高速鋼畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 高速鋼</b></p><p>　　1.1.1 高速鋼簡(jiǎn)介</p><p>　　高速鋼又被稱為風(fēng)鋼或鋒鋼，意思是淬火時(shí)即使在空氣中冷卻也能硬化，并且很鋒利。高速鋼是適應(yīng)高速切削而發(fā)展起來(lái)的刃具鋼。當(dāng)車削速由10～20m/min增加到5

2、0～80m/min時(shí)刃具刃部的溫度由200～300℃增至500～800℃。碳素刃具鋼和低合金刃具鋼，200～300℃即開(kāi)始軟化，而高速鋼在500～600℃，仍能保持較高的硬度（60HRC左右），因此高速切削刀具一般都采用高速鋼制造。高速鋼發(fā)明至今已近百年主要用作各類機(jī)床切削工具。在高速鋼之后相繼有硬質(zhì)合金、陶瓷和聚晶金剛石等切削材料間世但高速鋼在切削材料領(lǐng)域中始終保持著特殊的領(lǐng)先地位。表1.1是各類重要工具使用高速鋼、硬質(zhì)合金、和陶瓷材

3、料情況的統(tǒng)計(jì)表,是由世界最大高速生產(chǎn)廠家一奧地利伯樂(lè)百特種鋼公司統(tǒng)計(jì)的。從表中可見(jiàn),除車刀外,其它各種刀具主要都是用高速鋼制造的,尤其是螺紋刀具、齒狀刀具和拉刀等精密復(fù)雜刀具。根據(jù)刀具專家的分析圖,在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái),高速鋼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]。</p><p>　　表1.1 主要加工刀具應(yīng)用的材料銷售金額比例，%</p><p>　　1.1.2 高速鋼鋼種

4、</p><p>　　目前的高速鋼五大類：</p><p>　　(1)通用型高速鋼是指世界各國(guó)生產(chǎn)量較大用途較廣且價(jià)格低廉的一類高速鋼，代表鋼種有W18Cr4V（美國(guó)T1）、W6Mo5Cr4V2等。T1是使用最早的鎢系高速鋼，直到50年代，此類高速鋼仍為世界各國(guó)廣泛應(yīng)用。50年代后期，由于世界范圍的鎢元素緊缺導(dǎo)致T1價(jià)格不斷上漲，與此同時(shí)，鉬礦資源不斷被開(kāi)發(fā)，因而促進(jìn)了鉬系、鎢-鉬系高速

5、鋼的研發(fā)。M2就是當(dāng)時(shí)研制成功的典型鎢-鉬系高速鋼。目前歐美較多國(guó)家已用鎢-鉬系高速鋼部分或全部取代了T1。</p><p>　　(2)高生產(chǎn)率高速鋼又稱超硬高速鋼，它是在一般的通用型高速鋼中加入一些Co、V、Si、Al等合金元素以提高高速鋼的紅硬性和耐磨性，主要用來(lái)制造切削難加工材料的刀具，比通用型高速鋼刀具具有更高的切削速度和耐用度。超硬高速鋼的類型較多，目前應(yīng)用較多的有鈷高速鋼、高碳高釩高速鋼及鋁、硅高速鋼

6、等。</p><p>　　(3)低碳型高速鋼是在通用型高速鋼的基礎(chǔ)上將碳含量降至0.6%～0.7%左右，而其他合金元素基本不變，已用于生產(chǎn)的有日本的SKH2R、SKH3R及我國(guó)的6W6Mo5Cr4V等。</p><p>　　(4)粉末冶金高速鋼是較先進(jìn)的高速鋼生產(chǎn)方法。用冶煉-鑄錠-鍛造工藝生產(chǎn)的高速鋼，不可避免地存在著碳化物的偏析，粉末冶金高速鋼從根本上解決了高速鋼中碳化物分布不均及碳化

7、物級(jí)別均為1級(jí)，其尺寸大約為2～5µm；而熔煉的高速鋼中的碳化物尺寸為12～30µm，由于組織均勻碳化物細(xì)小，使粉末冶金高速鋼的硬度和韌性大幅度提高，而且耐磨性比熔煉型高速鋼優(yōu)良。目前，粉末冶金高速鋼除用于制造切削刀具外，還用于制造精密模具，此外，象冷軋輥、冷鍛工具及切割機(jī)刀片等均可應(yīng)用粉末冶金高速鋼，而且取得了良好的效果[2]。</p><p>　　1.1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p&

8、gt;<p>　　高速鋼生產(chǎn)1898年從年開(kāi)始,已走過(guò)了100年的發(fā)展歷程。世界每年生產(chǎn)高速鋼近30萬(wàn)噸,鋼材在20萬(wàn)噸以上。世界上生產(chǎn)高速鋼的著名企業(yè)有瑞典的ASSAB公司、法國(guó)的ERASTEEL公司、日本的HITACHI公司、德國(guó)的THYSSEN公司、美國(guó)的CRUCIBLE公司等,這些企業(yè)基本上都是專業(yè)化生產(chǎn)[3]。近兒年來(lái),我國(guó)年產(chǎn)高速鋼約3萬(wàn)噸,鋼材約2.5萬(wàn)噸。約占世界高速鋼產(chǎn)量的1/10。大連鋼鐵集團(tuán)公司和河北

9、冶金科技公司是原冶金部布點(diǎn)的重點(diǎn)高速鋼生產(chǎn)企業(yè),其產(chǎn)量、品種、質(zhì)量一直處在領(lǐng)先地位,為我國(guó)工具行業(yè)提供了大量?jī)?yōu)質(zhì)的高速鋼,為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。一些重點(diǎn)特鋼企業(yè)如上海五鋼集團(tuán)公司、撫順特殊鋼有限公司、大冶特殊鋼有限公司也積極生產(chǎn)開(kāi)發(fā)高速鋼,長(zhǎng)城特殊鋼公司、貴陽(yáng)鋼廠、西寧特殊鋼有限公司、本鋼特鋼公司等企業(yè)也生產(chǎn)少量高速鋼。改革開(kāi)放以來(lái),特別是近幾年來(lái)在高速鋼生產(chǎn)市場(chǎng)的格局上發(fā)生了很大的變化。一批地方企業(yè)、研究院所和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)異軍

10、突起,瞄準(zhǔn)高附加值的高速鋼產(chǎn)品,建設(shè)生產(chǎn)線。這些企業(yè)發(fā)展的速度很快,有的已形成了規(guī)模化生產(chǎn),成為高速鋼生產(chǎn)的新生力量,已占全國(guó)高速鋼生產(chǎn)的。目前已形成規(guī)</p><p>　　1.2 高速鋼的生產(chǎn)</p><p>　　1.2.1 高速鋼冶煉</p><p>　　高速鋼多用電弧爐冶煉,用精鍛機(jī)或汽錘鍛?，F(xiàn)在國(guó)外一些廠家還采用了爐外精煉,這對(duì)于一些特殊品種的高速鋼來(lái)說(shuō)

11、非常必要,例如雙金屬帶鋸用高速鋼材,要求鋼很純凈,氣體含量很低。連鑄能大幅度提高高速鋼的成材率,但難度很大。德國(guó)和奧地利一些廠家曾進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,但僅奧地利BREITENFELD廠(勃來(lái)登弗勒德廠有試驗(yàn)成功的報(bào)道〕,并已正常生產(chǎn)。采用電渣重熔和快鍛機(jī)加精鍛機(jī)的鍛造方法生產(chǎn)高速鋼大斷面材,取得了良好的效果。我國(guó)特殊鋼廠也多是用電弧爐冶煉高速鋼,生產(chǎn)大斷面材采用電渣重熔。一些中、小型鋼廠采用了感應(yīng)爐加電渣爐的方法生產(chǎn)高速鋼,每年產(chǎn)量約

