扭转镦粗的杆件的设计[ 04-20 08:05 ]

如图 5.1 中，该扭转镦粗装置共有 3 处的杆件较为特殊，分别是连杆 13、推杆 16和连杆 17。 连杆 13 主要是将压力机传来的竖直压力传递给下面的推力机构，转化成水平推力。如图 5.3，连杆下端为一 U 型槽，其主要用途是：一跟连杆 14 依靠销钉连接在一起的时候起到导向作用；二在扭转镦粗结束后，压力机在提升时，防止提升过高从而拽脱连杆。如图 5.4，推杆 16 上打有多个销钉孔，其主要作用是为了能够在扭转镦粗的时候，调节扭转的角度，根据公式 5-4 可以算出连接不同的销钉孔所扭转的角度α的大小

推力轴承的选取[ 04-19 10:05 ]

由于扭转镦粗工艺在扭转台扭转的同时会有很大的轴向下压载荷，所以如果光靠一个普通深沟球轴承是无法承受过大的轴向载荷。因此还需要添加一个推力轴承，推力轴承又称作止推轴承，其主要承受轴向力。常见的推力轴承有：推力球轴承、推力圆柱滚子轴承、推力圆锥滚子轴承、推力调心滚子轴承等。其中推力圆柱滚子轴承所能承受的轴向载荷最大。本文设计的扭转镦粗装置所选取的推力轴承为 81124 型推力圆柱滚子轴承，其主要参数如表 5-2 所示。扭转镦粗时，扭转台不仅需要扭转的推力更主要受到了轴向的下压载荷，这就需要对推力轴承的载荷进行校对。本文

普通深沟球轴承的选取[ 04-19 09:05 ]

深沟球轴承是滚动轴承中最为常用的一种类型，用途很广泛，成本低且耐用。深沟球轴承主要是承受径向的载荷，其摩擦系数非常小，能为扭转台提供平稳的扭矩。本文设计的扭转镦粗装置所选取的普通深沟球轴承代号为 6405 型，其主要参数如表5-1 所示。

扭转镦粗装置设计[ 04-19 08:05 ]

扭转镦粗工艺需要在下压的同时提供扭转力，为了能在同一台压力机上完成这项工艺，本文设计了一套扭转镦粗装置，装配图如图 5.1 所示，三维图如图 5.2 所示。从图 5.1 来分析该装置的工作原理，上固定板 1 和 11 安装于压力机的上横梁，两夹板 12与连杆 13 通过销钉铰接，连杆 13 与 14 所示的 4 个连杆通过销钉连接，推杆 9 与连杆14 通过销钉连接后，让销钉穿过导向座 10 的滑槽，使得连杆、推杆组成推力机构，推杆 9 与连杆 17 通过销钉连接，连杆 17 主要起到在扭转时改变推力方向的作用，推

正交表的选用及实验设计[ 04-18 10:05 ]

正交表的选取时正交试验设计的最为首要的任务。要在已经确定因素和水平后，根据这两项以及需要交互作用的多少来选择正确的正交表。其选择原则是在可以安排下试验因素以及交互作用的前提下，尽可能选取最小的正交表，从而减少试验次数。正交表的表示形式如图 4.1。其中 L 为正交表的代号，a 为试验总次数（即行数），b 为因素水平数，c 为因素个数(（即列数）。因为本试验共考虑高径比、摩擦因子、下压速度以及扭转角度 4 个因素，所以选择 ）（49L3 。即需要共作 9 次试验，最多可观察 4 个因素，每个因素均为 3 水平。本试验

扭转镦粗影响因素[ 04-18 09:05 ]

影响锻件扭转镦粗的因素本文主要考虑高径比、摩擦因子、下压速度、扭转角度这四项。高径比是锻件形状的主要考虑因素，它直接影响变形所需的载荷。摩擦因子对于扭转镦粗是非常重要的因素，扭转镦粗对比传统平砧镦粗其主要增加的就是径向的剪切应力，而锻件与模具之间的摩擦又是最直接影响剪切应力大小的因素，不同的摩擦条件会影响锻件变形的均匀性。对于锻压工艺来说，下压速度是一项必须考虑的因素，其不仅对下压载荷有所影响，而且对锻件的形状有影响例如鼓形等。扭转角度对于扭转镦粗工艺来说也是很重要的影响因素，角度过小剪切应力不能起到对锻件的作用，

正交试验设计的基本原理[ 04-18 08:05 ]

正交试验设计是利用正交表来安排并分析多因素试验的一种高效设计方法。正交试验是在多试验因素的全部水平组合中，挑选出最为有代表性的水平组合进行试验，通过这些挑选出的试验分析其试验结果从而了解全面试验的情况，进而找出最优的水平组合。利用少量的试验组合完成大量试验组合工作，从而大大减少试验的次数与规模。正交试验设计需要注意的几个参数： （1）指标：就是试验要考核的效果。在正交试验当中，常用 X、Y、Z 来表示主要设计可测量的定量指标。   （2）因素：就是对试验指标可能会产生影响的原因或要素。

