学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

大口径弹体辊挤—引伸成形技术研究

作　者: 赵熹
导　师: 张治民
学　校: 中北大学
专　业: 火炮、自动武器与弹药工程
关键词: 大口径弹体毛坯变壁厚筒体构件辊挤-引伸控形与控性工艺参数优化
分类号: TJ410.5
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
下　载: 8次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

炮弹是战争中消耗量最大、杀伤性能最高的武器，同时也是军工生产中批量最大的产品。大口径弹体毛坯为典型的变壁厚筒体构件，其传统生产方式为：采用“冲压-引伸”工艺形成直壁筒体构件，然后通过机加工的方法切削出不同的壁厚。采用该种方式进行生产带来材料利用率低、加工时间长、刀具消耗量大、生产成本高等问题。针对这一情况，本文提出了辊挤-引伸的新工艺，能够实现变壁厚筒体构件的塑性成形，达到少切削或者无切削的目的，不但可以大大提高了材料利用率和生产效率，还能够使金属流线沿工件轮廓合理分布，提高零件的力学性能。针对50SiMnVB高强度合金钢，借助于热模拟压缩实验、光学金相显微分析、硬度测试等研究手段，系统研究了不同变形参数下材料的流变行为，构建了该种材料的J-C本构模型，并对本构方程经验参数C进行了修正。获得了50SiMnVB基于动态材料模型的热加工图，发现该种材料具有三个峰值能量耗散区域：(I)650～750℃，0.01s1(II)800～900℃，0.001s1，(Ⅲ)1050～1150℃，0.01s1～0.1s1，结合生产实际情况，建议优先选择变形温度为1050～1150℃，应变速率为0.01s1～0.1s1范围内的工艺参数，为该种合金钢的热塑性加工提供理论依据。在辊挤-引伸成形的原理研究中，首先分析了工件实现端部咬入的条件，推导了极限咬入角的计算公式，并得出了稳定辊挤条件；其次分析摩擦系数对咬入条件的影响，给出了摩擦系数的近似计算公式；然后分析了辊挤过程中金属的流动规律，对前滑问题进行了重点研究，根据辊轮凹槽的形状特征推导了辊挤的前滑公式；最后给出了辊挤力的计算公式。根据对挤压件尺寸精确控制的原则，完成辊轮的凹槽设计，制定了辊轮主要结构参数的设计准则；根据有限元数值模拟结果，采用中心复合设计的方法完成了辊轮结构参数优化的实验设计，建立了回归模型，并进行了响应面分析；设计了加权渴望函数的综合评定因子，并计算出了的最优辊轮结构参数：轴线距离189.7475，飞边槽顶角29.9495，辊轮宽度130.1515。在此基础上，完成了辊挤-引伸装置的设计与制造，并对原有生产线进行了改造。通过有限元数值模拟，分析了工艺参数对场变量分布均匀性的影响，并以此为依据选取了工艺参数设计变量；从控形与控性相结合的角度选取目标函数。采用BBD实验设计的方法制定了各因素不同水平下的实验方案，将响应曲面法应用到层次分析中，得到了三个目标函数的分配权重；依据灰色关联度分析结果，获得了最优的工艺组合：T=950℃， V=32mm/s，μ=0.2。对辊挤-引伸成形方案和工艺参数优化结果进行了实验验证，结果表明：与传统工艺相比，采用辊挤-引伸工艺可使弹体毛坯材料利用率提高9.8%，生产效率提高一倍以上，降低了综合生产成本，实现了节能降耗，达到了预期研究目标，为辊挤-引伸技术的推广应用提供了有力的支撑。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-15
1 绪论  15-31
  1.1 课题来源  15
  1.2 选题的背景及意义  15-16
  1.3 现行工艺中存在的问题  16-17
  1.4 研究目标及意义  17-18
  1.5 国内外对弹体材料及性能的研究现状  18-20
    1.5.1 中大口径弹体毛坯材料的国内外发展历程  18-19
    1.5.2 国内对于弹体材料性能的研究现状  19-20
  1.6 金属空心件塑性成形先进技术国内外研究现状  20-26
    1.6.1 楔横轧技术  20-22
    1.6.2 辊锻技术  22-23
    1.6.3 径向锻造  23-24
    1.6.4 强力旋压  24-26
  1.7 金属塑性成形分析方法  26-29
    1.7.1 有限元法在金属塑性成形中的应用  26-27
    1.7.2 有限元模拟应用在金属塑性成形中的国内外研究现状  27
    1.7.3 基于有限元的金属塑性成形工艺优化  27-29
  1.8 本论文研究的内容  29-31
2 50SiMnVB 合金钢的本构模型及热加工图  31-51
  2.1 Johnson-Cook 本构方程的建立  32-40
    2.1.1 流变应力-应变曲线分析  32-34
    2.1.2 50SiMnVB 钢 Johnson-Cook 本构方程的建立  34
    2.1.3 Johnson-Cook 本构方程参数确定  34-37
    2.1.4 Johnson-Cook 本构模型与实验数据对比  37-38
    2.1.5 经验性应变率敏感系数 C 的修正  38-40
  2.2 50SiMnVB 钢的热加工图  40-50
    2.2.1 功率耗散图理论基础  42-44
    2.2.2 失稳图理论基础  44-45
    2.2.3 热加工图的构建  45-50
  2.3 本章小结  50-51
3 辊挤-引伸成形基本原理  51-63
  3.1 辊挤-引伸的变形区及其主要参数  51-52
  3.2 辊挤-引伸时坯料的咬入情况  52-56
    3.2.1 端部咬入条件  53-54
    3.2.2 辊挤-引伸的实际咬入情况  54
