精品毕业论文设计deform模拟坯料在旋转锻造中的应力变形.docx

1、精品毕业论文设计deform模拟坯料在旋转锻造中的应力变形1 绪论1.1 高速钢1.1.1 高速钢简介高速钢又被称为风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。高速钢是适应高速切削而发展起来的刃具钢。当车削速由1020m/min增加到5080m/min时刃具刃部的温度由200300增至500800。碳素刃具钢和低合金刃具钢，200300即开始软化，而高速钢在500600，仍能保持较高的硬度（60HRC左右），因此高速切削刀具一般都采用高速钢制造。高速钢发明至今已近百年主要用作各类机床切削工具。在高速钢之后相继有硬质合金、陶瓷和聚晶金刚石等切削材料间世但高速钢在切削材料领域中始

2、终保持着特殊的领先地位。表1.1是各类重要工具使用高速钢、硬质合金、和陶瓷材料情况的统计表,是由世界最大高速生产厂家一奥地利伯乐百特种钢公司统计的。从表中可见,除车刀外,其它各种刀具主要都是用高速钢制造的,尤其是螺纹刀具、齿状刀具和拉刀等精密复杂刀具。根据刀具专家的分析图,在可预见的将来,高速钢在刀具材料中的特殊地位不可能被其它刀具材料所取代1。表1.1 主要加工刀具应用的材料销售金额比例，%刀具名称应用的刀具材料占刀具材料总售金额的比例每种刀具材料所占销售金额比例陶瓷高速钢硬质合金车刀2521781麻花钻230964攻丝刀具2001000刀头与铣刀1206040齿状刀具5.70982铰刀5.

3、406040拉刀4.8010001.1.2 高速钢钢种目前的高速钢五大类：(1)通用型高速钢是指世界各国生产量较大用途较广且价格低廉的一类高速钢，代表钢种有W18Cr4V（美国T1）、W6Mo5Cr4V2等。T1是使用最早的钨系高速钢，直到50年代，此类高速钢仍为世界各国广泛应用。50年代后期，由于世界范围的钨元素紧缺导致 T1价格不断上涨，与此同时，钼矿资源不断被开发，因而促进了钼系、钨-钼系高速钢的研发。M2就是当时研制成功的典型钨-钼系高速钢。目前欧美较多国家已用钨-钼系高速钢部分或全部取代了T1。(2)高生产率高速钢又称超硬高速钢，它是在一般的通用型高速钢中加入一些Co、V、Si、Al

4、等合金元素以提高高速钢的红硬性和耐磨性，主要用来制造切削难加工材料的刀具，比通用型高速钢刀具具有更高的切削速度和耐用度。超硬高速钢的类型较多，目前应用较多的有钴高速钢、高碳高钒高速钢及铝、硅高速钢等。(3)低碳型高速钢是在通用型高速钢的基础上将碳含量降至0.6%0.7%左右，而其他合金元素基本不变，已用于生产的有日本的SKH2R、SKH3R及我国的6W6Mo5Cr4V等。(4)粉末冶金高速钢是较先进的高速钢生产方法。用冶炼-铸锭-锻造工艺生产的高速钢，不可避免地存在着碳化物的偏析，粉末冶金高速钢从根本上解决了高速钢中碳化物分布不均及碳化物级别均为1级，其尺寸大约为25m；而熔炼的高速钢中的碳化

5、物尺寸为1230m，由于组织均匀碳化物细小，使粉末冶金高速钢的硬度和韧性大幅度提高，而且耐磨性比熔炼型高速钢优良。目前，粉末冶金高速钢除用于制造切削刀具外，还用于制造精密模具，此外，象冷轧辊、冷锻工具及切割机刀片等均可应用粉末冶金高速钢，而且取得了良好的效果2。1.1.3 国内外发展现状高速钢生产1898年从年开始,已走过了100年的发展历程。世界每年生产高速钢近30万吨,钢材在20万吨以上。世界上生产高速钢的著名企业有瑞典的ASSAB公司、法国的ERASTEEL公司、日本的HITACHI公司、德国的THYSSEN公司、美国的CRUCIBLE公司等,这些企业基本上都是专业化生产3。近儿年来,我

