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身管径向锻造工艺及锻后身管性能研究

作　者: 刘力力
导　师: 徐诚; 樊黎霞
学　校: 南京理工大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 身管径向锻造工艺轴对称模型工艺参数残余应力应力强度因子
分类号: TJ22
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

以某自动步枪身管的径向锻造成形过程为研究对象,针对身管成形过程中涉及的材料性能、工艺过程及成形性能等内容,通过理论分析、数值模拟及试验研究相结合的方法,对身管径向锻造成形工艺过程及成形后的身管材料性能和使用性能进行研究。根据身管冷热径向锻造成形特点,将身管的变形区域分为下沉段、锻造段和整形段三个部分,在考虑应变、应变率及温度对身管毛坯材料流动应力的影响及多角度入口角锤头对成形的影响的基础上,应用主应力法推导出身管冷热径向锻造成形过程中应力分布及锻压力的解析解公式；通过身管冷热径向锻造成形实例中锤头锻压力的解析解计算值与实际测定值的对比,验证了应用主应力法推导出的解析解公式的准确性。应用数值模拟技术建立了某口径自动步枪身管冷径向锻造成形过程的轴对称模型,通过锤头锻压力的数值预测值与实测值的对比,验证了轴对称模型的准确性；根据此轴对称模型,应用正交试验设计法安排模拟过程,通过对模拟结果的方差分析得到了锤头入口角度、断面缩减率、锤头整形段长度、工件轴向进给速度、工件尾端夹持压强5个工艺参数及锤头角度与断面缩减率之间、锤头角度与整形段长度之间、断面缩减率与整形段长度之间3个参数间的交互作用对锤头锻压力、身管与芯棒间压力及身管变形的非均匀性3个成形过程评价指标参数的相对影响程度；并由方差分析结果预测了最小的锤头锻压力、身管与芯棒间压力值及相应的工艺参数组合。基于对受内压产生弹塑性变形的身管进行受力分析,设计了测定径向锻造成形前后身管材料横向力学性能的试验,得到了径向锻造成形前后身管材料的横向力学性能；并根据国家标准GB228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》测定了径向锻造成形前后身管材料的纵向力学性能；通过分别对比锻前身管材料横向与纵向力学性能、锻前身管材料横向与锻后身管材料横向力学性能、锻前身管材料纵向与锻后身管材料纵向力学性能,验证了测定身管材料横向力学性能的试验的准确性,得到了冷径向锻造工艺使锻后身管材料强度性能增加、塑性性能降低的影响规律。在身管径向锻造成形过程的轴对称模型的基础上,建立了预测锻后身管内残余应力分布的轴对称模型,得到了锻后身管内沿径向上的径向、轴向和周向残余应力的分布状态；分析了身管的轴向进给速度、摩擦系数、断面缩减率及锤头的形状等成形过程中的全套工艺参数对残余应力分布的影响；应用拟合回归模型法建立了锻后身管内外表面及身管内部残余应力分布拐点处各向残余应力值与其主要工艺参数的拟合回归方程,由拟合回归方程预测了各残余应力的最大值和最小值及相应的工艺参数取值；并通过与相应工艺参数下有限元模拟值的对比,验证了拟合回归方程预测残余应力值的有效性。将盲孔法测定平板表面残余应力的理论应用到径向锻造身管表面残余应力的试验测量中,应用数值方法标定盲孔法的应变释放系数A、B值,通过对比在相同条件下径向锻造身管表面与平板表面的应变释放系数值,得到了当身管外径与钻孔直径的比值D/a≥16时,可应用盲孔法测定径向锻造身管表面残余应力的结论；在此适用范围内,应用盲孔法试验测定了某锻后身管表面的残余应力,并通过直接修正释放系数的方法修正了由钻孔偏心所引起的误差；由试验结果验证了预测残余应力分布的数值模型的准确性。分别建立了计算身管在火药气体压力作用下动态应力及身管内表面轴向和周向裂纹应力强度因子的数值模型,得到了身管按动态应力计算时各向应力的分布状态及身管内表面半椭圆形轴向裂纹的应力强度因子与裂纹形状的关系；在数值模型的基础上,结合对径向锻造成形身管内各向残余应力极值分布状态的预测结果,定量的计算了当身管内由第三强度理论计算的残余应力在极值分布状态时身管的动态应力、身管内周向残余应力在极值分布状态时轴向裂纹应力强度因子的大小及轴向残余应力在极值分布状态时周向裂纹应力强度因子的大小；从而得到了锻后身管内部残余应力分布拐点处及外表面上残余应力的存在不利于身管的动态应力、身管内残余压应力不利于裂纹扩展及残余拉应力有利于裂纹扩展的定性影响规律。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
1 绪论  14-25
  1.1 课题的研究背景及意义  14-15
  1.2 身管径向锻造工艺的应用及成形原理  15-17
    1.2.1 身管径向锻造工艺的应用  15
    1.2.2 身管径向锻造成形原理  15-17
  1.3 径向锻造工艺国内外研究现状和发展趋势  17-22
    1.3.1 径向锻造工艺的试验与理论研究  17-19
    1.3.2 径向锻造工艺的有限元方法研究  19-21
    1.3.3 径向锻造成形锻件的力学性能及使用性能研究  21-22
  1.4 残余应力的国内外研究现状  22-23
    1.4.1 金属成形工艺中残余应力的有限元方法研究  22-23
    1.4.2 残余应力的测试方法  23
  1.5 本文的主要研究内容  23-25
2 主应力法分析身管径向锻造工艺过程  25-42
  2.1 概述  25
  2.2 主应力法分析身管径向锻造成形  25-39
    2.2.1 身管径向锻造成形过程中变形区域划分  26-27
    2.2.2 身管毛坯材料变形过程中流动应力预测  27-34
    2.2.3 身管变形区内应力分布及锻压力预测  34-38
    2.2.4 应用公式计算时的具体方法  38-39
  2.3 主应力法分析身管径向锻造工艺过程的准确性验证  39-41