不同扭转角度对扭转镦粗的影响[ 04-17 10:05 ]

由于扭转镦粗成形工艺不同于传统的平砧镦粗，不同的扭转角度会直接影响工件的变形程度，因此对扭转角度应该做必要的研究分析。钢锭初始温度为 1200℃，直径为 200mm，高为 150mm，高径比为 0.75，下压速度为 10mm/s，下压量均为 40%，摩擦因子为 0.45。不同扭转角度对 30Cr2Ni4MoV 钢锭扭转镦粗的影响分析如下：从表 3-7 可以看出，扭转角度从 15°增加到 45°最大等效应变值是一个减小的过程，而扭转角度在 45°以后，随着角度的增加最大应变值也在逐渐增大，整个

不同下压速度对扭转镦粗的影响[ 04-17 09:05 ]

由于锻压时，镦粗是最主要的工序，那么下压速度的不同势必对工件成形有所影响。在钢锭初始温度为 1200℃，直径为 200mm，高为 200mm，高径比为 1，下压量均为 40%，摩擦因子为 0.5，扭转角度为 60°的条件下，分析讨论不同下压速度对30Cr2Ni4MoV 钢锭扭转镦粗的影响。从图 3.19 中，我们可以看出：当最大应变值相同时，下压速度相对较小的心部面积较大，然而整体三种下压速度对应变的影响差别不明显。但是下压速度较小时，最大有效应变值相对较小。 然而通过图 3.20 与图 3.21

不同摩擦因子对扭转镦粗的影响[ 04-17 08:05 ]

在传统的平砧镦粗工艺中，工件跟模具之间的摩擦往往会导致工件成形后产生鼓形，并且工件内部的应力分布也会变的不均匀。但是在本文介绍的扭转镦粗工艺中，由于存在剪切应力，所以摩擦条件是十分重要的影响因素，对整个成形过程起着有益的作用，因此对于摩擦因子的研究十分必要[34]。钢锭初始温度为 1200℃，直径为200mm，高为 150mm，高径比为 0.75，下压速度为 10mm/s，下压量均为 40%，扭转角度为 60°。不同摩擦因子对 30Cr2Ni4MoV 钢锭扭转镦粗的影响分析如下：从图 3.13 不同摩擦因子

不同高径比对扭转镦粗的影响[ 04-16 10:05 ]

钢锭初始温度为 1200℃，直径为 200mm，下压速度为 10mm/s，下压量均为 40%，摩擦因子为 0.45，扭转角度为 60°。不同高径比对 30Cr2Ni4MoV 钢锭扭转镦粗的影响分析如下：分析三幅不同高径比的等效应变图 3.10，我们可以看出，高径比越小，最大与最小等效应变的差值越小，变形相对更加均匀一些。但是随着高径比的增大，等效应变的最大值也增大。通过图 3.11 下压载荷行程曲线图我们可以看出，不同的高径比其下压载荷的差值比较大。同一试件，越往下压则载荷越大，因此很明显试件越低，所需的下

扭转镦粗工艺与传统平砧镦粗工艺的对比[ 04-16 09:05 ]

有限元模型及模拟条件设置：如图 3.8，坯料为 30Cr2Ni4Mo V 钢锭，高度 H 为100mm，直径 D 为 200mm，高径比为 0.5，初始温度为 1200℃，网格划分为 20000 个。上下模具材料选为刚性材料。上模下压速度为 5mm/s，下压量为 40%，下模绕 Z 轴旋转，平砧镦粗角速度为 0，扭转镦粗选择角速度为 0.1rad/s，摩擦系数选取 0.3。各参数对比如表 3-5 所示，其中平均等效应变计算为：在钢锭中心横截面沿轴线方向取 5个节点，再沿径向方向取 4 个点，并测量各个节点的等效应变

低压转子钢扭转镦粗模型的工艺参数设置[ 04-16 08:05 ]

数值模拟计算应当考虑实际生产或者实验的设备条件，因此工艺参数的设定因尽量符合实际加工过程。在后续研究当中，本文扭转镦粗装置的设计是上模做垂直的轴向运动，下模做扭转运动。因此通过设定不同的坯料高径比、模具与坯料间的摩擦因子、上模下压速度以及下模扭转角度四个工艺参数，来研究低压转子钢 30Cr2Ni4Mo V的扭转成形工艺。各项工艺参数的设定具体如下表。 而对于温度这一工艺参数的选择，通过分析三幅流动应力曲线图，我们可以看出，当应变速率=11s?时，温度必须达到 1200℃动态再结晶才会发生并且才会呈现稳态；

