一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，在难变形金属热塑性成形过程中，发生动态再结晶的温度及应变速率范围内进行金属材料高温力学性能试验；基于热塑性成形过程中功率的耗散及流变失稳判断准则，在高温力学性能试验获得流变应力应变关系的基础上，分别构建不同应变下的功率耗散图和流变失稳图；将功率耗散图与流变失稳图进行组合，获得材料热加工图；根据功率耗散率因子η的分布及流变失稳判据，分析获得满足流变失稳准则的潜在危险成形条件及安全成形条件下、功率耗散率因子η较大的有利于热塑性成形的成形条件；最后根据热加工图获得的材料有利于热塑性成形的温度及应变速率，进行筒形件热强旋成形。

A method based on thermal processing chart for the control of barrel shape, thermal strength, rotation and shape

The invention discloses a heat resistant spiral shaped parts / integrated control method of hot processing map based on the cylinder, in hard deformation metal hot plastic forming process, the dynamic recrystallization temperature and strain rate range test of high temperature mechanical properties of metal materials; power dissipation and thermal rheological forming process the instability criterion based on the obtained flow on the basis of stress-strain relation in the test of high temperature mechanical properties, were constructed under different strain power dissipation map and flow instability; will power dissipation map and rheological instability map are combined to obtain thermal processing map; according to the distribution and flow of power dissipation factor. The rate of the instability criterion and analysis of satisfaction potential flow instability criteria of the forming conditions and forming safety conditions, power dissipation factor is larger for forming a thermoplastic forming Finally, the material obtained according to the hot working drawing is favorable to the temperature and strain rate of the thermoplastic forming, and the heat intensive forming of the barrel part is carried out.

【技术实现步骤摘要】
一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法
本专利技术涉及热加工图，属于金属材料的热塑性成形领域。尤其涉及一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法。
技术介绍
