715 軸頭鍛壓模設(shè)計(jì)【全套11張CAD圖+文獻(xiàn)翻譯+說(shuō)明書(shū)】
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工藝參數(shù)對(duì)鋁合金熱軋過(guò)程中亞晶粒大小形成的影響
摘要:
本文結(jié)合有限元方法(FEM)和田口實(shí)驗(yàn)方法 (Taguchi experimental method)來(lái)研究軋制工藝參數(shù)(如輥速,輥溫度 ,輥縫中平均厚度與接觸長(zhǎng)度之比即Hm/L)對(duì)亞晶粒大小的影響。有限元方法首次應(yīng)用于模擬現(xiàn)有兩個(gè)單向?qū)嶒?yàn)室軋制。亞晶粒大小透過(guò)厚度的分類與測(cè)量后的分類相吻合。 隨后,田口方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表 L9(34)。使用有限元方法 共計(jì)分析了9個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)。然后按使用田口實(shí)驗(yàn)法對(duì)所給出的每一軋制工藝參數(shù)對(duì)變形亞晶粒大小的影響及其所給的百分比來(lái)分析預(yù)測(cè)結(jié)果。研究表明,開(kāi)軋溫度對(duì)亞晶粒大小形成影響最大,參數(shù)Hm/L次之。輥速,輥溫度對(duì)亞晶粒大小形成最小。
關(guān)鍵詞:軋制,鋁合金,亞晶粒大小,有限元方法,田口實(shí)驗(yàn)方法
1.引言
預(yù)測(cè)亞晶粒大小及分類對(duì)于形成中的結(jié)構(gòu)變化的預(yù)測(cè)發(fā)揮著十分重要的作用。亞晶粒分類及其平均大小機(jī)械性能有重大的影響,它決定了物體的強(qiáng)度,韌性, 結(jié)構(gòu)等。因此,學(xué)習(xí)亞晶粒大小的分類對(duì)質(zhì)量控制是至關(guān)重要的。
人們普遍認(rèn)為,以下方程中亞晶粒大小與溫度T ,應(yīng)變率),或穩(wěn)態(tài)變形后的溫度補(bǔ)償應(yīng)變率z有關(guān):... z的公式為....
值得注意的是,這個(gè)等式建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上。在等式(2)中,¥是平均應(yīng)變率,Qdef是活化
能變形, R即通用的大氣常數(shù)和T是通常進(jìn)入溫度。“等式(1)中 m的賦值最好是0.35-1.25.
引于參考文獻(xiàn)[1]”
預(yù)測(cè)亞晶粒大小和分類似乎微不足道, 因?yàn)樗鼉H僅代替了等式(1)和(2)中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)變率和溫度的交點(diǎn)?!耙演d資料表明,建立在計(jì)算上的亞晶粒大小的分類是錯(cuò)誤的。(引文[2])”因此,當(dāng)其與限定元法不合時(shí),我們就必須對(duì)等式(1)和(2)做些調(diào)整。
為控制產(chǎn)品性能, 掌握每個(gè)參數(shù)對(duì)亞晶粒大小的最后形成的影響程度是非常有用的。 田口設(shè)計(jì)方法適合這個(gè)任務(wù)。 田口方法采用一套標(biāo)準(zhǔn)直交(OAs)來(lái)確定參數(shù)配置,分析其結(jié)果。 這些數(shù)組使用少量的試驗(yàn),但得到最多的資訊,并具有較高的生產(chǎn)性和可靠性。研究中, 表L9(34)(即四個(gè)變數(shù),每個(gè)有三個(gè)值,總共有三個(gè)層次的的9個(gè)測(cè)試;也即Table2所示) 是可以接受的。研究中的四個(gè)參數(shù),每個(gè)都有三個(gè)數(shù)值。這些參數(shù)包括:初始的板坯溫度Tslab, 輥縫中平均厚度與接觸長(zhǎng)度之比Hm/L, 軋輥溫度Troll和輥速V.
