基于预制坯精准设计的水室封头热冲成形新工艺
发布时间：2020-12-05 11:47
针对形状复杂的水室封头,提出胎模制坯和热冲成形相结合的新工艺。具体工艺为在胎模锻造中,下模预置管嘴仿形型腔,用扁砧将坯料压制成带管嘴的板坯。热冲成形时,上模是根据封头锻件内腔表面进行仿形的冲头,下模是带圆角的筒形漏盘,通过冲压完成一次整体成形。并运用"正向模拟+反向修正"的思路,通过几何包络与物质点反向追踪方法,对预制坯料进行精准设计。在模拟过程中同时预测了成形过程中的晶粒演变和开裂趋势,从而保证了成形方案的微观合理性。最后通过1∶5物理缩比实验,从宏观尺寸和微观晶粒角度对比了模拟结果与实验结果,证明了设计方法的有效性。
【文章来源】：塑性工程学报. 2020年05期 第58-65页 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
2 实验件在取样位置的微观组织
压力容器是压水堆核电站的核心设备，水室封头又是压力容器的关键部件，一般有3个及以上的外伸管嘴(图1a)，尺寸巨大且形状复杂。为保证核电设备的安全性，一般要求整体制造。水室封头的整体成形一直是大锻件行业努力攻关的目标。受大型锻件制造能力的限制，目前常用的成形方法是用扁砧以分区碾压方式将圆柱形坯料压入仿形下模腔(图1b)，整个加工过程时间长，变形分布极不均匀，且容易造成折叠和填充不满等形状缺陷。大部分碾压出来的水室封头毛坯与锻件设计形状存在很大的尺寸差异，精度控制非常困难[1]。在水室封头成形工艺领域，很多学者已经做了大量的研究。王宝忠等[2]设计了核反应堆压力容器大型顶盖封头整体仿形的锻造方法，近似于模锻的工艺，设计了上下模具，但这种方法无论是对压机还是模具的要求都很高，制造难度依然很大。姜涛等[3]对整体热锻成形进行了数值模拟，预报了最终锻件应变及静水压力分布，刘攀等[4]采用数值模拟技术，对采用逐次旋转等量压下法的特大型厚壁封头成形工艺进行了研究，模拟了相关热力参数的分布，但二者均未对晶粒尺寸做进一步分析。而在大型锻件的热加工过程中，晶粒尺寸的控制对最终材料性能有着十分重要的影响，因为在特大型圆柱坯料的热锻加热过程中，为使心部达到锻造温度，通常需要加热很长时间，使近表区域长时间处于高温加热状态，晶粒粗大严重，给微观组织控制造成很大困难，并很可能导致最终零件材料性能不能满足其苛刻的服役条件[5-8]。本文提出一种“胎模制坯+热冲成形”的水室封头整体成形新工艺。该工艺的关键是合理设计坯料形状，从而使之在热冲成形中能比较准确地满足最终形状要求。为此，提出了“正向模拟+反向修正”的思路，并在数值模拟中集成热变形开裂预报模型和微观组织演变模型，在保证尺寸精度的同时，保证缺陷与组织控制的合理性。最后，用1∶5的工业实验验证了新工艺的可行性。
结合水室封头的外形特点，提出了两道工序的成形方案。第1道工序是胎模锻造，下模预置管嘴仿形型腔，用扁砧将坯料压制成带管嘴的板坯。第2道工序是热冲成形，上模是根据封头锻件内腔表面进行仿形的冲头，下模是带圆角的筒形漏盘。图2为胎模制坯与热冲成形的示意图。该工艺的特点是，胎模锻造的板坯上具有与锻件管嘴相对应的凸起块，经热冲变形后，这些凸起块达到锻件的设计位置，从而得到封头锻件形状。该工艺与传统工艺相比具有明显优势。首先，胎模制坯可使材料得以有效分散，热冲成形尽管位移大，但应变小，管嘴部位随板坯的弯曲而到达设计位置。其次，预制坯的初始晶粒度容易控制，一是由于热冲成形的载荷远小于锻造载荷，且热冲过程一般可在几分钟之内完成，成形温度可适当降低;二是由于预制坯厚度小，容易均温，可显著缩短加热时间。与传统锻造方法相比，该工艺可以避免加热时的晶粒长大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型锻件晶粒细化热处理研究进展[J]. 顾剑锋,韩利战,李传维. 金属热处理. 2019(01)
[2]300M钢奥氏体晶粒等温长大模型[J]. 洪橙,陈荣创,郑志镇,李建军,李蓬川. 塑性工程学报. 2018(01)
[3]大型厚壁管热挤压成形工艺参数优化[J]. 李琚陈. 锻压技术. 2018(01)
[4]某型飞机钛合金钣金件热冲压成形工艺参数优化[J]. 李轩颖,徐雪峰,付春林,黄芳,肖熙,徐龙. 塑性工程学报. 2017(01)
[5]核电封头-过渡锥体一体化成形全工艺过程多尺度模拟[J]. 李馨家,崔振山,冯超,董定乾,尚晓晴. 塑性工程学报. 2016(06)
[6]大型厚壁封头整体锻造工艺数值模拟[J]. 刘攀,温彤,王心朋,张清华. 热加工工艺. 2010(17)
