基于預(yù)制坯精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的水室封頭熱沖成形新工藝
發(fā)布時間：2020-12-05 11:47
針對形狀復(fù)雜的水室封頭,提出胎模制坯和熱沖成形相結(jié)合的新工藝。具體工藝為在胎模鍛造中,下模預(yù)置管嘴仿形型腔,用扁砧將坯料壓制成帶管嘴的板坯。熱沖成形時,上模是根據(jù)封頭鍛件內(nèi)腔表面進(jìn)行仿形的沖頭,下模是帶圓角的筒形漏盤,通過沖壓完成一次整體成形。并運(yùn)用"正向模擬+反向修正"的思路,通過幾何包絡(luò)與物質(zhì)點(diǎn)反向追蹤方法,對預(yù)制坯料進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在模擬過程中同時預(yù)測了成形過程中的晶粒演變和開裂趨勢,從而保證了成形方案的微觀合理性。最后通過1∶5物理縮比實(shí)驗(yàn),從宏觀尺寸和微觀晶粒角度對比了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。
【文章來源】：塑性工程學(xué)報(bào). 2020年05期 第58-65頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
2 實(shí)驗(yàn)件在取樣位置的微觀組織
壓力容器是壓水堆核電站的核心設(shè)備，水室封頭又是壓力容器的關(guān)鍵部件，一般有3個及以上的外伸管嘴(圖1a)，尺寸巨大且形狀復(fù)雜。為保證核電設(shè)備的安全性，一般要求整體制造。水室封頭的整體成形一直是大鍛件行業(yè)努力攻關(guān)的目標(biāo)。受大型鍛件制造能力的限制，目前常用的成形方法是用扁砧以分區(qū)碾壓方式將圓柱形坯料壓入仿形下模腔(圖1b)，整個加工過程時間長，變形分布極不均勻，且容易造成折疊和填充不滿等形狀缺陷。大部分碾壓出來的水室封頭毛坯與鍛件設(shè)計(jì)形狀存在很大的尺寸差異，精度控制非常困難[1]。在水室封頭成形工藝領(lǐng)域，很多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。王寶忠等[2]設(shè)計(jì)了核反應(yīng)堆壓力容器大型頂蓋封頭整體仿形的鍛造方法，近似于模鍛的工藝，設(shè)計(jì)了上下模具，但這種方法無論是對壓機(jī)還是模具的要求都很高，制造難度依然很大。姜濤等[3]對整體熱鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)報(bào)了最終鍛件應(yīng)變及靜水壓力分布，劉攀等[4]采用數(shù)值模擬技術(shù)，對采用逐次旋轉(zhuǎn)等量壓下法的特大型厚壁封頭成形工藝進(jìn)行了研究，模擬了相關(guān)熱力參數(shù)的分布，但二者均未對晶粒尺寸做進(jìn)一步分析。而在大型鍛件的熱加工過程中，晶粒尺寸的控制對最終材料性能有著十分重要的影響，因?yàn)樵谔卮笮蛨A柱坯料的熱鍛加熱過程中，為使心部達(dá)到鍛造溫度，通常需要加熱很長時間，使近表區(qū)域長時間處于高溫加熱狀態(tài)，晶粒粗大嚴(yán)重，給微觀組織控制造成很大困難，并很可能導(dǎo)致最終零件材料性能不能滿足其苛刻的服役條件[5-8]。本文提出一種“胎模制坯+熱沖成形”的水室封頭整體成形新工藝。該工藝的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)坯料形狀，從而使之在熱沖成形中能比較準(zhǔn)確地滿足最終形狀要求。為此，提出了“正向模擬+反向修正”的思路，并在數(shù)值模擬中集成熱變形開裂預(yù)報(bào)模型和微觀組織演變模型，在保證尺寸精度的同時，保證缺陷與組織控制的合理性。最后，用1∶5的工業(yè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新工藝的可行性。