在传统塑性成形对尺寸精度要求的基础上，提出实现成形零件优越的组织性能，是当前塑性成形技术的特点及发展趋势。随着航空航天、国防军工、舰船等高精尖技术的发展，对同时具有较高尺寸精度和良好高温性能的筒形件的应用越来越广泛。但该类合金在室温下变形抗力大、塑性差，常温下进行塑性成形极为困难。具有点加载连续局部成形特点的热强旋成形是目前获得该类难变形金属筒形件的最有效方法之一。在热强旋过程中，由于热力耦合作用，其成形机理复杂，如何控制成形温度及各工艺参数之间的配合，是获得同时具有较高尺寸精度和良好高温性能筒形件的关键。除材料化学组成外，微观组织形态是材料性能的决定因素。因此，在热强旋过程中微观组织的演变是决定产品性能的关键。为研究热强旋成形过程中微观组织的演变机制，常规方法采用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)等对组织及织构进行实验研究。但由于实验手段的局限性，无法实现微观组织的动态观察，凭经验又很难进行预测以及控制，具有一定的盲目性、耗时费力。形/性一体化控制是塑性成形技术的一个重要的发展方向。在旋压成形方面，目前主要关注于对宏观成形质量、旋压缺陷控制方面的工艺参数优化研究，对于微观组织演变机理的研究也均是采用上述实验方法，仅停留在对成形后的微观组织进行分析，没有将宏观的成形质量与微观的组织演变进行协同研究，且没有在组织演变物理机制的基础上提出具体的形/性一体化控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法。避免了盲目地试验和材料的浪费，充分挖掘了材料的性能潜力。本专利技术技术方案中，既考虑加工过程中材料的宏观流动，又考虑材料变形时微观的组织演变，获得同时具有较高尺寸精度和良好组织性能的筒形件。本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，包括如下步骤：步骤(1)：根据不同金属材料热塑性成形过程中发生动态再结晶的温度、应变速率及应变的不同，在发生动态再结晶的温度、应变速率及应变条件下进行金属材料高温力学性能试验；步骤(2)：对有限的试验温度、应变速率样本点数下获得的流变应力应变关系进行插值计算；步骤(3)：基于热塑性成形过程中功率的耗散及流变失稳判断准则，在扩展的高温力学性能试验获得流变应力应变关系的基础上，分别构建不同应变下的功率耗散图和流变失稳图；步骤(4)：将功率耗散图与流变失稳图进行组合，获得材料的热加工图；根据功率耗散率因子η的分布及流变失稳判据，分析获得满足流变失稳准则的潜在危险成形条件及安全成形条件下、功率耗散率因子η的有利于热塑性成形的成形条件；步骤(5)：最后根据热加工图获得的材料有利于热塑性成形的温度及应变速率，确定热强旋成形工艺参数，进行筒形件热强旋成形，获得满足尺寸精度及组织性能要求的筒形件。上述步骤(1)所述金属材料为在热塑性成形过程中易发生动态再结晶的中低层错能金属或合金；步骤(1)所述高温力学性能试验温度在材料动态再结晶温度以下50℃与至热塑性成形温度以上50℃范围内。上述步骤(5)所述热加工图为基于动态材料模型的热加工图。上述步骤(1)所述高温力学性能试验应变速率按筒形件强力旋压应变速率分布范围取0.01/s-10/s；步骤(1)所述高温力学性能试验保证应变量为0.6以上。上述步骤(2)所述插值计算为对温度及应变速率试验样本数进行扩展。上述步骤(3)所述流变失稳准则中应变速率敏感系数m为流变应力σ对应变速率的偏导，其决定塑性变形所耗散的能量G与微观组织演变所耗散的能量J的分配；材料在加工过程中单位时间内外力对单位体积材料所做的功P，即材料所获得的总能量，可由应力σ与应变速率相乘获得，其将转变为材料发生塑性变形所消耗的能量G及微观组织演变所消耗的能量J；理想能量耗散系统认为塑性变形与微观组织演变所消耗的能量相等，但通常材料处于非线性能量耗散状态；为描述能量分配关系，采用流变应力σ对应变速率的偏导，即应变速率敏感系数m描述其分配比：上述步骤(4)所述危险成形条件是满足由应变速率敏感系数m描述的基于大塑性变形不可逆热力学极值原理的流变失稳准则的条件；基于大塑性变形不可逆热力学极值原理，采用变速率敏感系数m及应变速率的函数构建流变失稳准则：有利于热塑性成形的条件是描述微观组织演变所耗散的能量J占比的功率耗散率因子η较大的成形条件；处于理想线性能量耗散系统时微观组织演变耗散的能量最大，Jmax＝P/2，因此根据材料获得的总能量P与耗散能的关系，可采用应变速率敏感系数m的函数描述功率耗散率因子η，以描述微观组织演变所耗散能量J的占比：上述步骤(5)所述热强旋成形温度应控制在热加工图所得有利于热塑性成形温度±25℃范围。上述步骤(5)所述热强旋成形应变速率是通过控制旋轮成形角、旋轮进给比、主轴转速、减薄率和/或坯料壁厚实现；热强旋成形工艺参数的确定是根据筒形件强力旋压变形区应变速率与旋轮成形角αρ、旋压前坯料壁厚t0、旋压后的工件壁厚tf、壁厚减薄率进给速度v0的关系计算获得；其中αρ为旋轮成形角；t0为旋压前坯料壁厚；tf为旋压后的工件壁厚；tθf为旋压前坯料外表面与旋压后工件外表面之间不同θ层至工件内表面的距离；为壁厚减薄率；v0为旋轮前为成形区质点的流动速度(相对于旋轮)，在反旋成形中，v0等于进给速度，其与进给比f和主轴转速n的关系为v0＝f·n。上述步骤(1)的动态再结晶条件是指：在步骤(1)所述的中低层错能金属材料中，在热塑性成形过程中易因位错密度达到临界值而在晶界及高位错密度的应力集中处形成位错密度极低的再结晶晶核并长大，为区别在热处理过程中的再结晶，将这种组织演变过程称为动态再结晶。