12、數(shù)千噸。這種方法使用了較多的返回廢鋼,降低了成本。</p><p>　　70年代初，由于氣體霧化制粉盒熱等靜壓技術(shù)的進(jìn)步，誕生了粉末高速鋼。它是快速凝固技術(shù)在工業(yè)上成功應(yīng)用的首例冶金材料。粉末高速鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)碳化物顆粒尺寸細(xì)?。ㄗ畲蠹s3µm），分布均勻；(2)可磨削性好；(3)韌性好；(4)熱處理時(shí)淬硬速度快，在整個(gè)截面上硬度分布均勻；(5)熱處理后變形小而均勻，保持截面圓度好；(6)能生產(chǎn)出

13、常規(guī)鑄鍛工藝不能生產(chǎn)的更高合金含量的高速鋼。氣體霧化粉末高速鋼的生產(chǎn)工藝主要包括兩個(gè)步驟：(1)霧化制粉。鋼在熔煉之后,于高壓氣體霧化制取預(yù)合金高速鋼粉末,每一個(gè)粉末顆粒實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)微小的鋼錠。由于凝固的速度很快,使結(jié)晶組織很細(xì).(2)粉末成型。美國(guó)增禍公司粉末成型的工藝是將粉末裝入鋼包套,脫氣密封之后,直接裝入熱等靜壓機(jī)加溫加壓使之致密成粉末高速鋼。然后剝掉鋼包套,可以鍛或軋成材。瑞典公司則采取了不同的生產(chǎn)工藝。為提高生產(chǎn)效率,該公

14、司把理論密度的裝粉包套先冷等靜壓至理論密度,以提高其導(dǎo)熱率。然后,經(jīng)600℃和1150℃二段預(yù)熱,熱裝機(jī)進(jìn)行熱等靜壓,產(chǎn)品密度可達(dá)理論密度。還有一種噴射沉積技術(shù)可用于生產(chǎn)高速鋼。該技術(shù)由英國(guó)Osprey金屬公司首創(chuàng),所以又Os</p><p>　　1.2.2 高速鋼鍛造</p><p>　　高速鋼屬于高碳、高合金特殊鋼，在退火狀態(tài)甚至在淬火狀態(tài)仍有大量碳化物，因此其具有與眾不同的使用性能

15、和良好的熱加工工藝性能。但碳化物的不均勻性卻給熱加工工藝性能與使用性能帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。嚴(yán)重的碳化物不均勻性使鍛造時(shí)金屬塑性降低，應(yīng)力集中易產(chǎn)生開(kāi)裂，綜合力學(xué)性能與耐磨性差，從而降低了刀具使用壽命。用鍛造提高高速鋼的碳化物均勻度，能為熱處理創(chuàng)造有利條件，提高刀具使用壽命，在工具生產(chǎn)中具有重大作用。當(dāng)鍛件無(wú)碳化物均勻度要求，或原材料已達(dá)到要求級(jí)別時(shí)，大體可以直接采用原材料或簡(jiǎn)單鍛造成形。但生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)鍛造不當(dāng)，特別是鐓粗成形時(shí)，碳化物不均

16、勻度可能升級(jí)。當(dāng)簡(jiǎn)單成形不能滿足碳化物均勻性要求時(shí)，就必須采用特殊鍛造方法，來(lái)改善碳化物均勻性與鋼材纖維方向，以提高工具綜合力學(xué)性能。生產(chǎn)中通常有以下幾種特殊的鍛造方法:</p><p>　　(1)不變方向反復(fù)鐓拔。</p><p><b>　　(2)單十字鐓拔。</b></p><p><b>　　(3)雙十字鐓拔。</b&g

17、t;</p><p>　　(4)對(duì)角線反復(fù)鐓拔等。</p><p>　　上述方法各有其特點(diǎn)與優(yōu)越性，可以根據(jù)工具使用特點(diǎn)與操作掌握程度具體分析選用。但大多數(shù)工廠通常采用的工藝是不變方向反復(fù)鐓拔，基本上能滿足要求，而且操作比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)生裂紋等缺陷較少[7]。</p><p>　　鍛造技術(shù)由自由鍛造發(fā)展到徑向鍛造，其使用的鍛造工具有了很大變化。自由鍛造一般使用上下平砧進(jìn)

18、行鍛造，通過(guò)砧子單方向運(yùn)動(dòng)使錠料或坯料受壓而產(chǎn)生變形如圖1.1所示。由于錠料或坯料在自由鍛造的情況下展寬和軸向延伸不受工具的限制，變形阻力小，根據(jù)金屬塑性變形最小阻力定律，自由鍛的錠料或坯料將產(chǎn)生兩個(gè)方向的塑性變形。而徑向鍛造一般采用四個(gè)錘頭，四個(gè)錘頭在同一平面內(nèi)分成兩組，錠料或坯料在兩個(gè)方向上受壓，其寬展塑性變形受到工具的限制，金屬的塑性變形一軸向延伸為主如圖1.2所示，極大地提高了金屬的鍛造效率[8]。</p><

19、;p>　　圖 1.1 自由鍛（1 錘頭 2 坯料）</p><p>　　圖 1.2 徑向鍛造（1坯料 2錘頭）</p><p>　　徑向鍛造變形技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已由最初的機(jī)械式發(fā)展到現(xiàn)在的液壓式，錘頭的打擊頻次已達(dá)到240次/min，打擊次數(shù)大大超過(guò)了自由鍛造（快鍛機(jī)打擊次數(shù)僅為80次/min左右），打擊頻次的提高不僅可以抵償金屬變形過(guò)程的溫降，而且還將導(dǎo)致金屬變形后溫度的升高

20、，這已被實(shí)踐所證實(shí)。例如液壓式徑向鍛造機(jī)鍛造難變形的高溫合金GH4169，由220mm方坯鍛到直徑140的棒料，從第3道次開(kāi)始，表面溫度升高40～50℃，為了控制終鍛溫度，需要停留一段時(shí)間進(jìn)行最后道次的變形。正因?yàn)閺较蝈懺齑嬖跍厣默F(xiàn)象，始鍛溫度與終鍛溫度差很小。</p><p>　　高合金鋼，尤其是高速工具鋼（W6Mo5Cr4V2）、高合金冷作模具鋼（Cr12Mo1V1）等，因含有大量的合金元素，造成較為嚴(yán)重的

21、成分偏析，加之碳含量較高，碳化物偏析嚴(yán)重，惡化了熱加工性能，其熱加工只能在較窄的溫度區(qū)間進(jìn)行。如果加熱溫度過(guò)高，容易造成鋼錠偏析區(qū)大量的低熔點(diǎn)碳化物產(chǎn)生過(guò)熱和過(guò)燒現(xiàn)象；若終鍛溫度過(guò)低，則表面塑性變差，容易產(chǎn)生表面開(kāi)裂現(xiàn)象[9]。該類鋼若采用自由鍛造，錠到才需開(kāi)中間坯，需多火次才能完成。例如將430mm～430mm的鋼錠鍛到直徑140的圓棒，至少需6火次，而且還需要開(kāi)中間坯。采用徑向鍛造，則只需一火次即可完成全部變形過(guò)程，始鍛溫度與終鍛溫

22、度差僅為40～50K。這樣的結(jié)果是自由鍛無(wú)法做到的。因此徑向鍛造變形溫降小的特點(diǎn)尤其適合高速工具鋼、高合金冷作模具鋼、不銹鋼及高溫合金、鈦合金等南變形材料的鍛造。</p><p>　　高速鋼鍛后從高溫空冷也會(huì)轉(zhuǎn)變馬氏體組織，組織應(yīng)力大而塑性低，很易開(kāi)裂。高速鋼鍛件鍛后應(yīng)緩冷，可以在爐中冷卻或置于爐口外裝料板上緩冷至室溫后，及時(shí)作退火處理。</p><p>　　1.2.3 高速鋼熱處理&l

