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热模锻模具型腔近表层的热力载荷

作　者: 吴延昭
导　师: 王华君
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 热锻模热负荷机械负荷锻压设备多层金属模具
分类号: TG316.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

锻压生产在装备制造业中占有举足轻重的地位。锻造过程中热锻模在高温、高压环境下连续工作,模具型腔近表层受到周期性的热负荷和机械负荷作用,导致热锻模使用寿命普遍偏低。近年来的研究中,科研人员对锻造成形过程关注较多,而对模具本身所受负荷情况关注不够。因此,本文基于锻造成形过程的数值模拟结果,围绕热锻模型腔近表层所受负荷展开研究,主要从以下几方面进行分析：1、热锻模型腔表面及近表层的物理场分析。通过分析不同锻压速度下,热锻模在锻靠结束后温度场、热应力场、机械应力场、综合应力场的分布情况及变化规律,得到锻造过程中热影响区域仅在模具型腔表面以下2到3毫米的范围。并随锻压速度的降低,模具型腔表面热应力值升高,型腔近表层热应力影响区域增大；模具所受机械应力值降低,整体机械应力场呈梯度分布。模具综合应力是热应力与机械应力按照各自应力的方向进行叠加的结果。2、不同锻压设备对热锻模所受负荷的影响。按载荷加载方式的不同选取三类典型锻压设备,即冲击型的锻锤设备；静压型的液压机设备；介于两者之间的机械压力机设备。三类设备一次锻靠结束后对模具所受负荷的影响表现为：锻锤设备锻压时,模具与锻件接触时间短,模具所受负荷大小主要由机械负荷决定；液压机设备锻压时,工件变形时间长,模具所受负荷大小主要由热负荷决定；机械压力机设备锻压时,从模具所受负荷来看,机械负荷仍然占主要地位。3、FGM结构多层金属热锻模的研究。基于功能梯度材料(FGM)的设计思路,构建多层金属热锻模有限元模型。并进行有限元分析,其中温度场表明：与均质热锻模相比,多层金属热锻模能够降低锻压生产过程中模具型腔表面的温度峰值；应力场表明：与均质热锻模相比,多层金属热锻模可以有效降低锻压生产中模具的等效应力,从而提高锻模使用寿命。多层金属热锻模层间应力场分析表明：FGM结构热锻模的复合层设计至关重要,如果材料物性参数连续变化,多金属模具材料的使用性能便可以得到充分发挥,否则,将会导致多金属热锻模因层间分离而过早失效。4、优化工艺后热锻模使用寿命的预测。对均质热锻模和长寿命金属热锻模进行了有限元磨损分析及模具磨损寿命的预测,结果表明多层金属热锻模的寿命可提高五倍。同时为多层金属热锻模的寿命评估提供了新的手段。本文首先分析了热锻模在工作过程中所受负荷,通过负荷分析了解锻模在工作过程所受各种负荷的机理；其次通过不同锻造设备的加载方式判定影响锻模失效的主要负荷方式；最后通过研发新型模具改变模具的结构和性能,以提高热锻模使用寿命。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-16
  1.1 引言  11
  1.2 热锻模寿命的研究现状  11-14
    1.2.1 热锻模的失效  11-12
    1.2.2 热锻模寿命的研究进展  12-14
    1.2.3 热锻模研究存在的问题  14
  1.3 本文研究的内容及意义  14-15
  1.4 本章小结  15-16
第2章热锻过程中模具失效的因素分析  16-35
  2.1 影响模具失效的因素  16-27
    2.1.1 建立Ishikawa图  16-18
    2.1.2 影响因素的相对重要性  18-19
    2.1.3 影响模具失效和零件质量的因素  19-24
    2.1.4 交互作用  24-27
    2.1.5 模具失效小结  27
  2.2 热锻过程中影响模具磨损的主要因素  27-34
    2.2.1 影响模具磨损的主要因素  28-29
    2.2.2 与工件相关因素  29-30
    2.2.3 与模具相关因素  30-31
    2.2.4 与设备相关因素  31-32
    2.2.5 与过程相关因素  32-33
    2.2.6 交互作用  33-34
  2.3 本章小结  34-35
第3章热锻模表层温度场与应力场的理论分析  35-48
  3.1 引言  35
  3.2 热锻模具的温度场  35-41
    3.2.1 金属坯料的热传导  35-38
    3.2.2 摩擦生热产生的热传导  38-41
  3.3 热锻模具的应力场  41-45
    3.3.1 锻模热应力场  41-42
    3.3.2 热应力的推导  42-44
    3.3.3 热应力的特性  44
    3.3.4 锻模机械应力场  44-45
    3.3.5 锻模的综合等效应力场  45
  3.4 有限元理论  45-47
    3.4.1 刚塑性有限元理论  45-46
    3.4.2 弹塑性有限元理论  46-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章锻压过程中模具所受热力载荷分析  48-68
  4.1 引言  48
  4.2 模型的建立  48-52
  4.3 下模的温度场分析  52-57
    4.3.1 弹塑性耦合时下模温度场分析  52-55
    4.3.2 刚塑性耦合时下模温度场分析  55-57
  4.4 下模的应力场分析  57-66
    4.4.1 锻模热应力场分析  57-62
    4.4.2 锻模机械应力场分析  62-65
    4.4.3 锻模综合应力场分析  65-66
  4.5 本章小结  66-68
第5章锻压设备对热锻模具热力载荷的影响分析  68-90
  5.1 引言  68
  5.2 锻锤对模具热力载荷的影响分析  68-76
    5.2.1 锻锤设备下模具温度场分析  69-71
    5.2.2 锻锤作用下模具应力场分析  71-76
  5.3 压力机对模具热力载荷的影响分析  76-83
    5.3.1 压力机设备下模具温度场分析  76-78
    5.3.2 压力机设备下模具应力场分析  78-83
  5.4 液压机对模具热力载荷的影响分析  83-89
    5.4.1 液压机设备下模具温度场分析  83-85
    5.4.2 液压机设备下模具应力场分析  85-89
  5.5 本章小结  89-90
第6章 FGM结构热锻模所受负荷与磨损分析  90-107
  6.1 引言  90
  6.2 FGM结构金属热锻模的设计思路  90-92
  6.3 FGM结构金属热锻模的实验研究  92-93
  6.4 FGM结构金属热锻模的仿真分析  93-101
    6.4.1 多层金属热锻模的温度场分析  94-95
    6.4.2 多层金属热锻模的应力场分析  95-101
  6.5 多层金属热锻模的磨损分析  101-106
    6.5.1 多层金属热锻模磨损的理论分析  102-103
    6.5.2 多层金属热锻模磨损的结果分析  103-105
    6.5.3 多层金属热锻模磨损的寿命预测  105-106
  6.6 本章小结  106-107
第7章结论与展望  107-109
  7.1 结论  107-108
  7.2 展望  108-109
参考文献  109-112
致谢  112-113
攻读硕士学位期间发表的论文  113

热模锻模具型腔近表层的热力载荷

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