304不锈钢叶轮热挤压及模具表面涂层隔热性能数值模拟

发布时间：2017-10-13 03:34

  本文关键词：304不锈钢叶轮热挤压及模具表面涂层隔热性能数值模拟

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【摘要】：不锈钢叶轮是工业水泵、通风管道等设备的重要零部件之一,由于叶轮是薄壁复杂曲面零件,采用铸造、模压再焊合等传统加工方法制造的叶轮组织性能差,质量不稳定,使用寿命短,因此本文采用热挤压成形方式对304不锈钢叶轮的成形工艺进行了研究。热挤压过程中模具需要承受高温坯料带来的巨大热载荷,为提高模具使用寿命,采用热障涂层技术对模具进行表面改性处理具有重要的意义。本文采用有限元软件DEFORM-3D对304不锈钢叶轮的热挤压成形过程进行了数值模拟。基于模拟结果,对模具型腔的结构进行了设计与改进,分析了不同挤压速度对成形过程中温度场、等效应力场及模具载荷的影响,确定了合理的挤压速度。并通过对比不同热障涂层材料的性能,确定采用LZ/8YSZ双陶瓷涂层对模具表面进行改性,在DEFORM-3D软件平台上研究了该涂层的隔热性能。最后,对测温热电偶的测温滞后问题进行了改进,获得的结论如下:1)模具采用上下挤压轴运动、挤压模膛静止不动的模具结构时,圆柱坯料的径向流动远比轴向流动困难,很难成形叶轮。采用上下分型整体式模具结构时,材料的径向流动能力大大增强,但对于成形难度大的高轮毂型腔部位,需要尽量增大轮毂内径处的拔模斜度和过渡圆角半径来促进材料的流动。2)随着挤压速度的增大,热传导的总热量减少,挤压工件的温差逐渐减小,挤压件的温度分布更均匀,等效应力也逐渐降低;但随着挤压速度的增大,温差和等效应力降低的幅度减小。3)随着挤压速度的增大,模具载荷先减小后增大,挤压速度15mm/s时成形载荷最小。因此,坯料预热温度为1200℃时,合理的挤压速度为15mm/s。4)LZ层厚度为200um、8YSZ层厚度为100um时,模具与坯料接触时间最长部位的近表面温度降低了75℃,挤压工件的最低温度提高了58℃,LZ/8YSZ双陶瓷层热障涂层在热挤压过程中的隔热效果良好。5)针对TMDT2-41热电偶的测量滞后问题,基于组合预测模型的校正方法对其测量滞后进行了校正,实验结果表明TMDT2-41热电偶的响应时间缩短了32%,校正效果较好。
【关键词】：不锈钢叶轮 热挤压工艺 热障涂层 隔热性能 有限元数值模拟
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG376.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 引言9
• 1.2 热挤压技术9-13
• 1.2.1 挤压成形分类10-11
• 1.2.2 热挤压技术特点11
• 1.2.3 热挤压技术的发展11-13
• 1.3 热障涂层技术13-19
• 1.3.1 热障涂层的作用13-14
• 1.3.2 热障涂层材料及制备方法14-16
• 1.3.3 热障涂层的失效机理16-17
• 1.3.4 热障涂层在模具上的应用17-18
• 1.3.5 热电偶测温技术18-19
• 1.4 有限元模拟技术19-22
• 1.5 论文的研究意义与内容22-24
• 1.5.1 本文的研究意义22
• 1.5.2 本文的研究内容22-24
• 第2章 热挤压成形有限元模拟基本理论及软件24-32
• 2.1 刚（粘）塑性有限元法简介24-27
• 2.1.1 刚塑性材料的边值问题24-26
• 2.1.2 刚粘塑性材料的变分原理26-27
• 2.2 热力耦合分析的有限元法27-29
• 2.2.1 热传导问题的基本方程27-28
• 2.2.2 变形和传热的耦合分析28-29
• 2.3 DEFORM简介29-31
• 2.3.1 DEFORM的特点和功能29-30
• 2.3.2 DEFORM的模块结构30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 热挤压成形过程数值模拟32-50
• 3.1 热挤压工艺32-37
• 3.1.1 挤压方法的确定32-34
• 3.1.2 热挤压模具34-35
• 3.1.3 坯料尺寸35-36
• 3.1.4 坯料、模具预热温度和模具挤压速度36-37
• 3.2 304不锈钢叶轮热挤压成形有限元建模37-38
• 3.3 热挤压模具结构优化38-43
• 3.4 304不锈钢热挤压工艺模拟结果分析43-49
• 3.4.1 温度场分析43-46
• 3.4.2 等效应力场分析46-48
• 3.4.3 载荷分析48-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 模具表面热障涂层的隔热性能及热电偶滞后校正50-65
• 4.1 热障涂层的结构50
• 4.2 模具表面热障涂层材料的选择和结构设计50-53
• 4.3 有限元分析模具表面热障涂层的隔热效果53-56
• 4.3.1 模具涂层有限元建模53
• 4.3.2 模拟结果分析53-56
• 4.4 热电偶校正的实验研究56-63
• 4.4.1 问题描述与系统建模56-58
• 4.4.2 组合预测模型58-60
• 4.4.3 实验60-63
• 4.5 本章小结63-65
• 第5章 结论与展望65-67
• 5.1 结论65
• 5.2 展望65-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 附录A (攻读硕士学位期间已公开发表的论文)73

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本文编号：1022629