23、t;/p><p>　　高速鋼的熱處理工藝較為復(fù)雜，必須經(jīng)過(guò)退火、淬火、回火等一系列過(guò)程。退火的目的是消除應(yīng)力，降低硬度，使顯微組織均勻，便于淬火。退火溫度一般為860～880℃。淬火時(shí)由于它的導(dǎo)熱性差一般分兩階段進(jìn)行。先在800～850℃預(yù)熱(以免引起大的熱應(yīng)力)，然后迅速加 熱到淬火溫度1190～1290℃（不同牌號(hào)實(shí)際使用時(shí)溫度有區(qū)別），后油冷或空冷或充氣體冷卻。工廠均采用鹽爐加熱，現(xiàn)真空爐使用也相當(dāng)廣泛。淬火后

24、因內(nèi)部組織還保留一部分(約30%)殘余奧氏體沒(méi)有轉(zhuǎn)變成馬氏體，影響了高速鋼的性能。為使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步提高硬度和耐磨性，一般要進(jìn)行2～3次回火，回火溫度560℃，每次保溫1小時(shí)[10]。</p><p>　　1.3 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)</p><p>　　計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)不僅是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)十分重要而又廣闊的領(lǐng)域，而且也是迅速發(fā)展的一門(mén)綜合性很強(qiáng)的新興科學(xué)，是工程分析、研究和設(shè)計(jì)的重要

25、工具。許多工程分析問(wèn)題，都可歸結(jié)為在給定邊界條件夏秋季起控制方程(常微分方程或偏微分方程的問(wèn)題。但只有方程比較簡(jiǎn)單、幾何邊界想到規(guī)則的少數(shù)問(wèn)題能用解析分法求出精確的解析解。對(duì)于大多數(shù)的工程技術(shù)問(wèn)題，由于物體的幾何形狀比較復(fù)雜或者問(wèn)題的某些特性是非線性的，則很少有解析解。對(duì)于這類問(wèn)題其解決辦法通常有:一是引入簡(jiǎn)化假設(shè)，將方程和邊界條件簡(jiǎn)化為能夠處理的問(wèn)題，得到其在簡(jiǎn)化狀態(tài)下的解，這種方法在某些情況下是可行的，但簡(jiǎn)化過(guò)多又可能導(dǎo)致不正確的甚

26、至是錯(cuò)誤的解。因此，在利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助于計(jì)算機(jī)計(jì)算來(lái)獲得滿足工程要求的數(shù)值解，這就是數(shù)值模擬技術(shù)，也就是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，仿真技術(shù)包括物理仿真和模型仿真。模型仿真，即用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析、研究或?qū)嶒?yàn)。由于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠非常方便地將世紀(jì)工程提供的模型進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)分析，例如:分析研究材料加工過(guò)程的各種力能參數(shù)，為選擇最佳加工方法而改變工藝參數(shù);為獲得最佳設(shè)計(jì)對(duì)各種方案進(jìn)行比較;對(duì)一些新產(chǎn)</p

27、><p>　　計(jì)算機(jī)模擬與優(yōu)化在高速鋼鍛造生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。利用計(jì)算機(jī)，一方面可以在設(shè)備制造前或者在高速鋼生產(chǎn)之前模擬鍛造過(guò)程的變形和力能參數(shù)，從而優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)或工藝參數(shù)，以代替物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鍛造，減小物理模擬實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)投入和現(xiàn)場(chǎng)鍛造的損失;另一方面可以模高速鋼在鍛造過(guò)程中的顯微組織變化，并預(yù)報(bào)軋后鋼的性能，從而優(yōu)化工藝參數(shù)，代替大量金相實(shí)驗(yàn)和工藝參數(shù)研究，保證鋼材所要求的組織和性能[11]。</

28、p><p>　　1.4 本課題研究?jī)?nèi)容</p><p>　　綜上所述，本文的研究以精鍛機(jī)結(jié)構(gòu)與高速鋼生產(chǎn)工藝相結(jié)合，主要通過(guò)DOFORM軟件對(duì)H-13高速鋼鍛造過(guò)程變形的有限元仿真分析，得到坯料在鍛造變形中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，來(lái)分析棒料芯部的變形，進(jìn)而分析該鍛造工藝是否能將坯料鍛透。</p><p>　　2 精鍛機(jī)設(shè)備特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)介紹</p><p&

29、gt;　　2.1 精鍛機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　精鍛機(jī)是一種快速精密鍛壓設(shè)備，由2~8個(gè)對(duì)稱錘頭對(duì)金屬坯料進(jìn)行高頻率鍛打的短沖程壓力機(jī)。錘頭有兩種運(yùn)動(dòng)：(1)由電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)偏心軸帶動(dòng)連桿使錘頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行鍛打；(2)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)偏心套調(diào)節(jié)連桿的位置，改變錘頭的開(kāi)口尺寸，以獲得不同的鍛壓尺寸。鍛壓時(shí)坯料由操作機(jī)的夾頭送入鍛壓箱進(jìn)行往復(fù)鍛壓。這類機(jī)器多用程序控制、數(shù)字控制或微處理控制系統(tǒng)自動(dòng)操作，生產(chǎn)效率高，用

30、以建立熱鍛火車軸等自動(dòng)生產(chǎn)線和冷鍛槍管來(lái)復(fù)線等。鍛件的精度：熱鍛的外徑±0.5 mm，內(nèi)徑±0.1 mm；冷鍛的外徑±0.1mm，內(nèi)徑±0.01 mm。加工實(shí)心或空心長(zhǎng)軸類零件鍛造時(shí)，分布在棒料圓周方向的錘頭(2～8個(gè))對(duì)工件快速和同步鍛打。如工件為圓截面，則一面低速旋轉(zhuǎn)，一面軸向進(jìn)給移動(dòng)；如工件為非圓截面，則只軸向進(jìn)給而不旋轉(zhuǎn)，將鋼錠直接鍛成方鋼、扁鋼等。徑向鍛造的特點(diǎn)是不需要專用模具，能按預(yù)定

31、程序鍛出精密的軸類零件。徑向鍛造每次壓縮量小，每分鐘鍛打次數(shù)高，這種方法可用于熱鍛或冷鍛[12]。</p><p>　　精鍛機(jī)每分鐘錘擊次數(shù)比快鍛液壓機(jī)高一倍，由于錘擊次數(shù)高，坯料形變產(chǎn)生的熱量可抵償坯料散失到環(huán)境中的熱量，因此加工過(guò)程中溫度變化較小。這對(duì)加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金的生產(chǎn)非常合適，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。在一次加熱中坯料總變形率的增加，也就提高了生產(chǎn)率和成材率。數(shù)控鍛壓能保證產(chǎn)品有更高的

32、精度,尺寸公差達(dá)±0.1mm，減少了后續(xù)工序的加工余量。世界上有許多國(guó)家在冶金、機(jī)械制造、國(guó)防工業(yè)上采用了精鍛機(jī)來(lái)生產(chǎn)合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金和難變形合金的產(chǎn)品。用不同型號(hào)的精鍛機(jī)分別將鋼錠或鋼坯鍛成圓形、方形、矩形截面的棒材或鍛成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸、實(shí)心軸和空心階梯軸、錐度軸、厚壁管、炮管等。此外，徑向鍛造機(jī)自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)的鍛件精度高，表面粗糙度小。但也有不足之處，因?yàn)殄懺鞎r(shí)，工件表面變形大于中心部位變形，如果鍛比控制不