結(jié)合水室封頭的外形特點(diǎn)，提出了兩道工序的成形方案。第1道工序是胎模鍛造，下模預(yù)置管嘴仿形型腔，用扁砧將坯料壓制成帶管嘴的板坯。第2道工序是熱沖成形，上模是根據(jù)封頭鍛件內(nèi)腔表面進(jìn)行仿形的沖頭，下模是帶圓角的筒形漏盤。圖2為胎模制坯與熱沖成形的示意圖。該工藝的特點(diǎn)是，胎模鍛造的板坯上具有與鍛件管嘴相對應(yīng)的凸起塊，經(jīng)熱沖變形后，這些凸起塊達(dá)到鍛件的設(shè)計(jì)位置，從而得到封頭鍛件形狀。該工藝與傳統(tǒng)工藝相比具有明顯優(yōu)勢。首先，胎模制坯可使材料得以有效分散，熱沖成形盡管位移大，但應(yīng)變小，管嘴部位隨板坯的彎曲而到達(dá)設(shè)計(jì)位置。其次，預(yù)制坯的初始晶粒度容易控制，一是由于熱沖成形的載荷遠(yuǎn)小于鍛造載荷，且熱沖過程一般可在幾分鐘之內(nèi)完成，成形溫度可適當(dāng)降低;二是由于預(yù)制坯厚度小，容易均溫，可顯著縮短加熱時間。與傳統(tǒng)鍛造方法相比，該工藝可以避免加熱時的晶粒長大。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]大型鍛件晶粒細(xì)化熱處理研究進(jìn)展[J]. 顧劍鋒,韓利戰(zhàn),李傳維. 金屬熱處理. 2019(01)
[2]300M鋼奧氏體晶粒等溫長大模型[J]. 洪橙,陳榮創(chuàng),鄭志鎮(zhèn),李建軍,李蓬川. 塑性工程學(xué)報(bào). 2018(01)
[3]大型厚壁管熱擠壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 李琚陳. 鍛壓技術(shù). 2018(01)
[4]某型飛機(jī)鈦合金鈑金件熱沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 李軒穎,徐雪峰,付春林,黃芳,肖熙,徐龍. 塑性工程學(xué)報(bào). 2017(01)
[5]核電封頭-過渡錐體一體化成形全工藝過程多尺度模擬[J]. 李馨家,崔振山,馮超,董定乾,尚曉晴. 塑性工程學(xué)報(bào). 2016(06)
[6]大型厚壁封頭整體鍛造工藝數(shù)值模擬[J]. 劉攀,溫彤,王心朋,張清華. 熱加工工藝. 2010(17)
[7]基于DEFORM的大型封頭整體鍛造工藝數(shù)值模擬[J]. 姜濤,楊運(yùn)民,程鞏固. 壓力容器. 2009(02)
博士論文
[1]核電用鋼SA508-3熱鍛全流程晶粒演變數(shù)學(xué)模型及其在封頭成形中的應(yīng)用[D]. 董定乾.上海交通大學(xué) 2016
本文編號：2899402
【文章來源】：塑性工程學(xué)報(bào). 2020年05期 第58-65頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
2 實(shí)驗(yàn)件在取樣位置的微觀組織
壓力容器是壓水堆核電站的核心設(shè)備，水室封頭又是壓力容器的關(guān)鍵部件，一般有3個及以上的外伸管嘴(圖1a)，尺寸巨大且形狀復(fù)雜。為保證核電設(shè)備的安全性，一般要求整體制造。水室封頭的整體成形一直是大鍛件行業(yè)努力攻關(guān)的目標(biāo)。受大型鍛件制造能力的限制，目前常用的成形方法是用扁砧以分區(qū)碾壓方式將圓柱形坯料壓入仿形下模腔(圖1b)，整個加工過程時間長，變形分布極不均勻，且容易造成折疊和填充不滿等形狀缺陷。大部分碾壓出來的水室封頭毛坯與鍛件設(shè)計(jì)形狀存在很大的尺寸差異，精度控制非常困難[1]。在水室封頭成形工藝領(lǐng)域，很多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。王寶忠等[2]設(shè)計(jì)了核反應(yīng)堆壓力容器大型頂蓋封頭整體仿形的鍛造方法，近似于模鍛的工藝，設(shè)計(jì)了上下模具，但這種方法無論是對壓機(jī)還是模具的要求都很高，制造難度依然很大。