    3.2.3 稳定辊挤条件  54-55
    3.2.4 影响极限咬入条件的因素  55-56
  3.3 辊挤-引伸过程中的金属流动  56-58
    3.3.1 前滑公式推导  56-58
    3.3.2 辊挤前滑模型建立  58
  3.4 辊挤力的计算  58-61
    3.4.1 变形区平均单位压力的计算  58-61
    3.4.2 变形区投影面积的计算  61
  3.5 本章小结  61-63
4 辊挤-引伸成形模具的优化设计  63-102
  4.1 研究对象  63-64
  4.2 辊轮的设计  64-69
    4.2.1 辊轮材料的选用  64-65
    4.2.2 辊轮凹槽的设计  65-67
    4.2.3 辊轮主要参数的设计原则  67-68
    4.2.4 辊轮的固定与加工  68-69
  4.3 有限元数值模拟基本理论  69-73
    4.3.1 有限元模型的选取  69-70
    4.3.2 刚粘塑性有限元的基本理论  70-71
    4.3.3 热力耦合刚粘塑性有限元的分析方法  71-73
  4.4 辊挤-引伸有限元数值模拟  73-76
    4.4.1 热力耦合刚粘塑性有限元模型的建立  73-74
    4.4.2 数值模拟结果分析  74-76
  4.5 辊挤-引伸工艺调整  76-79
    4.5.1 飞边形成原因分析分析  76-77
    4.5.2 工艺方案调整  77-78
    4.5.3 辊轮设计的改进  78-79
  4.6 基于响应曲面法的辊轮结构参数优化设计  79-100
    4.6.1 响应曲面法  80
    4.6.2 响应曲面法的实验设计方法  80-83
    4.6.3 设计变量的选取  83
    4.6.4 目标函数的选取  83-84
    4.6.5 辊轮结构参数优化设计的实验方案  84-85
    4.6.6 显著性检验  85-90
    4.6.7 响应曲面分析  90-96
    4.6.8 辊轮结构参数多目标优化结果  96-99
    4.6.9 辊轮的生产制造  99-100
  4.7 本章小结  100-102
5 辊挤-引伸成形装置的设计  102-113
  5.1 辊挤-引伸装置的总体设计  102-103
  5.2 预引伸机构设计  103-104
  5.3 辊挤机构设计  104-105
  5.4 辊轮复位机构设计  105-106
  5.5 卸料装置设计  106-107
  5.6 装置的制造与装配  107-109
  5.7 对原有生产线的改造  109-111
    5.7.1 压型冲头及凹模的改造  109-110
    5.7.2 模具导向装置设计  110-111
  5.8 本章小结  111-113
6 辊挤-引伸成形工艺参数多目标优化  113-142
  6.1 辊挤-引伸成形过程中场变量分布规律和辊轮载荷的研究  113-117
    6.1.1 应力应变场的分布规律  114-115
    6.1.2 特征点的应变场变量变化规律  115-117
    6.1.3 辊轮行程-载荷的分析  117
  6.2 辊挤-引伸成形的主要工艺参数  117-118
  6.3 工艺参数对场变量分布均匀性的影响  118-121
    6.3.1 辊挤速度对应变场均匀性的影响  119
    6.3.2 变形初始温度温度对应变场分布均匀性的影响  119-120
    6.3.3 摩擦系数对变形均匀性的影响  120-121
    6.3.4 工艺参数对场分布均匀性影响的评价  121
  6.4 多目标优化策略  121-129
    6.4.1 设计变量的选择  121
    6.4.2 变形均匀性目标函数的选择  121-124
    6.4.3 多目标优化难点问题分析  124
    6.4.4 层次分析法原理  124-129
  6.5 辊挤引伸-工艺参数多目标优化方案  129-133
    6.5.1 设计变量的选取  129
    6.5.2 目标函数的选取  129-130
    6.5.3 实验方案的确定  130-131
    6.5.4 数值模拟结果及目标函数的计算  131-133
  6.6 基于响应曲面法的层次分析  133-136
    6.6.1 单目标函数响应曲面的建立  133-135
    6.6.2 多目标函数权重层次分析  135-136
  6.7 辊挤-引伸工艺参数多目标优化  136-141
    6.7.1 灰色关联度分析  136-139
    6.7.2 辊挤-引伸工艺参数的多目标优化  139-140
    6.7.3 优化结果分析  140-141
  6.8 本章小结  141-142
7 辊挤-引伸成形实验及结果分析  142-157
  7.1 变壁厚筒体构件辊挤-引伸成形工艺路线  142-143
  7.2 实验条件  143-144
  7.3 辊挤-引伸成形技术要点及实验方案  144-148
  7.4 实验过程  148-151
  7.5 实验结果分析  151-155
    7.5.1 试制件成形尺寸检测  151-152
    7.5.2 样件的硬度测试及金相组织分析  152-154
    7.5.3 热处理结果分析  154-155
  7.6 与传统工艺的比较  155
  7.7 本章小结  155-157
8 结论  157-160
参考文献  160-170
博士期间成果  170-171
致谢  171-172

大口径弹体辊挤—引伸成形技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文