33、當(dāng)會(huì)出現(xiàn)心部鍛不透的現(xiàn)象。另外，由于打擊頻率高，產(chǎn)生變形熱，使鍛件局部溫度上升，導(dǎo)致合金顯微組織不均勻，影響性能。 </p><p>　　奧地利GFM是世界知名的徑向鍛機(jī)生產(chǎn)公司，可生產(chǎn)3種類型的精鍛機(jī)：(1)機(jī)械傳動(dòng)的SX型：(2)液壓傳動(dòng)的PX型；(3)連續(xù)式SD型。噸位從80～2500T,最大噸位的SX-85徑向鍛機(jī)，錘頭最大鍛打力為29420 kN，打擊次數(shù)125次/min。此外，德國(guó)Eumuco公司生產(chǎn)

34、精鍛機(jī)，以液壓傳動(dòng)為主，如SMX-18型，最大打擊力2697 kN，打擊次數(shù)180--320次/min[13]。從 20世紀(jì)80年代中期至今，我國(guó)已從奧地利引進(jìn)了400T,500T,800T,1000T和1400T,主要用于鍛制特種鋼、工具鋼和鍛件，使用效果比較理想。河北冶金科技公司2004年引進(jìn)的SX55型即為SX類型，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 GFM公司生產(chǎn)的SX55型精鍛機(jī)</p

35、><p>　　2.2 精鍛機(jī)的類型</p><p>　　在國(guó)內(nèi)外精鍛機(jī)產(chǎn)品中，按主機(jī)傳動(dòng)方式分機(jī)械式和全液壓兩種形式,并且隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展,與控制系統(tǒng)良好的接口技術(shù),全液壓精鍛機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。按照控制系統(tǒng)精鍛機(jī)可分為三種類型：一種是以繼電器為主控單元的傳統(tǒng)型精鍛機(jī)；一種是采用可編程控制器控制的精鍛機(jī)；第三種是應(yīng)用高級(jí)微處理(或工業(yè)控制計(jì)算機(jī))的高性能精鍛機(jī)。三種類型功能各有差異，應(yīng)用

36、范圍也不盡相同。但總的發(fā)展趨勢(shì)是高速化、智能化[14]。</p><p>　　(1)繼電器控制方式是延續(xù)了幾十年的傳統(tǒng)控制方式，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)要求不高，成本較低，相應(yīng)控制功能簡(jiǎn)單，適應(yīng)性不強(qiáng)。繼電器控制方式適用于單機(jī)工作、加工產(chǎn)品精度要求不高的大批量生產(chǎn)，也可組成簡(jiǎn)單的生產(chǎn)線，但由于電路的限制，穩(wěn)定性、柔性差?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)早期引進(jìn)許多精鍛機(jī)是以這種機(jī)型為主。近幾年多進(jìn)行了技術(shù)改造和升級(jí)。</p>

37、<p>　　(2)可編程控制器是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制發(fā)展的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。目前已被廣泛地用于各種生產(chǎn)機(jī)械及自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程種。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器的功能更加豐富。早期的可編程控制器在功能上只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯控制，后來(lái)開(kāi)始采用微電子處理器作為可編程控制器的中央處理單元(CPU)，從而擴(kuò)大了控制器的功能，使其不僅可以進(jìn)

38、行邏輯控制，而且還可以對(duì)模擬量進(jìn)行控制。因此，可編程控制器控制方式是介于繼電器方式和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制方式之間的一種控制方式?？删幊炭刂破骶哂休^高的穩(wěn)定性和靈活性，但在功能方面與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比有一定的差異</p><p>　　(3)工業(yè)控制機(jī)控制方式是在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上采用的一種高技含量的控制方式。這種控制方式以工業(yè)控制機(jī)作為主控單元，以CNC控制技術(shù)直接應(yīng)用數(shù)字閥實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制、同時(shí)利用

39、各種傳感器組成閉合回路的控制系統(tǒng)，達(dá)到精確控制的目的，這種控制方式主要有如下特點(diǎn)：①具有友好的人機(jī)交互性，操作簡(jiǎn)單。②控制精度高。數(shù)字控制的行程長(zhǎng)度及工作行程與傳統(tǒng)的機(jī)械的行程開(kāi)關(guān)控制相比，精度有極大的提高，一般控制精度可達(dá)到0.05mm。③可順利實(shí)現(xiàn)對(duì)工作參數(shù)(壓力、速度、行程等)的單獨(dú)調(diào)整。④預(yù)存工作模式，可對(duì)不同工件的工藝過(guò)程、工藝參數(shù)預(yù)先存儲(chǔ)和重復(fù)調(diào)用，縮短調(diào)整時(shí)間。⑤對(duì)高速下的換向沖擊可利用軟件來(lái)消除，以降低噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)

40、定性。 ⑥在安全方面，可利用軟件進(jìn)行故障預(yù)診斷，并自動(dòng)修復(fù)故障和顯示錯(cuò)誤。⑦易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的集散控制，組成柔性生產(chǎn)線以及與上位機(jī)進(jìn)行通信和實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制。精鍛機(jī)由手動(dòng)、半自動(dòng)發(fā)展到自動(dòng)控制，70年代又發(fā)展到用計(jì)算機(jī)控制。從工藝組成上與其他設(shè)備的聯(lián)合也有了大幅提高，采用液壓鍛壓機(jī)和精鍛機(jī)聯(lián)合作業(yè)，在高速鋼和鈦合金生產(chǎn)中較為普遍，也有采用大小精鍛機(jī)聯(lián)合作業(yè)的。70年代以來(lái),精鍛工</p><p>　　2.3 精鍛機(jī)發(fā)展

41、趨勢(shì)</p><p>　　(1)高速、高效、低能耗。提高精鍛機(jī)的工作效率，降低生產(chǎn)成本。 </p><p>　　(2)機(jī)電液一體化。充分合理地利用機(jī)械和電子方面的先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)整個(gè)液壓系統(tǒng)的完善。 </p><p>　　(3)自動(dòng)化、智能化。 微電子技術(shù)的高速發(fā)展為精鍛機(jī)的自動(dòng)化和智能化提供了充分的條件。自動(dòng)化不僅僅體現(xiàn)在加工，還體現(xiàn)在自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的診斷和調(diào)整，具有

42、故障預(yù)處理功能。 </p><p>　　(4)液壓元件的集成化，標(biāo)準(zhǔn)化。 集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接，有效地防止了泄露和污染。標(biāo)準(zhǔn)化的元件為機(jī)器的維修帶來(lái)方便。 </p><p>　　(5)精鍛機(jī)的宜人化。隨著精鍛機(jī)的高速和自動(dòng)化，限制噪聲和震動(dòng)、防止環(huán)境污染、消除人身事故、保證精鍛機(jī)安全可靠地進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)就顯得非常重要了[15-16]。</p><p>　　3

43、 基于DEFORM的有限元分析</p><p>　　3.1 DEFORM簡(jiǎn)介</p><p>　　3.1.1 EFORM的發(fā)展</p><p>　　DEFORM是ALPID研發(fā)的一款商品化分析軟件，由SFTC公司推廣應(yīng)用。DEFORM-2D 2002年發(fā)布7.2版，1998年退出了三維系統(tǒng)DEFORM-3D，2002年發(fā)布4.0版。它是一套基于有限元仿真系統(tǒng)

44、，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過(guò)程,幫助工程師和設(shè)計(jì)人員:①設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品工藝流程,減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本;②提高工模具設(shè)計(jì)效率,降低生產(chǎn)和材料成本;③縮短新產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)周期。</p><p>　　3.1.2 DEFORM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　DEFORM不同于一般的有限元程序,它是專為金屬成形而設(shè)計(jì)的。它具有非常友好的圖

45、形用戶界面,可幫助用戶很方便地進(jìn)行準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和成形分析。這樣,工程師們便可把精力主要集中在工藝分析上,而不是去學(xué)習(xí)煩瑣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。DEFORM專為大變形問(wèn)題設(shè)計(jì)了一個(gè)全自動(dòng)的、優(yōu)化的網(wǎng)格再劃分系統(tǒng)。</p><p>　　DEFORM是一個(gè)高度模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng),它主要包括前處理器、模擬器、后處理器三大模塊。前處理器處理模具和坯料的材料信息及幾何信息的輸入、成形條件的輸入,建立邊界條件,它還包括有限元網(wǎng)