低压转子钢扭转镦粗材料模型的建立[ 04-15 10:05 ]

在模拟实验当中本文主要选取的是大型低压转子钢 30Cr2Ni4MoV，相当于国外规定的 3.5%NiCrMoV 钢。我国目前的一大重点急需突破项目就是具备百万千瓦级核电低压转子的设计跟制造，这就需要通过研究新的工艺和技术来细化和均匀化内部晶粒来提高低压转子钢的材料性能跟机械性能。 由于 DEFORM 自带的材料模型里没有 30Cr2Ni4MoV，则需要构建材料模型。通过热模拟实验机 Gleeble1500，来绘制出 30Cr2Ni4MoV 钢的高温流动应力曲线。  通过把图 3.5-3.7 的数

低压转子钢扭转镦粗模型的单元格划分[ 04-15 09:05 ]

在 DEFORM-3D 中，软件为了考虑到重新划分网格时方便与快捷，自身的网格剖分程序只能划分四面体单元格。但是如果想要提高网格计算的精度，DEFORM-3D 也可以接收外部程序生成的六面体网格。由于本文中的模拟实验模型形状较为简单，因此选择方便快捷面体网格较为合适。网格划分可以控制网格的密度，从而减少网格的数量，避免由于变形剧烈而使局部产生严重的网格畸变。根据坯料的尺寸及形状来选择合理的网格划分数量，本文中坯料的网格数选择在 1 万到 2 万之间。坯料模型网格划分样式如图 3.3 所示，整个有限元模型如图 3.4

低压转子钢扭转镦粗模型各部分的生成[ 04-15 08:05 ]

本模拟实验模型主要由上模、下模及坯料三部分构成。模拟实验当中构建了三种不同高径比的圆柱型坯料，而其中直径大小是一定得，因此上下模的建立只需要一次就可以了，并且由于坯料是圆柱形状所以上下模尺寸相同即可。三部分的具体尺寸如下各图：

摩擦边界条件的选择[ 04-14 10:05 ]

摩擦是金属塑性成形当中最为重要的问题，选择合理的、正确的摩擦边界条件可以使得有限元计算的结果更加准确。（1）库伦摩擦模型假设摩擦因数为一常数，摩擦力与摩擦表面上受到的正压力成正比，即式中：p 为正压力。此公式适用于工件与模具接触时滑动速度相对较慢的刚性区部分，所求出的摩擦应力不大于剪切屈服极限。使用库伦摩擦模型的时候，可以先假设一种摩擦力的分布模式，然后计算出相应的正压力，并通过计算得出的正压力得出新的摩擦力分布。反复迭代以上过程，直至前后两次迭代得出的摩擦力分布基本一致。（2）剪切摩擦模型 假设摩擦表面

初始速度场的生成[ 04-14 09:05 ]

求解非线性方程组时选用迭代方法，那么迭代的起始点就需要选择一个初始速度场，并利用这个起始点反复进行迭代运算直到收敛于真实解。对于初始速度场的选择无需非常精确，然而必须满足边界条件，同时大致反映出材料变形过程当中的流动规律。初始速度场的选择会直接影响收敛速度的快慢，所以初始速度场要尽量选择接近实际速度场，否则不仅难以收敛，更可能会发散。比较常用的初始速度场的产生方法有以下几种。（1）工程近似法对于坯料形状和边界条件较为简单的时候，有限元计算的初始速度场可以使用能量法、上限法等工程计算方法求出的近似速度场。（2）网格细

有限元法分析求解问题的步骤[ 04-14 08:05 ]

有限元法实质是在物理模型上进行近似数值计算的一种方法，所求得的解是数值解。实践证明如果处理得当，利用有限元法分析工程问题，所求得的解精度较高。采用有限元法时，应先将连续体划分为若干个有限大小的单元，即“有限元”，根据所选模型的不同，这些单元的形状也不相同，面元可以是：三角形，四边形或矩形。各个单元排列方式和大小都没有严格的要求，每一单元通过的节点与周围其他单元相连接。有限元法解题步骤如图 2.1 所示：第一步：结构的离散化，即“化整为零”。将连续体离散化是有限元法的基

有限元法的主要优点[ 04-13 10:05 ]

有限元法是现在工程领域里应用最为广泛的一种数值计算方法之一，它能发展成为现代工业与工程技术领域重要的组成部分，除了由于现在工业化技术发展需要的大环境外，其自身就具有诸多的优点： （1）物理概念浅显清晰，易于掌握。有限元法不仅可以通过非常直观的物理解释来被掌握，而且可以通过数学理论严谨的分析掌握方法的本质。 （2）描述简单，利于推广。有限元法由于采用了矩阵的表达形式，从而可以非常简单的描述问题，使求解问题的方法规范化，便于编制计算机程序，并且充分利用了计算机的高速运算和大量存储功能。 （