[7]基于DEFORM的大型封头整体锻造工艺数值模拟[J]. 姜涛,杨运民,程巩固. 压力容器. 2009(02)
博士论文
[1]核电用钢SA508-3热锻全流程晶粒演变数学模型及其在封头成形中的应用[D]. 董定乾.上海交通大学 2016
本文编号：2899402
【文章来源】：塑性工程学报. 2020年05期 第58-65页 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
2 实验件在取样位置的微观组织
压力容器是压水堆核电站的核心设备，水室封头又是压力容器的关键部件，一般有3个及以上的外伸管嘴(图1a)，尺寸巨大且形状复杂。为保证核电设备的安全性，一般要求整体制造。水室封头的整体成形一直是大锻件行业努力攻关的目标。受大型锻件制造能力的限制，目前常用的成形方法是用扁砧以分区碾压方式将圆柱形坯料压入仿形下模腔(图1b)，整个加工过程时间长，变形分布极不均匀，且容易造成折叠和填充不满等形状缺陷。大部分碾压出来的水室封头毛坯与锻件设计形状存在很大的尺寸差异，精度控制非常困难[1]。在水室封头成形工艺领域，很多学者已经做了大量的研究。王宝忠等[2]设计了核反应堆压力容器大型顶盖封头整体仿形的锻造方法，近似于模锻的工艺，设计了上下模具，但这种方法无论是对压机还是模具的要求都很高，制造难度依然很大。姜涛等[3]对整体热锻成形进行了数值模拟，预报了最终锻件应变及静水压力分布，刘攀等[4]采用数值模拟技术，对采用逐次旋转等量压下法的特大型厚壁封头成形工艺进行了研究，模拟了相关热力参数的分布，但二者均未对晶粒尺寸做进一步分析。而在大型锻件的热加工过程中，晶粒尺寸的控制对最终材料性能有着十分重要的影响，因为在特大型圆柱坯料的热锻加热过程中，为使心部达到锻造温度，通常需要加热很长时间，使近表区域长时间处于高温加热状态，晶粒粗大严重，给微观组织控制造成很大困难，并很可能导致最终零件材料性能不能满足其苛刻的服役条件[5-8]。本文提出一种“胎模制坯+热冲成形”的水室封头整体成形新工艺。该工艺的关键是合理设计坯料形状，从而使之在热冲成形中能比较准确地满足最终形状要求。为此，提出了“正向模拟+反向修正”的思路，并在数值模拟中集成热变形开裂预报模型和微观组织演变模型，在保证尺寸精度的同时，保证缺陷与组织控制的合理性。最后，用1∶5的工业实验验证了新工艺的可行性。
结合水室封头的外形特点，提出了两道工序的成形方案。第1道工序是胎模锻造，下模预置管嘴仿形型腔，用扁砧将坯料压制成带管嘴的板坯。第2道工序是热冲成形，上模是根据封头锻件内腔表面进行仿形的冲头，下模是带圆角的筒形漏盘。图2为胎模制坯与热冲成形的示意图。该工艺的特点是，胎模锻造的板坯上具有与锻件管嘴相对应的凸起块，经热冲变形后，这些凸起块达到锻件的设计位置，从而得到封头锻件形状。该工艺与传统工艺相比具有明显优势。首先，胎模制坯可使材料得以有效分散，热冲成形尽管位移大，但应变小，管嘴部位随板坯的弯曲而到达设计位置。其次，预制坯的初始晶粒度容易控制，一是由于热冲成形的载荷远小于锻造载荷，且热冲过程一般可在几分钟之内完成，成形温度可适当降低;二是由于预制坯厚度小，容易均温，可显著缩短加热时间。与传统锻造方法相比，该工艺可以避免加热时的晶粒长大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型锻件晶粒细化热处理研究进展[J]. 顾剑锋,韩利战,李传维. 金属热处理. 2019(01)
[2]300M钢奥氏体晶粒等温长大模型[J]. 洪橙,陈荣创,郑志镇,李建军,李蓬川. 塑性工程学报. 2018(01)
[3]大型厚壁管热挤压成形工艺参数优化[J]. 李琚陈. 锻压技术. 2018(01)
[4]某型飞机钛合金钣金件热冲压成形工艺参数优化[J]. 李轩颖,徐雪峰,付春林,黄芳,肖熙,徐龙. 塑性工程学报. 2017(01)
[5]核电封头-过渡锥体一体化成形全工艺过程多尺度模拟[J]. 李馨家,崔振山,冯超,董定乾,尚晓晴. 塑性工程学报. 2016(06)
[6]大型厚壁封头整体锻造工艺数值模拟[J]. 刘攀,温彤,王心朋,张清华. 热加工工艺. 2010(17)
[7]基于DEFORM的大型封头整体锻造工艺数值模拟[J]. 姜涛,杨运民,程巩固. 压力容器. 2009(02)
博士论文
[1]核电用钢SA508-3热锻全流程晶粒演变数学模型及其在封头成形中的应用[D]. 董定乾.上海交通大学 2016
本文编号：2899402
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