46、格自動(dòng)生成器;模擬器是集彈性、彈塑性、剛(粘)塑性、熱傳導(dǎo)于一體的有限元求解器;后處理器是將模擬結(jié)果可視化,支持OPGL圖形模式,并輸出用戶所需的模擬數(shù)據(jù)[17]。</p><p>　　3.1.3 DEFORM的功能</p><p>　　(1)成形分析：①冷、溫、熱鍛的成形和熱傳導(dǎo)偶合分析,提供材料流動(dòng)、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息；②豐富的材料數(shù)據(jù)

47、庫(kù),包括各種鋼、鋁合金、鈦合金等,用戶還可自行輸入材料數(shù)據(jù)；③剛性、彈性和熱粘塑性材料模型,特別適用于大變形成形分析,彈塑性材料模型適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問(wèn)題,燒結(jié)體材料模型適用于分析粉末冶金成形；④完整的成形設(shè)備模型可以分析液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機(jī)械壓力成形；⑤溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷及其他場(chǎng)變量等值線的繪制使后處理簡(jiǎn)單明了。</p><p>　　(2)熱處理：①模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工

48、藝過(guò)程;②預(yù)測(cè)硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；③可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品的硬度分布；④可以分析各種材料晶相,每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性?；旌喜牧系奶匦匀Q于熱處理模擬中每步各種金屬的百分比。</p><p>　　DEFORM用來(lái)分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用,各種現(xiàn)象之間相互耦合。擁有相應(yīng)的模塊之后這些耦合將包括由于塑性變形引起的升溫、加熱軟化、相變控制溫度、相變

49、內(nèi)能、相變塑性、相變應(yīng)變、應(yīng)力對(duì)相變的影響以及含碳量對(duì)各種材料屬性產(chǎn)生的影響等[18]。</p><p>　　3.2 剛塑性有限元法</p><p>　　塑性成型一般為大變形問(wèn)題，此時(shí)材料的彈性變形量相對(duì)于塑性變形量可以忽略不計(jì)，因而可視為剛塑性材料。針對(duì)這種剛塑性材料建立的有限元法就稱為剛塑性有限元法，它是小林史郎（Shiro Kobayshi）和李（Lee.C.H）于1973年提出的

50、，二十年來(lái)已得到很大的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于分析各種塑性加工問(wèn)題。</p><p>　　人們常采用拉格朗日乘子法、罰有限元法和雜交有限元。</p><p>　　3.2.1 拉格朗日乘子法 </p><p>　　它所用的變分原理是基于最小勢(shì)能原理的混合變分原理，將不可壓縮約束條件用乘子 λL 相乘代入勢(shì)能中來(lái)修正勢(shì)能。利用修正的勢(shì)能原理可以得出位移與拉氏乘子 λL為基本

51、未知數(shù)的控制方程。其主要特點(diǎn)是同時(shí)以節(jié)點(diǎn)位移和靜水壓力為基本未知量進(jìn)行聯(lián)立求解。盡管混合變分公式的具體形式不同，但最終的離散方程皆有如下形式：</p><p>　　其中[K ]，[E ] 為單剛中非零矩陣，上標(biāo)T 表示轉(zhuǎn)置；Δu 為位移增量；Δp 為</p><p>　　靜水壓力增量；R為單元等效外力；F 為單元內(nèi)力；I 為不可壓縮修正項(xiàng)。 該方</p><p>　

52、　法的優(yōu)點(diǎn)是直觀，且不必對(duì)零體積膨脹約束進(jìn)行特殊處理；缺點(diǎn)是增加了自由度</p><p>　　數(shù)目，即拉氏乘子λL的數(shù)目，λL的出現(xiàn)會(huì)增加最后切向剛度方程的帶寬，使運(yùn)</p><p>　　算效率降低，另外導(dǎo)致了離散矩陣的非定性，難用一般方法求解。呂和祥采用了</p><p>　　子結(jié)構(gòu)法解決了該問(wèn)題，但較繁，不易于推廣，范家齊等也對(duì)受內(nèi)壓的橡膠圓柱</p>

53、;<p><b>　　進(jìn)行了研究。</b></p><p>　　3.2.2 罰有限元法 </p><p>　　將罰函數(shù)的概念引入有限元中，把應(yīng)變能分解成偏應(yīng)力和體應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變的</p><p>　　疊加形式，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膽土P函數(shù)，利用罰因子放松不可壓縮的約束條件，最</p><p>　　終得到只含位移

54、未知量的離散方程。為了避免數(shù)值上的困難，插值函數(shù)和求單元</p><p>　　剛度陣的數(shù)值積分是分開(kāi)進(jìn)行的。對(duì)剛度矩陣中體變部分用低于其他項(xiàng)積分階段</p><p>　　的簡(jiǎn)化積分法，由于是有選擇的不同積分階段，所以也稱選擇積分法。用靜力凝</p><p>　　聚法消去壓力自由度，最后只剩下節(jié)點(diǎn)位移為自由度，因而方程階數(shù)未增加，效</p><p&

55、gt;<b>　　率高于拉氏乘子法。</b></p><p>　　優(yōu)點(diǎn)是由于乘法函數(shù)的引入，使得剛度矩陣對(duì)角線上的零元素消失，變得對(duì)</p><p>　　稱正定，可以通用的解法進(jìn)行求解；缺點(diǎn)是為了確保迭代過(guò)程的收斂，要適當(dāng)?shù)倪x擇懲罰因子。</p><p>　　3.2.3 雜交有限元</p><p>　　雜交應(yīng)力元由卞學(xué)

56、簧于1964年首次提出，其后雜交元理論不斷發(fā)展，其應(yīng)用對(duì)象從二維，平板發(fā)展到三維和殼體，在橡膠類材料的小變形中得到了應(yīng)用。 雜交應(yīng)力元采用的是基于最小余能原理的Reissner變分原理，以節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力作為基本未知量，對(duì)于不可壓縮橡膠類材料又引入靜水應(yīng)力作為基本未知量。其應(yīng)力可用單元的應(yīng)力參數(shù)插值來(lái)表示：</p><p>　　其中[p]是應(yīng)力函數(shù)矩陣，{β}是應(yīng)力參數(shù)列向量，這樣首先對(duì)應(yīng)力進(jìn)行變分，使</p

57、><p>　　得應(yīng)力未知量在單元范圍內(nèi)凝聚掉，最后得到的單元?jiǎng)偠确匠?，與混合法（拉氏</p><p>　　乘子法）基本相同，但有本質(zhì)區(qū)別。 雜交應(yīng)力元在單元內(nèi)放松了對(duì)位移的約束，</p><p>　　使單元有比較適中的剛度，一般能給出比較準(zhǔn)確的位移解，由于直接假定了單元</p><p>　　內(nèi)的應(yīng)力模式，沒(méi)有求導(dǎo)引起的精度損失，而且可以根據(jù)具體問(wèn)

58、題選擇最優(yōu)的應(yīng)</p><p>　　力模式，使得單元內(nèi)應(yīng)力值及其分布規(guī)律更為合理。特別是在板殼類問(wèn)題中，避</p><p>　　免了單元間難以協(xié)調(diào)的困難[19]。</p><p>　　4 高速鋼精鍛過(guò)程建模</p><p>　　4.1 Pro/Engineer簡(jiǎn)介</p><p>　　Pro/Engineer是世界