6、国年产高速钢约3万吨,钢材约2.5万吨。约占世界高速钢产量的1/10。大连钢铁集团公司和河北冶金科技公司是原冶金部布点的重点高速钢生产企业,其产量、品种、质量一直处在领先地位,为我国工具行业提供了大量优质的高速钢,为国家的经济发展作出了巨大的贡献。一些重点特钢企业如上海五钢集团公司、抚顺特殊钢有限公司、大冶特殊钢有限公司也积极生产开发高速钢,长城特殊钢公司、贵阳钢厂、西宁特殊钢有限公司、本钢特钢公司等企业也生产少量高速钢。改革开放以来,特别是近几年来在高速钢生产市场的格局上发生了很大的变化。一批地方企业、研究院所和乡镇企业异军突起,瞄准高附加值的高速钢产品,建设生产线。这些企业发展的速度很快,

7、有的已形成了规模化生产,成为高速钢生产的新生力量,已占全国高速钢生产的。目前已形成规模的企业有江苏夭工实业公司、江苏飞达集团和河北冶金科技等单位。大连地区、重庆地区及江苏扬中、江阴等地区也生产一定量的高速钢。目前生产高速钢的企业已多达10余家4。1.2 高速钢的生产1.2.1 高速钢冶炼高速钢多用电弧炉冶炼,用精锻机或汽锤锻。现在国外一些厂家还采用了炉外精炼,这对于一些特殊品种的高速钢来说非常必要,例如双金属带锯用高速钢材,要求钢很纯净,气体含量很低。连铸能大幅度提高高速钢的成材率,但难度很大。德国和奥地利一些厂家曾进行了大量的试验研究,但仅奥地利BREITENFELD厂(勃来登弗勒德厂有试验

8、成功的报道,并已正常生产。采用电渣重熔和快锻机加精锻机的锻造方法生产高速钢大断面材,取得了良好的效果。我国特殊钢厂也多是用电弧炉冶炼高速钢,生产大断面材采用电渣重熔。一些中、小型钢厂采用了感应炉加电渣炉的方法生产高速钢,每年产量约数千吨。这种方法使用了较多的返回废钢,降低了成本。70年代初，由于气体雾化制粉盒热等静压技术的进步，诞生了粉末高速钢。它是快速凝固技术在工业上成功应用的首例冶金材料。粉末高速钢具有以下优点：(1)碳化物颗粒尺寸细小（最大约3m），分布均匀；(2)可磨削性好；(3)韧性好；(4)热处理时淬硬速度快，在整个截面上硬度分布均匀；(5)热处理后变形小而均匀，保持截面圆度好；(

9、6)能生产出常规铸锻工艺不能生产的更高合金含量的高速钢。气体雾化粉末高速钢的生产工艺主要包括两个步骤：(1)雾化制粉。钢在熔炼之后,于高压气体雾化制取预合金高速钢粉末,每一个粉末颗粒实质上就是一个微小的钢锭。由于凝固的速度很快,使结晶组织很细.(2)粉末成型。美国增祸公司粉末成型的工艺是将粉末装入钢包套,脱气密封之后,直接装入热等静压机加温加压使之致密成粉末高速钢。然后剥掉钢包套,可以锻或轧成材。瑞典公司则采取了不同的生产工艺。为提高生产效率,该公司把理论密度的装粉包套先冷等静压至理论密度,以提高其导热率。然后,经600和1150二段预热,热装机进行热等静压,产品密度可达理论密度。还有一种喷射

10、沉积技术可用于生产高速钢。该技术由英国Osprey金属公司首创,所以又Osprey工艺5。其原理也是利用气体喷吹液态金属使其雾化并直接沉积在一定形状的收集器上,从而形成高密度预形坯。该工艺省去了粉末高速钢的制粉和成型等许多工序,节省能耗,降低成本。用喷射沉积技术生产的高速钢碳化物分布均匀,颗粒细小（约610m）,虽略粗于粉末高速钢,但显著优于常规铸锻工艺生产的高速钢6。1.2.2 高速钢锻造高速钢属于高碳、高合金特殊钢，在退火状态甚至在淬火状态仍有大量碳化物，因此其具有与众不同的使用性能和良好的热加工工艺性能。但碳化物的不均匀性却给热加工工艺性能与使用性能带来严重损害。严重的碳化物不均匀性使锻