姜濤等[3]對整體熱鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)報(bào)了最終鍛件應(yīng)變及靜水壓力分布，劉攀等[4]采用數(shù)值模擬技術(shù)，對采用逐次旋轉(zhuǎn)等量壓下法的特大型厚壁封頭成形工藝進(jìn)行了研究，模擬了相關(guān)熱力參數(shù)的分布，但二者均未對晶粒尺寸做進(jìn)一步分析。而在大型鍛件的熱加工過程中，晶粒尺寸的控制對最終材料性能有著十分重要的影響，因?yàn)樵谔卮笮蛨A柱坯料的熱鍛加熱過程中，為使心部達(dá)到鍛造溫度，通常需要加熱很長時間，使近表區(qū)域長時間處于高溫加熱狀態(tài)，晶粒粗大嚴(yán)重，給微觀組織控制造成很大困難，并很可能導(dǎo)致最終零件材料性能不能滿足其苛刻的服役條件[5-8]。本文提出一種“胎模制坯+熱沖成形”的水室封頭整體成形新工藝。該工藝的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)坯料形狀，從而使之在熱沖成形中能比較準(zhǔn)確地滿足最終形狀要求。為此，提出了“正向模擬+反向修正”的思路，并在數(shù)值模擬中集成熱變形開裂預(yù)報(bào)模型和微觀組織演變模型，在保證尺寸精度的同時，保證缺陷與組織控制的合理性。最后，用1∶5的工業(yè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新工藝的可行性。
結(jié)合水室封頭的外形特點(diǎn)，提出了兩道工序的成形方案。第1道工序是胎模鍛造，下模預(yù)置管嘴仿形型腔，用扁砧將坯料壓制成帶管嘴的板坯。第2道工序是熱沖成形，上模是根據(jù)封頭鍛件內(nèi)腔表面進(jìn)行仿形的沖頭，下模是帶圓角的筒形漏盤。圖2為胎模制坯與熱沖成形的示意圖。該工藝的特點(diǎn)是，胎模鍛造的板坯上具有與鍛件管嘴相對應(yīng)的凸起塊，經(jīng)熱沖變形后，這些凸起塊達(dá)到鍛件的設(shè)計(jì)位置，從而得到封頭鍛件形狀。該工藝與傳統(tǒng)工藝相比具有明顯優(yōu)勢。首先，胎模制坯可使材料得以有效分散，熱沖成形盡管位移大，但應(yīng)變小，管嘴部位隨板坯的彎曲而到達(dá)設(shè)計(jì)位置。其次，預(yù)制坯的初始晶粒度容易控制，一是由于熱沖成形的載荷遠(yuǎn)小于鍛造載荷，且熱沖過程一般可在幾分鐘之內(nèi)完成，成形溫度可適當(dāng)降低;二是由于預(yù)制坯厚度小，容易均溫，可顯著縮短加熱時間。與傳統(tǒng)鍛造方法相比，該工藝可以避免加熱時的晶粒長大。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]大型鍛件晶粒細(xì)化熱處理研究進(jìn)展[J]. 顧劍鋒,韓利戰(zhàn),李傳維. 金屬熱處理. 2019(01)
[2]300M鋼奧氏體晶粒等溫長大模型[J]. 洪橙,陳榮創(chuàng),鄭志鎮(zhèn),李建軍,李蓬川. 塑性工程學(xué)報(bào). 2018(01)
[3]大型厚壁管熱擠壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 李琚陳. 鍛壓技術(shù). 2018(01)
[4]某型飛機(jī)鈦合金鈑金件熱沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 李軒穎,徐雪峰,付春林,黃芳,肖熙,徐龍. 塑性工程學(xué)報(bào). 2017(01)
[5]核電封頭-過渡錐體一體化成形全工藝過程多尺度模擬[J]. 李馨家,崔振山,馮超,董定乾,尚曉晴. 塑性工程學(xué)報(bào). 2016(06)
[6]大型厚壁封頭整體鍛造工藝數(shù)值模擬[J]. 劉攀,溫彤,王心朋,張清華. 熱加工工藝. 2010(17)
[7]基于DEFORM的大型封頭整體鍛造工藝數(shù)值模擬[J]. 姜濤,楊運(yùn)民,程鞏固. 壓力容器. 2009(02)
博士論文
[1]核電用鋼SA508-3熱鍛全流程晶粒演變數(shù)學(xué)模型及其在封頭成形中的應(yīng)用[D]. 董定乾.上海交通大學(xué) 2016
本文編號：2899402
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