59、上最成功的CAD/CAM軟件之一，它是美國(guó)PTC公司的產(chǎn)品。該公司1985年成立于波士頓，現(xiàn)已發(fā)展為全球CAD/CAM/CAE領(lǐng)域最具代表性的著名公司，其軟件產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)了MDA(Mechanical Design Automation)軟件的新發(fā)展，所采用的新技術(shù)比其他MDA軟件具有更多優(yōu)越性</p><p>　　Pro/Engineer的功能非常強(qiáng)大，為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供完整的解決方案，廣泛用于造型設(shè)

60、計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析及關(guān)系庫(kù)管理等各個(gè)領(lǐng)域。它的產(chǎn)品功能模塊包括：基本模塊、曲面造型、特征定義、裝配設(shè)計(jì)、組件設(shè)計(jì)、工程制圖、圖表設(shè)計(jì)、電纜制造、模具設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、有限元網(wǎng)格等</p><p>　　Pro/Engineer軟件具有強(qiáng)大的實(shí)體造型功能。它完全集成了表面和實(shí)體建模技術(shù)，是一個(gè)領(lǐng)先的造型軟件。Pro/Engineer能完成任何工業(yè)設(shè)計(jì)，而且任何設(shè)計(jì)思想都能得到體現(xiàn)。本

61、課題之所以采用Pro/Engineer來(lái)建模是因?yàn)樵谟邢拊浖薪Ｏ鄬?duì)比較困難而Pro/Engineer與其它建模軟件相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：</p><p>　　(1)實(shí)體造型。設(shè)計(jì)人員可在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，在屏幕上能夠見(jiàn)到產(chǎn)品的真實(shí)三維模型，這是工程設(shè)計(jì)方法上的一個(gè)重大的突破。產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，更改越頻繁，則采用三維實(shí)體軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)越性越突出。 </p><p

62、>　　(2)參數(shù)化設(shè)計(jì)?？墒巩a(chǎn)品的設(shè)計(jì)隨著某些結(jié)構(gòu)尺寸修改和使用環(huán)境的變化而自動(dòng)修改圖形。 </p><p>　　(3)特征設(shè)計(jì)。它具有很突出的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段就可以把很多后續(xù)環(huán)節(jié)要使用的有關(guān)信息存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣便于實(shí)現(xiàn)并行工程，使得設(shè)計(jì)繪圖、計(jì)算分析、工藝審查等后續(xù)工作都順利的完成。 </p><p>　　(4)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)過(guò)程能充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)良性能，最

63、大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)潛力，最大限度地減少設(shè)計(jì)實(shí)施階段不必要的重復(fù)工作。 </p><p>　　(5)具有與其它有限元分析軟件無(wú)縫接口功能。 </p><p>　　(6)具有強(qiáng)大的數(shù)控加工能力。 </p><p>　　(7)能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成用戶的特殊要求[20]。</p><p>　　4.2 鍛造過(guò)程建模</p>&l

64、t;p>　　精鍛機(jī)在鍛造過(guò)程中使坯料變形的直接原因是錘頭的壓下和坯料的進(jìn)給，因此在進(jìn)行模擬建模時(shí)，只需將錘頭、坯料和夾持器建出。</p><p>　　錘頭以前視基準(zhǔn)面，坐標(biāo)原點(diǎn)為錘頭下便面中心點(diǎn)建立。坯料及夾持器選右視基準(zhǔn)面，以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心點(diǎn)建立。將建好的所有模型，保存為STL格式文件圖4.1為精鍛機(jī)錘頭模型，具體尺寸見(jiàn)附表1。</p><p>　　坯料模型如圖4.2所示，由于模擬

65、目的是研究坯料芯部能否鍛透，所以無(wú)需將整個(gè)棒料進(jìn)行鍛造，故建模時(shí)取坯料長(zhǎng)度為800mm，直徑315mm。將建好的模型，保存為STL格式文件。</p><p>　　圖4.3為夾持器模型。夾持器是用來(lái)夾緊棒料，帶動(dòng)棒料送進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的機(jī)械手臂。實(shí)際中為四爪結(jié)構(gòu)，如圖4.4，為了簡(jiǎn)化該部件，造型時(shí)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)350mm直徑400mm的封底圓筒，中心孔直徑與坯料相等為315mm深300mm。將建好的模型，保存為STL格式文件。&

66、lt;/p><p><b>　　4.3 模型導(dǎo)入</b></p><p>　　4.3.1 各部分位置的確定</p><p>　　進(jìn)入DEFORM-3D前處理界面，在DEFORM SIMULATION下添加坯料和模具。精鍛機(jī)共有四個(gè)錘頭和夾持器，故添加5個(gè)模具。添加時(shí)將Bottom Die刪去，因?yàn)橄到y(tǒng)默認(rèn)該模具不動(dòng)。將建好的錘頭、坯料及夾持器模

67、型導(dǎo)入到DEFORM-3D中。將模型導(dǎo)入到DEFORM-3D時(shí)，由于建模時(shí)不在一起，導(dǎo)入時(shí)位置還需調(diào)整。目的是使各錘頭同軸同心，以保證在鍛造過(guò)程中每個(gè)錘頭的作用效果相同，盡量與實(shí)際生產(chǎn)接近。具體調(diào)整方法如下：</p><p>　　(1)在Object positioning中調(diào)整錘頭。將導(dǎo)入后的錘頭以X軸旋轉(zhuǎn)90°沿Y軸正向移動(dòng)404.5mm即為T(mén)op Die;將導(dǎo)入的錘頭旋轉(zhuǎn)-90，沿Y軸負(fù)方向移動(dòng)

68、404.5mm為Object 4;將導(dǎo)入的錘頭旋轉(zhuǎn)180，沿Z軸正向移動(dòng)404.5mm為Object 5；將導(dǎo)入的錘頭直接沿Z軸負(fù)方向移動(dòng)404.5mm為Object 6。</p><p>　　(2)將坯料沿X軸正向移動(dòng)240mm，即位于變形帶的起始位置。</p><p>　　(3)將導(dǎo)入的夾持器即Object 8沿Z軸旋轉(zhuǎn)180，再沿X正向移動(dòng)1050mm</p><

69、p>　　為了保證夾持器內(nèi)底與坯料接觸，在Interference中設(shè)定Object 8 與workpiece在X負(fù)方向接觸。</p><p>　　設(shè)定完成后點(diǎn)擊Apply然后點(diǎn)OK，到此為止，工件、錘頭及夾持器間的位置關(guān)系就已確定，如圖4.5所示。</p><p>　　4.3.2 參數(shù)設(shè)定</p><p><b>　　精鍛機(jī)及坯料參數(shù)</b&

70、gt;</p><p><b>　　(1)精鍛機(jī)</b></p><p>　　鍛打頻率：200次/min;</p><p>　　壓下量：10mm/道次</p><p>　　角速度：13.3°/s;</p><p>　　進(jìn)給量：15mm/s</p><p><

71、b>　　(2)坯料</b></p><p>　　坯料直徑:φ315mm;</p><p>　　坯料長(zhǎng)度：1000mm;</p><p>　　始鍛溫度：1040℃;</p><p><b>　　終鍛溫度：960℃</b></p><p><b>　　基本假設(shè)：</b

72、></p><p>　　(1)整個(gè)過(guò)程為恒溫，不考慮溫度效應(yīng)。</p><p>　　(2)視模具為剛體。</p><p>　　(3)不考慮材料的缺陷及密度變化等問(wèn)題。</p><p>　　(4)忽略材料的重力及慣性作用。</p><p>　　在Inter-object下設(shè)定各部分之間的摩擦因素：錘頭與坯料間摩擦因

73、素為0.3，夾持器與坯料間的摩擦因素要使的夾持器與坯料不能發(fā)生滑動(dòng)，故取摩擦因素為100。在Mesh下劃分坯料網(wǎng)格，由于工件比較大，為保證模擬更加精確，網(wǎng)格取30000個(gè)。最小單元格的邊長(zhǎng)約為12mm，其1/3約為4mm，為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，設(shè)定錘頭每步的壓下量為2.5mm。模擬兩個(gè)道次，第1個(gè)道次設(shè)定錘頭壓下10mm后回退40mm，以保證在坯料在旋轉(zhuǎn)式不與工件接觸，第2道次單邊壓下量10mm后回退40mm。由于坯料只要通過(guò)錘頭整形