11、造时金属塑性降低，应力集中易产生开裂，综合力学性能与耐磨性差，从而降低了刀具使用寿命。用锻造提高高速钢的碳化物均匀度，能为热处理创造有利条件，提高刀具使用寿命，在工具生产中具有重大作用。当锻件无碳化物均匀度要求，或原材料已达到要求级别时，大体可以直接采用原材料或简单锻造成形。但生产实践表明，当锻造不当，特别是镦粗成形时，碳化物不均匀度可能升级。当简单成形不能满足碳化物均匀性要求时，就必须采用特殊锻造方法，来改善碳化物均匀性与钢材纤维方向，以提高工具综合力学性能。生产中通常有以下几种特殊的锻造方法:(1)不变方向反复镦拔。(2)单十字镦拔。(3)双十字镦拔。(4)对角线反复镦拔等。上述方法各有其

12、特点与优越性，可以根据工具使用特点与操作掌握程度具体分析选用。但大多数工厂通常采用的工艺是不变方向反复镦拔，基本上能满足要求，而且操作比较简单，产生裂纹等缺陷较少7。锻造技术由自由锻造发展到径向锻造，其使用的锻造工具有了很大变化。自由锻造一般使用上下平砧进行锻造，通过砧子单方向运动使锭料或坯料受压而产生变形如图1.1所示。由于锭料或坯料在自由锻造的情况下展宽和轴向延伸不受工具的限制，变形阻力小，根据金属塑性变形最小阻力定律，自由锻的锭料或坯料将产生两个方向的塑性变形。而径向锻造一般采用四个锤头，四个锤头在同一平面内分成两组，锭料或坯料在两个方向上受压，其宽展塑性变形受到工具的限制，金属的塑性变

13、形一轴向延伸为主如图1.2所示，极大地提高了金属的锻造效率8。图 1.1 自由锻（1 锤头 2 坯料）图 1.2 径向锻造（1坯料 2锤头） 径向锻造变形技术发展到现在，已由最初的机械式发展到现在的液压式，锤头的打击频次已达到240次/min，打击次数大大超过了自由锻造（快锻机打击次数仅为80次/min左右），打击频次的提高不仅可以抵偿金属变形过程的温降，而且还将导致金属变形后温度的升高，这已被实践所证实。例如液压式径向锻造机锻造难变形的高温合金GH4169，由220mm方坯锻到直径140的棒料，从第3道次开始，表面温度升高4050，为了控制终锻温度，需要停留一段时间进行最后道次的变形。正因为

14、径向锻造存在温升的现象，始锻温度与终锻温度差很小。高合金钢，尤其是高速工具钢（W6Mo5Cr4V2）、高合金冷作模具钢（Cr12Mo1V1）等，因含有大量的合金元素，造成较为严重的成分偏析，加之碳含量较高，碳化物偏析严重，恶化了热加工性能，其热加工只能在较窄的温度区间进行。如果加热温度过高，容易造成钢锭偏析区大量的低熔点碳化物产生过热和过烧现象；若终锻温度过低，则表面塑性变差，容易产生表面开裂现象9。该类钢若采用自由锻造，锭到才需开中间坯，需多火次才能完成。例如将430mm430mm的钢锭锻到直径140的圆棒，至少需6火次，而且还需要开中间坯。采用径向锻造，则只需一火次即可完成全部变形过程，始

15、锻温度与终锻温度差仅为4050K。这样的结果是自由锻无法做到的。因此径向锻造变形温降小的特点尤其适合高速工具钢、高合金冷作模具钢、不锈钢及高温合金、钛合金等南变形材料的锻造。高速钢锻后从高温空冷也会转变马氏体组织，组织应力大而塑性低，很易开裂。高速钢锻件锻后应缓冷，可以在炉中冷却或置于炉口外装料板上缓冷至室温后，及时作退火处理。1.2.3 高速钢热处理高速钢的热处理工艺较为复杂，必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。退火的目的是消除应力，降低硬度，使显微组织均匀，便于淬火。退火温度一般为860880。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800850预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加 热到淬火温度11901290（不同牌号实际使用时温度有区别），后油冷或空冷或充气体冷却。工厂均采用盐炉加热，现真空炉使用也相当广泛。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行23次回火，回火温度560，每次保温1小时10。1.3 计算机模拟技术 计算机模拟技术不仅是计算机应用的一个十分重要而又广阔的领域，而且也是迅速发展的一门综合性很强的新兴科学，是工程分析、研究和设计的重要工具。许多工程分析问题，都可归结为在给定边界条件夏秋季起控制方程(常微分方程或偏