2.試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元模型
“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自扎伊迪的實(shí)驗(yàn)。引文[3]”研究輥溫在300-500攝氏度下的鋁合金AA1100。輥直徑是250mm,木板厚度為25mm,寬為37.5mm。厚度減少20%,平均應(yīng)變率為2 s-1。 軋后, 試樣迅速被冰水冷卻。 亞晶粒大小測(cè)量的定位取源于中型飛機(jī)。因此,飛機(jī)應(yīng)變模被用來(lái)模擬軋制過(guò)程。在穩(wěn)定狀態(tài)下,亞晶粒大小和應(yīng)變參數(shù)之間的實(shí)證關(guān)系可定為以下等試:...
這里將用到一個(gè)商業(yè)限定元法項(xiàng)目,F(xiàn)ORGE2 V2.9.04。這就涉及到Tresca的摩擦定律。假設(shè)摩擦系數(shù)為0.6,滾動(dòng)和板之間的傳熱系數(shù)是14千瓦m - 2 k-1?!百Y料顯示,這個(gè)值可以通過(guò)匹配計(jì)算溫度與歷史記錄值得到。(引文[4])”以下等式可表示此種關(guān)系...
其中A,a,n是常數(shù)。
3.限定元法的結(jié)果及其討論
所有亞晶粒大小測(cè)量用100千伏菲利普斯EM301顯微鏡。亞晶粒大小的平均值即通過(guò)測(cè)量每個(gè)亞晶粒大小的長(zhǎng)度和最小寬再取其平均數(shù)。每個(gè)樣本中至少有50個(gè)亞晶粒得以測(cè)量。表1是兩種溫度下的兩個(gè)典型放大圖。表2是亞晶粒大小在通過(guò)厚度時(shí)預(yù)測(cè)前與測(cè)量后的分類之比較。若測(cè)量誤差為0.5um,可以說(shuō)它的預(yù)測(cè)是非常成功的。
從表2可知,亞晶粒大小從中心到表面減小。 當(dāng)軋制溫度低時(shí), 亞晶粒大小的分類比在高溫下的分類更穩(wěn)定。此現(xiàn)象取決于 物質(zhì)表面與中心的溫度差異。表3表明物體通過(guò)厚度出來(lái)時(shí)的溫度分布情況。軋制300攝氏度時(shí),表面與中心的溫度差為40攝氏度;500攝氏度時(shí)的溫度差為50攝氏度。等質(zhì)量的變形, 塑性功在低溫下比高溫下的變化更大。這是低溫下高浮力的緣故。因此,塑性功散發(fā)的熱所引起的溫度上升也就更大。低溫下,表面和中心的溫度差異也會(huì)大。 但是,限定元法所示的卻是一個(gè)完全相反的結(jié)果。原因是不同軋制溫度下,傳熱系數(shù)不同。“在限定元法計(jì)算中,機(jī)床的導(dǎo)熱和表面耗散取以下的摩擦力即等式[5]所示 :...
等式中,htc是傳熱系數(shù),Ttool是機(jī)床溫度。b*、b*tool分別為該熱源的零件和模具。Af是摩擦系數(shù),v是機(jī)床部件之間速率差異,k是傳導(dǎo)力。假設(shè)htc 和Ttool在不同的扎制溫度下數(shù)值相同,從等式(5)的右邊可知:高溫下表面溫度的下降比低溫下大得多。
如第一部分所論,要用等式(1)、(2)來(lái)預(yù)測(cè)亞晶粒大小的話就得進(jìn)行一些修改。在本研究中, 采用平均應(yīng)變率和交點(diǎn)溫度來(lái)獲取z的值。平均應(yīng)變率即在限定元法中整個(gè)變形區(qū)的每個(gè)增量的應(yīng)變率。采用這種平均法是合乎邏輯的,因?yàn)榈仁剑?)中的應(yīng)變率來(lái)源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),也是整個(gè)變形區(qū)的平均值。因此,限定元計(jì)算法中的每個(gè)增量,所有節(jié)點(diǎn)具有相同的應(yīng)變率。Z的變化取決于溫度的變化。“根據(jù)Well’s et al的研究(引文[6]), 溫度對(duì)微構(gòu)造物的影響與輥速度(應(yīng)變率),工作輥表面溫度和摩擦系數(shù)相比要大?!?因此,整個(gè)變形區(qū)所產(chǎn)生的平均應(yīng)變率是可以接受的。
4. 軋制參數(shù)對(duì)亞晶粒大小的決定作用