74、帶便達(dá)到要求尺寸，故模擬時(shí)無(wú)需全部鍛造，經(jīng)計(jì)算在第1道次中夾持器送進(jìn)10次時(shí)，坯料在整形帶的長(zhǎng)度大于65mm。在第2道次中夾持器送進(jìn)9次，坯料到達(dá)整形帶。載荷施加和位移約束的設(shè)定模擬采用位移來(lái)控制變形量,錘頭位移約束的設(shè)定由速度-時(shí)間圖來(lái)控制其在徑向方向的鍛打,而操縱器的位移約束的設(shè)定由拉打速度-時(shí)間圖來(lái)控制其在軸向的送進(jìn)。</p><p>　　第1道次個(gè)部分運(yùn)動(dòng)的時(shí)間-速度如圖4.6根據(jù)錘頭運(yùn)動(dòng)步數(shù)在Simul

75、ation Controls下設(shè)定模擬步數(shù)為370步，每?jī)刹奖４嬉淮?。時(shí)間增量為1秒。</p><p>　　第2道次個(gè)部分運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間如圖4.7，模擬步數(shù)為560步，每?jī)刹奖４嬉淮?，時(shí)間增量為1秒。</p><p>　　全部參數(shù)設(shè)定完成后，點(diǎn)擊Database generation檢查參數(shù)是否完整。無(wú)誤后退出前處理操作界面，點(diǎn)擊RUN開(kāi)始模擬過(guò)程。</p><p&g

76、t;　　5 模擬結(jié)果及分析</p><p><b>　　5.1 鍛透性</b></p><p>　　根據(jù)上一章的前處理的參數(shù)，，對(duì)該鍛造工藝進(jìn)行了模擬，并從鍛造后工件的破壞因子、等效應(yīng)變及等效應(yīng)力三個(gè)方面進(jìn)行分析，以此分析工件鍛造后的破壞狀況及鍛透性。所謂鍛透性，是指在坯料的整個(gè)半徑上鍛造時(shí)所能達(dá)到的塑性變形深度,為了定量研究鍛透性,給出鍛透性定義如下：當(dāng)心部的等

77、效應(yīng)變值大于0.2時(shí),認(rèn)為坯料被鍛透,即此時(shí)鍛透性（FPE）為100%。在等效應(yīng)變場(chǎng)中,根據(jù)其值為0.2的等值線距鍛件表面的深度與坯料原始半徑的比值來(lái)判斷塑性變形深度,進(jìn)而定量確定鍛透性的大小。</p><p><b>　　5.2 破壞分析</b></p><p>　　在第1道次所選截面上取三個(gè)點(diǎn)P1，P2，P3,三點(diǎn)的坐標(biāo)見(jiàn)表5.1,三點(diǎn)位置圖如圖5.1(a)所示

78、。利用DEFORM點(diǎn)追蹤功能，獲取了破壞因子的云圖及隨時(shí)間的變換關(guān)系曲線圖5.1。</p><p>　　表5.1 第1道次三點(diǎn)標(biāo)</p><p>　　在第2道次所選截面上取三個(gè)點(diǎn)P1，P2，P3，三點(diǎn)的坐標(biāo)坐標(biāo)見(jiàn)表5.2，三點(diǎn)的位置如圖5.2(a)所示，利用點(diǎn)追蹤得到破壞因子的云圖及隨時(shí)間的變換曲線關(guān)系圖5.2</p><p>　　表5.2 第2道次三點(diǎn)坐標(biāo)<

79、/p><p>　　如圖5.1所示，坯料在第1道次的破壞等值線及三點(diǎn)的破壞變化曲線坯料在第2道次的破壞等值線及三點(diǎn)的破壞變化曲線如圖5.2所示。從圖5.1(a)和圖5.2(a)可以看出坯料在第2個(gè)道次破壞程度比第一道次大，表層金屬破壞主要集中在錘頭與坯料壓實(shí)后的兩側(cè)，這是由于錘頭下壓過(guò)程中將金屬擠出，金屬流動(dòng)時(shí)與錘頭發(fā)生摩擦導(dǎo)致。而變形越大，金屬就流動(dòng)越多。由圖5.1(b)和圖5.2(b)可以看出，隨著壓下量的增大，破

80、壞增大，而且越是接近表面，金屬的破壞程度越大。破壞程度的大小是由金屬應(yīng)變大小決定的，所以從破壞的模擬結(jié)果來(lái)看，坯料在鍛造的過(guò)程中，表層和內(nèi)部金屬發(fā)生流動(dòng)，且內(nèi)部流動(dòng)不如表層劇烈，間接地反映出坯料的應(yīng)變。</p><p><b>　　5.3 應(yīng)力分析</b></p><p>　　選取與圖5.1中相同位置的三點(diǎn)，提取了該三點(diǎn)的等效應(yīng)力場(chǎng)在應(yīng)力分析中與破壞分析中每個(gè)道次取

81、同樣的三個(gè)點(diǎn)，坐標(biāo)值不變，見(jiàn)表5.1，表5.2。第1道次所取截面應(yīng)力等值曲線及點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖5.3。</p><p>　　圖16為第2道次應(yīng)力等值線圖及P1，P2，P3的應(yīng)力變化曲線。</p><p>　　應(yīng)力反映了坯料在鍛造過(guò)程中的首例狀況，當(dāng)坯料受到的應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)發(fā)生起皺或開(kāi)裂的缺陷。

82、 </p><p>　　從圖5.3(a)和圖5.4(a)可以看出鍛造時(shí)的應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸增大，第1道次的最大應(yīng)力為192Mp而第2道次的最大應(yīng)力為320Mp，所以應(yīng)力是隨壓下量變化的，壓下量越大坯料受到的應(yīng)力也越大。坯料芯部受到軸向的應(yīng)力，在相鄰兩個(gè)錘頭間的鼓形區(qū)和棱角處受到較大的拉應(yīng)力。

83、

84、 </p><p>　　從圖5.3(b)和圖5.4(b)波浪形的曲線不難看出，坯料在受到錘頭鍛壓時(shí)才產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)錘頭不與坯料表面接觸時(shí)應(yīng)力消失或變得很小，剩余的應(yīng)力便是殘余應(yīng)力。在坯料送進(jìn)的開(kāi)始階段，

85、由于送進(jìn)量和壓下量都較小，三點(diǎn)的應(yīng)力值相差不大，但隨著送進(jìn)量的增加，三點(diǎn)的應(yīng)力增大且越靠近坯料表層受到的應(yīng)力越大。</p><p><b>　　5.4 應(yīng)變分析</b></p><p>　　坯料受到的應(yīng)變直接反映了其在鍛造過(guò)程中的變形情況。合理的變形量，可以起到鍛合內(nèi)部缺陷，破碎碳化物，改善組織的效果。</p><p>　　由圖5.5(a)可

86、以看出在第1道次的變形中由于壓下量較少，坯料整體的應(yīng)變都比較小，變形量最大處主要集中早錘頭與坯料作用的周圍。由圖5.5(b)可以看到芯部變形量很小，只有0.0117，離等值線B=0.195還很遠(yuǎn)，距鍛透假設(shè)的最小的0.2相差更多。根據(jù)鍛透性的定義，坯料在第1道次的鍛透性約為1/3。坯料的變形量由內(nèi)到外逐漸增大，且在鍛造時(shí)，由于錘頭的變形帶為斜面，所以，當(dāng)錘頭的壓下量一定時(shí)，坯料的變形是隨送進(jìn)量的增多而逐漸增大到10mm。因此坯料的應(yīng)變曲

