论文总字数：32803字

摘 要

冲孔是自由锻造的基本工序，也是圆截面空心类锻件锻造过程中的重要一环。本文借助数值模拟软件Deform，研究了高径比H/D=2.0条件下圆柱大锻件深冲孔工序最大与最小孔径比，论文所做的主要工作为：

对孔径比d/D（冲头直径与坯料直径的比值）在0.10～0.34之内冲通孔进行了数值模拟实验。并将冲通孔问题转换为在坯料两端依次冲半个坯料高度的孔深问题。

分析冲头在冲孔过程受轴向载荷变化，确定最大载荷发生在首次冲孔的最大行程处。分析坯料在冲孔过程中外形尺寸的变化，确定在冲孔完成时尺寸变化达到最大值。

以最大轴向载荷与压杆失稳条件作为最小孔径比判别依据，以模拟完成时坯料最大尺寸变化量与限定尺寸变化最大值作为最大孔径比判别依据，确立了坯料直径在300mm～1300mm范围的最小孔径比与最大孔径比数值。对比分析最大孔径比与最小孔径比所对应的极限冲孔直径，得出极限冲孔直径与坯料直径之间存在线性关系。

本实验提出的孔径比极限与坯料直径的关系，具有实际生产意义，能为大锻件深冲孔生产提供参考。

关键词：大型锻件、数值模拟、冲孔、孔径比

Abstract

Punching is a basic process in free forging, and it is an important part of forging round hollow section forgings sections. By using the numerical simulation software Deform, The major work includes studying the maximum and minimum aperture ratios of the deep punching for large cylindrical forgings with the ratio of height to diameter H/D=2.0. The main work is as follows:

Numerical simulation experiments were performed on punching holes with an aperture ratio d/D (ratio of punch diameter to billet diameter) within 0.10 to 0.34. The problem of rush-through holes is changed to the problem of punching half the billet height at both ends of the billet.

Analyze the impact force of the punch during the punching process and ascertain the maximum stroke of the first half punching as the maximum load position. The transformation of blank dimensions during the punching process is analyzed and at punching completion the maximum amount of dimensional change is determined.

Using the load force and the destabilization condition of the press rod as the minimum aperture ratio judgment basis, the maximum size variation of the blank and the maximum value of the defined dimension are used as a criterion for judging the maximum aperture ratio. Establish the ratio of the minimum aperture ratio to the maximum aperture ratio within 300mm to 1300mm diameter. The limit punching diameter corresponding to the ratio of the maximum aperture ratio to the minimum aperture ratio was compared and analyzed. It was found that there was a linear relationship between the limit punching diameter and the billet diameter.

The relationship between the limit ratio of the aperture ratio and the blank diameter proposed in this experiment is valuable for application and can provide reference for the production of large forgings.

KEY WORDS: Large forgings, Numerical simulation, Punching, Aperture ratio

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 大型锻件研究现状 1

1.2.1 大型锻件在数值模拟方面研究进展 1

1.2.2 大型锻件冲孔工艺 3

1.3 研究意义 4

1.4 研究内容与方法 4

1.5 本章小结 5

第二章 数值模拟基本原理及有限元软件 6

2.1 一般分析方法 6

2.1.1 主应力法 6

2.1.2 滑移线法 6

2.1.3 上限法 6

2.2 有限元法 7

2.3 刚粘塑性有限元法 7

2.3.1 刚粘塑性有限元法的基本方程 8

2.4 刚粘塑性材料的变分原理 9

2.5 Deform软件 10

2.5.1 Deform软件概述 10

2.5.2 Deform有限元软件系统组成 11

2.5.3 Deform-3D软件功能 11

2.5.4 Deform-3D软件优点 12

2.6 本章小结 12

第三章 有限元模拟的建立 13

3.1 有限元模拟模型的建立 13

3.2 前处理工艺 14

3.2.1 坯料材料 14

3.2.2 锻造温度 15

3.2.3 接触面摩擦 16

3.2.4 求解步长与网格控制 16

3.3 实验内容 17

3.3.1 高径比H/D=2.0的圆柱形大锻件冲孔最小孔径比的模拟研究 17

3.3.2 高径比H/D=2.0的圆柱形大锻件冲孔最大孔径比的模拟研究 18

3.4 本章小结 18

第四章 圆柱锻件冲孔最小孔径比的模拟分析 19

4.1 冲孔过程最大载荷分析 19

4.2 最小孔径比分析 20

4.3 本章小结 23

第五章 圆柱锻件冲孔最大孔径比的模拟分析 24

5.1 最大孔径比分析 24

5.1.1 冲孔变形情况 24

5.1.2 最大孔径比与坯料尺寸的关系 25

5.2 冲头行程与直径对金属流动的影响 26

5.2.1 冲头行程对金属流动的影响 26

5.2.2 冲头直径对金属流动的影响 27

5.3 孔径比对应变场的影响 28

5.4 冲头直径极限研究 30

5.4.1 孔径极限 30

5.4.2 改进方式 31

5.5 本章小结 32

第六章 结论与展望 33

6.1 结论 33

6.2 展望 33

致谢 34

参考文献 35

绪论

引言

大型锻件制造行业在中国具有重要的地位，其发展水平体现出一个国家的综合实力，是制造业的基础，也与国家安全保障和国民经济活力密切相关^[1]。

大型锻件行业中劳动力需求高，技术密集程度大，其本身投资成本高，建设时间周期长，短时间回报率低，同时还具有产能过剩以及产品短缺的双重特点。一方面，传统大型锻件制造行业所对应的市场早已饱和，普通低水平产品供过于求，市场竞争异常激烈，产品工艺较为成熟，质量受制于设备与技术，从追求更高质量的良心竞争变为争相压价的恶性竞争，其结果影响了大锻件生产厂家的经济效益，导致发展受限，经验丰富的人员与高技术人才流失严重。另一方面，国家所急需的技术水平高、效益好、质量要求高的高价值锻件的生产能力低下，与国外的竞争中落于下风，国际市场受国外企业掌控，这也进一步降低我国大锻件生产产出的利益，并限制大型锻件设备与技术的进一步发展，导致与国外技术水平的竞争中优势很小。随着锻件生产向大体积方向发展，锻造精度要求增加，交货期时间减少，生产难度不断增大，我国大型锻件市场竞争也将愈发激烈^[2,3]。

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