從表2的曲線中可知,F(xiàn)EM預(yù)測(cè)成功。這表明,此實(shí)驗(yàn)可用FEM代替。它的優(yōu)勢(shì)在于:使用FEM,沒(méi)有機(jī)器限制,測(cè)量的精度高,投入資本少,所獲結(jié)果快。有幾種類型的參數(shù)影響亞晶粒大小,即初始幾何參數(shù)(寬度/厚度,長(zhǎng)度/厚度),變形區(qū)參數(shù)(公耗,接觸長(zhǎng)度),過(guò)程參數(shù)(溫度,輥速)和材料參數(shù)( 成分)。研究四個(gè)易控制的變數(shù),即:平均厚度與接觸長(zhǎng)度之比(公式略,其中H1是進(jìn)入厚度,H2是出去厚度,R是輥半徑)),輥溫度( Troll ),輥速v,板溫Tslab。每個(gè)參數(shù)(如Table2所示)都賦有三個(gè)值,Hm/L的值為0.74,1.45,3.1(因輥半徑不變,Hm/L的值分別等同于厚度減少了44%,16%,4%;厚度減少值與第二部分所說(shuō)相同。),Troll的值為20,60,100攝氏度。如表2(Table2)即正交表L9 ( 34 ) 中所示,有4個(gè)參數(shù), 各參數(shù)有三個(gè)數(shù)值,共計(jì)9個(gè)測(cè)試。這就是材料AA1100。
本節(jié)通過(guò)差異分析( ANOVA )展示了亞晶粒大小各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。“ANOVA使用平方數(shù)定量研究總體實(shí)驗(yàn)平均反應(yīng)的控制系素的反應(yīng)偏差。(引文 [7])”
對(duì)于每個(gè)數(shù)值中,平均質(zhì)量特性反應(yīng)的計(jì)算公式如下:...
其中yi質(zhì)量特性反應(yīng)。研究中,它涉及到了亞晶粒大??;n是每個(gè)賦值的實(shí)驗(yàn)數(shù)。在數(shù)組L9(34)中,n為常數(shù)3。表2中所示的每一系數(shù)不同層次的平均值就是y的計(jì)算。從表3中可知,Hm/L第一層次的值包括實(shí)驗(yàn)1-3。輥溫第三層的值就是實(shí)驗(yàn)3,4,8。當(dāng)我們對(duì)每一參數(shù)值的層次進(jìn)行平均分析時(shí),其他參數(shù)中不同數(shù)值所產(chǎn)生的影響,都將相互抵消,因其他每個(gè)參數(shù)都會(huì)在每個(gè)不同的數(shù)值中出現(xiàn)。因此,實(shí)驗(yàn)的結(jié)論就是參數(shù)在每個(gè)數(shù)值中的影響不受其它參數(shù)的影響。也就是說(shuō),每個(gè)參數(shù)值的影響是相互獨(dú)立的。在Taguchi法中采用信噪比來(lái)分析其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)條件下,信噪比反映了質(zhì)量性質(zhì)的平均值和變值。信噪比的公式為:...
其中MSD代表平均平方差量,為了更好的分析擴(kuò)大后的信噪比值,通常用常數(shù)10。研究中,MSD的公式如下:...
正交試驗(yàn)數(shù)組的整個(gè)信噪比平均值的公式如下:...
從表3可知以上參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。
平方數(shù)取決與整個(gè)平均值的差異,公式如下:...
若考慮ith系數(shù),平均數(shù)取決與平均值的差異公式為:...
其中Mj是各值的實(shí)驗(yàn)數(shù),通常為常數(shù)3。Ith系數(shù)對(duì)亞晶粒大小的百分比公式如下:...
如表四所示,由圖可知輥溫對(duì)亞晶粒大小的作用為64%,大約是Hm/L值的兩倍。由此可知,輥溫和輥速對(duì)亞晶粒大小的影響可忽略不計(jì)。
5.結(jié)論
通過(guò)使用平均Zener-Hollomom參數(shù)和對(duì)其溫度的精確估算,亞晶粒大小通過(guò)整個(gè)厚度的預(yù)測(cè)是非常成功的。使用Taguchi變數(shù)分析證明,開(kāi)軋溫度是最重要的參數(shù),占了亞晶粒大小的64%,其次是Hm/L,輥溫、輥速。
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