87、線是呈階梯狀增大，如圖5.5(b)和5.6(b)所示。</p><p>　　從圖5.6(a)第2道次的應(yīng)變等值線可以明顯的看出等值線的間距變小，一直到達(dá)芯部，表層的應(yīng)變量較芯部依舊很大，呈內(nèi)向外逐漸增大的趨勢(shì)，芯部的應(yīng)變值介于C和D兩條等值線之間。結(jié)合圖5.6(b)，可以看到在鍛造結(jié)束時(shí)芯部的應(yīng)變值達(dá)到了0.595，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鍛透的0.2。所以，坯料在第2道次中，芯部被鍛透。即，GFM精鍛機(jī)在鍛打Φ315mm至Φ1

88、60mm的H-13高速鋼棒料時(shí)是可以鍛透的。</p><p><b>　　5.5 小結(jié)</b></p><p>　　綜合上述的破壞、應(yīng)力應(yīng)變分析可以看出，坯料在錘頭單邊壓下量為20mm的時(shí)候被鍛透，鍛造結(jié)束時(shí)坯料芯部的應(yīng)變?yōu)?.595，遠(yuǎn)大于鍛透要求的最小值0.2。所以針對(duì)H-13高速鋼的鍛造工藝是可以將芯部鍛透的。</p><p>　　實(shí)際

89、生產(chǎn)中大鋼錠的斷面尺寸大，疏松、孔隙等缺陷多集中于鋼錠的中心區(qū)域，在鍛造過(guò)程中，可以改變鋼錠的鑄態(tài)組織，大的變形量，可以將這些缺陷減小或鍛合。同時(shí)，對(duì)于高速鋼來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部含有大量的碳化物，這些碳化物有的呈粗大的魚(yú)骨狀，有的呈網(wǎng)狀包圍在晶粒的周圍，當(dāng)坯料行不變形較大時(shí)，即鍛透時(shí)，可以使這些碳化物打碎，并均勻分布，從而改善金屬的各項(xiàng)性能。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p

90、><p>　　通過(guò)數(shù)值模擬的應(yīng)力應(yīng)變分析可以的到以下結(jié)論：</p><p>　　(1)鍛造過(guò)程中，坯料表層受到較大的破壞和應(yīng)力應(yīng)變，而芯部的破壞和應(yīng)力應(yīng)變較小，且受到的破壞和應(yīng)力應(yīng)變隨壓下量的增大而增大。</p><p>　　(2)GFM精鍛機(jī)在鍛造H-13高速鋼φ315mm的坯料至φ160mm時(shí)，第一道次沒(méi)有鍛透，芯部的等效應(yīng)變值只有0.0117遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.2的應(yīng)變量

91、，第二道次及后續(xù)道次都已鍛透。</p><p>　　(3)鍛透性隨壓下量的增加而變大。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　衷心感謝我的導(dǎo)師韓鵬彪教授。本課題的研究工作是在韓老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、研究計(jì)劃的制定、技術(shù)路線的選擇到系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制，各個(gè)方面都離不開(kāi)韓老師熱情耐心的幫助和教導(dǎo)。在課題研究階

92、段，韓老師認(rèn)真的工作態(tài)度，誠(chéng)信寬厚的為人處世態(tài)度，都給我留下了難以磨滅的印象，也為我今后的工作樹(shù)立了優(yōu)秀的榜樣。  </p><p>　　三個(gè)月的學(xué)習(xí)和研究，不僅使我的知識(shí)結(jié)構(gòu)和科研能力上了一個(gè)新臺(tái)階，更重要的是，各方面的素質(zhì)得到了提高。而這一切，都要?dú)w功于韓老師的深切教誨與熱情鼓勵(lì)。值此論文順利完成之際，我首先要向我尊敬的導(dǎo)師韓老師表達(dá)深深的敬意和無(wú)以言表的感謝。同時(shí)感謝劉玉忠老師、閆華軍老師、代學(xué)蕊

93、老師和魯素玲老師在我學(xué)習(xí)期間給予的幫助。</p><p>　　感謝河北冶金科技的領(lǐng)導(dǎo)，在課題研究上給予的大力支持與幫助。特別是鄭偉工程師，在他的幫助下我才順利的完成了該課題的研究。  </p><p>　　感謝在我困惑時(shí)無(wú)私給予我?guī)椭膭⑵麓T士和張健學(xué)長(zhǎng)。劉坡學(xué)長(zhǎng)靈活考慮問(wèn)題的方式，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問(wèn)題的態(tài)度;扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)功底，認(rèn)真的科研態(tài)度都給我留下了深刻的印象。  &l

94、t;/p><p>　　感謝我們課題組的吳海利、吳海暘，和他們一起度過(guò)了這段美好時(shí)光是難以忘記的。  </p><p>　　最后，向所有關(guān)心我的親人、師長(zhǎng)和朋友們表示深深的謝意。 </p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1 羅迪等，近年高速工具鋼的發(fā)展概況.特殊鋼，1996，17

95、（2）：8~9</p><p>　　2 趙建政，賈志琦.國(guó)內(nèi)外高速鋼發(fā)展現(xiàn)狀.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，1997，（2）：13~15</p><p>　　3 王世章，徐軍編譯.近年來(lái)西德工具鋼研究進(jìn)展.國(guó)外金屬材料，1984,9：89~90</p><p>　　4 趙發(fā)忠.中國(guó)高速工具鋼的現(xiàn)狀和發(fā)展建議.特殊鋼,1998,19（4）：36~37</p>

96、<p>　　5 C. Tornberg. etal. Proceedings, First, Inteernational High Speed Steel Conference,1990：107</p><p>　　6 R.G. Brooks , Industrial Heating ,1990,57(11)：46</p><p>　　7 邢曉東，趙振霞.高速鋼的鍛造.金

97、屬加工，2009（21）：50</p><p>　　8 張洪奎等.徑向鍛造技術(shù)的應(yīng)用.寶鋼技術(shù)，2005（5）：15~17</p><p>　　9 朱長(zhǎng)青.高速鋼鍛件裂紋缺陷產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施.河北冶金，2009（3）：40~41.</p><p>　　10 李躍軍.高速鋼鍛造工藝分析.金屬加工，2010（5）：59~60</p><p&

98、gt;　　11 周朝輝等.DEFORM有限元分析系統(tǒng)軟件及其應(yīng)用.熱加工工藝，2003（4）：51~52</p><p>　　12 晉魯全.30MN聯(lián)動(dòng)液壓機(jī).鍛壓機(jī)械，1989，（4）：39~40</p><p>　　13 李季.快速液壓機(jī)的研制.鍛壓機(jī)械，1995，（2）：26~28</p><p>　　14 Pang Zhenxu，Li Congxin

99、，Ruan Xueyu.Structure and Control of High Speed Forging Hydraulic Press.Journal of shanghaijiaotong University，2000，34(10)：1400~1401</p><p>　　15 馬占山，李大為，桂興春.四柱液壓機(jī)的PLC改造.煤炭技術(shù)，2004,23（6）：44~46</p><

100、p>　　16 Qin Dongchen， Qi Jianzhong，Lu Yueli.Structural optimization design for lower beam of Y32-500B four-column hydraulic Presser.Journal of Mechanical Strength，2001，23（2）：246~248</p><p>　　17 田甜，張?jiān)姴?DE

101、FORM在鍛造中的應(yīng)用.冶金設(shè)備，2009，177（5）：67~69</p><p>　　18 杜海威，劉凱泉，郭義.DEFORM軟件在加工制造業(yè)中的應(yīng)用.一重技術(shù)，2008，（3）：103~105</p><p>　　19 俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008,271~283</p><p>　　20 張信軍.精鍛機(jī)夾頭設(shè)計(jì)及關(guān)鍵