  2.4 本章小结  41-42
3 数值方法优化身管径向锻造成形工艺参数  42-64
  3.1 概述  42
  3.2 径向锻造工艺中的变量分析  42-46
    3.2.1 机器变量  43-44
    3.2.2 工艺变量  44-45
    3.2.3 材料变量  45-46
  3.3 身管径向锻造成形过程的轴对称有限元模型  46-53
    3.3.1 金属塑性成形的有限元原理  46-47
    3.3.2 研究对象描述  47-48
    3.3.3 轴对称有限元模型的建立  48-51
    3.3.4 有限元模拟结果分析  51-53
    3.3.5 有限元模型准确性验证  53
  3.4 正交试验设计  53-54
  3.5 锤头锻压力及身管与芯棒间压力的优化  54-58
    3.5.1 影响因素及正交表的选择  54-55
    3.5.2 模拟结果及分析  55-58
    3.5.3 最优工艺参数下优化目标结果的预测及验证  58
  3.6 身管变形均匀性的参数影响分析  58-62
    3.6.1 影响因素及正交表的选择  58-59
    3.6.2 模拟结果及分析  59-62
  3.7 结论  62-64
4 径向锻造工艺对身管材料力学性能影响的试验研究  64-76
  4.1 概述  64
  4.2 试验原理  64-67
    4.2.1 试验设计  64-65
    4.2.2 受力分析原理  65-67
  4.3 身管锻造前后材料力学性能试验测定  67-73
    4.3.1 锻造前身管毛坯材料横向(切向)力学性能  67-69
    4.3.2 锻造后身管材料横向(切向)力学性能  69-70
    4.3.3 锻造前身管毛坯材料纵向(轴向)力学性能  70-72
    4.3.4 锻造后身管材料纵向(轴向)力学性能  72-73
  4.4 身管锻造前后材料力学性能比较与分析  73-74
    4.4.1 身管锻造前纵向、横向力学性能比较与分析  73
    4.4.2 身管锻造前纵向与锻造后纵向力学性能比较与分析  73-74
    4.4.3 身管锻造前横向与锻造后横向力学性能比较与分析  74
  4.5 本章小结  74-76
5 径向锻造身管内残余应力的影响因素分析及应力值预测模型  76-90
  5.1 概述  76
  5.2 径向锻造身管内残余应力的数值计算  76-79
    5.2.1 径向锻造身管内残余应力有限元计算原理  76-77
    5.2.2 冷径向锻造身管内残余应力的总体分布状态  77-79
  5.3 径向锻造身管内残余应力的影响因素分析  79-84
    5.3.1 轴向进给速度对残余应力的影响  80
    5.3.2 摩擦系数对残余应力的影响  80-81
    5.3.3 断面缩减率对残余应力的影响  81-82
    5.3.4 尾端压强对残余应力的影响  82
    5.3.5 锤头形状对残余应力的影响  82-84
  5.4 径向锻造身管内残余应力值预测的半经验模型  84-88
    5.4.1 残余应力值的预测策略  84
    5.4.2 拟合回归模型  84-85
    5.4.3 残余应力值的预测过程  85-88
    5.4.4 残余应力的半经验预测值与有限元模拟值的对比  88
  5.5 结论  88-90
6 径向锻造身管表面残余应力的试验测定及数值模型的试验验证  90-100
  6.1 概述  90
  6.2 盲孔法的研究现状及测量原理  90-92
    6.2.1 盲孔法的研究现状  90-91
    6.2.2 盲孔法测量的基本原理  91-92
  6.3 盲孔法测定径向锻造身管表面残余应力的有限元方法研究  92-97
    6.3.1 盲孔法测定径向锻造身管表面残余应力的适用性范围  92-96
    6.3.2 钻孔偏心修正法  96-97
  6.4 盲孔法试验测定身管表面残余应力及数值模型验证  97-99
    6.4.1 试验概况  97-98
    6.4.2 钻孔偏心的修正及试验结果  98
    6.4.3 数值模型的试验验证  98-99
  6.5 本章小结  99-100
7 径向锻造成形身管内的残余应力对身管使用性能的影响  100-117
  7.1 概述  100
  7.2 锻后身管内的残余应力对身管强度的影响  100-108
    7.2.1 身管的强度设计理论及承载极限  100-102
    7.2.2 身管的动态应力分析  102-105
    7.2.3 锻后身管内的残余应力对身管动态应力的影响  105-108
  7.3 锻后身管内的残余应力对身管裂纹应力强度因子的影响  108-115
    7.3.1 线弹性断裂力学及应力强度因子  108-109
    7.3.2 求解应力强度因子方法概述  109
    7.3.3 J积分理论及其与应力强度因子的关系  109-110
    7.3.4 ABAQUS中XFEM方法计算J积分的原理  110-112
    7.3.5 XFEM方法的准确性验证  112
    7.3.6 身管内表面裂纹应力强度因子计算  112-114
    7.3.7 锻后身管内的残余应力对身管内裂纹应力强度因子的影响  114-115
  7.4 结论  115-117
8 全文工作总结与展望  117-121
  8.1 研究工作总结  117-120
  8.2 论文的主要创新点  120
  8.3 研究工作展望  120-121
致谢  121-122
参考文献  122-133
附录  133

身管径向锻造工艺及锻后身管性能研究

内容摘要

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