  12-13
    1.2.2 应变速率的影响  13
    1.2.3 变形程度的影响  13-14
    1.2.4 锻后冷却的影响  14
  1.3 镍基高温合金概述  14-15
    1.3.1 镍基高温合金的分类  14
    1.3.2 GH4169 合金概述  14
    1.3.3 GH4169 合金锻件的锻造工艺方法  14-15
  1.4 数值模拟在塑性变形中的发展  15
  1.5 叶片锻造及其数值模拟技术的发展  15-16
  1.6 选题的背景与意义  16
  1.7 本文的主要研究内容  16-18
第2章有限元法基本原理及热力耦合计算法  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 刚粘塑性有限元法的基本原理  18-21
    2.2.1 刚粘塑性材料流动的基本方程  18-19
    2.2.2 虚功原理  19-20
    2.2.3 变分原理  20-21
  2.3 热力耦合计算方法  21-25
    2.3.1 塑性变形过程中的传热学基本方程  21-23
    2.3.2 热传导中的变分原理  23-24
    2.3.3 变形和传热过程的耦合分析  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章叶片精锻过程三维模型建立  26-34
  3.1 引言  26
  3.2 叶片新工艺制坯件设计  26-29
    3.2.1 新工艺制坯件榫头的设计  26-28
    3.2.2 新工艺制坯件叶身的设计  28
    3.2.3 新工艺制坯件定位凸台的设计  28-29
  3.3 新工艺制坯件的模具创建  29
  3.4 传统工艺镦头件设计  29-31
    3.4.1 传统工艺镦头件头部设计  29-30
    3.4.2 传统工艺镦头件杆部尺寸和位置的确定  30-31
  3.5 传统工艺挤杆件的设计及下料尺寸的计算  31-33
  3.6 传统工艺制坯件的模具创建  33
  3.7 本章小结  33-34
第4章叶片制坯过程数值模拟  34-65
  4.1 引言  34
  4.2 新工艺制坯过程模拟前处理  34-35
  4.3 新工艺制坯过程工艺路线的制定  35
  4.4 新工艺制坯过程数值模拟  35-46
    4.4.1 始锻温度对新工艺制坯过程的影响  35-40
    4.4.2 上模压下速度对新工艺制坯过程的影响  40-43
    4.4.3 摩擦因子对新工艺制坯过程的影响  43-46
  4.5 传统制坯过程数值模拟  46-61
    4.5.1 始锻温度对叶片挤杆过程的影响  46-49
    4.5.2 上模压下速度对叶片挤杆过程的影响  49-51
    4.5.3 摩擦因子对叶片挤杆过程的影响  51-54
    4.5.4 始锻温度对叶片镦头过程的影响  54-56
    4.5.5 上模压下速度对叶片镦头过程的影响  56-59
    4.5.6 摩擦因子对叶片镦头过程的影响  59-61
  4.6 新工艺制坯过程与传统制坯过程对比  61-63
  4.7 本章小结  63-65
第5章叶片终锻过程数值模拟  65-73
  5.1 引言  65
  5.2 新工艺叶片终锻过程数值模拟  65-72
    5.2.1 新工艺终锻过程模拟前处理  65
    5.2.2 新工艺叶片终锻过程数值模拟  65-69
    5.2.3 新工艺与传统工艺终锻件对比  69-72
    5.2.4 新工艺模拟终锻件与生产实际终锻件对比  72
  5.3 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果  80-81
致谢  81-82

转子叶片精锻过程热力耦合及动态再结晶数值模拟

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