基于預制坯精準設計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。并運用"正向模擬+反向修正"的思路,通過幾何包絡與物質(zhì)點反向追蹤方法,對預制坯料進行精準設計。在模擬過程中同時預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物理縮比實驗,從宏觀尺寸和微觀晶粒角度對比了模擬結(jié)果與實驗結(jié)果,證明了設計方法的有效性。
【文章來源】：塑性工程學報. 2020年05期 第58-65頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
2 實驗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)，尺寸巨大且形狀復雜。為保證核電設備的安全性，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。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計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，很多學者已經(jīng)做了大量的研究。王寶忠等[2]設計了核反應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，設計了上下模具，但這種方法無論是對壓機還是模具的要求都很高，制造難度依然很大。姜濤等[3]對整體熱鍛成形進行了數(shù)值模擬，預報了最終鍛件應變及靜水壓力分布，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，因為在特大型圓柱坯料的熱鍛加熱過程中，為使心部達到鍛造溫度，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)，晶粒粗大嚴重，給微觀組織控制造成很大困難，并很可能導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)鍵是合理設計坯料形狀，從而使之在熱沖成形中能比較準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報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)實驗驗證了新工藝的可行性。
結(jié)合水室封頭的外形特點，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。該工藝的特點是，胎模鍛造的板坯上具有與鍛件管嘴相對應的凸起塊，經(jīng)熱沖變形后，這些凸起塊達到鍛件的設計位置，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，但應變小，管嘴部位隨板坯的彎曲而到達設計位置。其次，預制坯的初始晶粒度容易控制，一是由于熱沖成形的載荷遠小于鍛造載荷，且熱沖過程一般可在幾分鐘之內(nèi)完成，成形溫度可適當降低;二是由于預制坯厚度小，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】：
期刊論文
[1]大型鍛件晶粒細化熱處理研究進展[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. 塑性工程學報. 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. 塑性工程學報. 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. 塑性工程學報. 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)學模型及其在封頭成形中的應用[D]. 董定乾.上海交通大學 2016
本文編號：2899402
【文章來源】：塑性工程學報. 2020年05期 第58-65頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
2 實驗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)，尺寸巨大且形狀復雜。為保證核電設備的安全性，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。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計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，很多學者已經(jīng)做了大量的研究。王寶忠等[2]設計了核反應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，設計了上下模具，但這種方法無論是對壓機還是模具的要求都很高，制造難度依然很大。姜濤等[3]對整體熱鍛成形進行了數(shù)值模擬，預報了最終鍛件應變及靜水壓力分布，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，因為在特大型圓柱坯料的熱鍛加熱過程中，為使心部達到鍛造溫度，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)，晶粒粗大嚴重，給微觀組織控制造成很大困難，并很可能導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)鍵是合理設計坯料形狀，從而使之在熱沖成形中能比較準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報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)實驗驗證了新工藝的可行性。
結(jié)合水室封頭的外形特點，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。該工藝的特點是，胎模鍛造的板坯上具有與鍛件管嘴相對應的凸起塊，經(jīng)熱沖變形后，這些凸起塊達到鍛件的設計位置，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，但應變小，管嘴部位隨板坯的彎曲而到達設計位置。其次，預制坯的初始晶粒度容易控制，一是由于熱沖成形的載荷遠小于鍛造載荷，且熱沖過程一般可在幾分鐘之內(nèi)完成，成形溫度可適當降低;二是由于預制坯厚度小，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】：
期刊論文
[1]大型鍛件晶粒細化熱處理研究進展[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. 塑性工程學報. 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. 塑性工程學報. 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. 塑性工程學報. 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)學模型及其在封頭成形中的應用[D]. 董定乾.上海交通大學 2016
本文編號：2899402
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