金属材料动态再结晶温度和应变速率的确定主要受材料的组织状态、化学组成、成形方式等诸多因素影响。对于应变速率一般考虑成形方式，本专利技术中为热强旋成形，其应变速率一般在0.01/s～10/s范围内，而在不同应变速率下的动态再结晶温度可参考热处理过程中的再结晶温度，但准确的再结晶温度主要依靠试验获得。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：1、本专利技术所采用技术方案，可以从物理机制层面实现热强旋成形的形/性一体化控制；2、本专利技术所采用技术方案，可以得到同时具有较高尺寸精度和良好组织性能的筒形件；3、本专利技术所采用技术方案，可以得到金属材料热塑性成形的危险成形条件，避免成形缺陷及减小。可见，本专利技术针对难变形金属薄壁筒形零件不仅具有高精度外形尺寸，还具有细小均匀、无流变失稳现象的微观晶粒组织，使其具有良好的机械性能，实现难变形金属筒形件的尺寸精度与组织性能的一体化控制。附图说明图1是筒形件强力旋压变形区应变速率计算公式。图2是热塑性成形过程中能量组成。图3是应变速率敏感系数表达式。图4是理想线性与非线性能量耗散分配。图5是功率耗散率因子表达式。图6是基于大塑性变形不可逆热力学极值原理的流变失稳判断准则。图7是本专利技术实施的流程图。图8是本专利技术热强旋所得筒形件零件示意图。图9是本专利技术高温平面应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1)：根据不同金属材料热塑性成形过程中发生动态再结晶的温度、应变速率及应变的不同，在发生动态再结晶的温度、应变速率及应变条件下进行金属材料高温力学性能试验；步骤(2)：对有限的试验温度、应变速率样本点数下获得的流变应力应变关系进行插值计算；步骤(3)：基于热塑性成形过程中功率的耗散及流变失稳判断准则，在扩展的高温力学性能试验获得流变应力应变关系的基础上，分别构建不同应变下的功率耗散图和流变失稳图；步骤(4)：将功率耗散图与流变失稳图进行组合，获得材料的热加工图；根据功率耗散率因子η的分布及流变失稳判据，分析获得满足流变失稳准则的潜在危险成形条件及安全成形条件下、功率耗散率因子η的有利于热塑性成形的成形条件；步骤(5)：最后根据热加工图获得的材料有利于热塑性成形的温度及应变速率，确定热强旋成形工艺参数，进行筒形件热强旋成形，获得满足尺寸精度及组织性能要求的筒形件。

【技术特征摘要】
1.一种基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1)：根据不同金属材料热塑性成形过程中发生动态再结晶的温度、应变速率及应变的不同，在发生动态再结晶的温度、应变速率及应变条件下进行金属材料高温力学性能试验；步骤(2)：对有限的试验温度、应变速率样本点数下获得的流变应力应变关系进行插值计算；步骤(3)：基于热塑性成形过程中功率的耗散及流变失稳判断准则，在扩展的高温力学性能试验获得流变应力应变关系的基础上，分别构建不同应变下的功率耗散图和流变失稳图；步骤(4)：将功率耗散图与流变失稳图进行组合，获得材料的热加工图；根据功率耗散率因子η的分布及流变失稳判据，分析获得满足流变失稳准则的潜在危险成形条件及安全成形条件下、功率耗散率因子η的有利于热塑性成形的成形条件；步骤(5)：最后根据热加工图获得的材料有利于热塑性成形的温度及应变速率，确定热强旋成形工艺参数，进行筒形件热强旋成形，获得满足尺寸精度及组织性能要求的筒形件。2.根据权利要求1所述基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，其特征在于：步骤(1)所述金属材料为在热塑性成形过程中易发生动态再结晶的中低层错能金属或合金；步骤(1)所述高温力学性能试验温度在材料动态再结晶温度以下50℃与至热塑性成形温度以上50℃范围内。3.根据权利要求1所述基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，其特征在于：步骤(5)所述热加工图为基于动态材料模型的热加工图。4.根据权利要求1所述基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，其特征在于：步骤(1)所述高温力学性能试验应变速率按筒形件强力旋压应变速率分布范围取0.01/s-10/s；步骤(1)所述高温力学性能试验保证应变量为0.6以上。5.根据权利要求1所述基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，其特征在于：步骤(2)所述插值计算为对温度及应变速率试验样本数进行扩展。6.根据权利要求1所述基于热加工图的筒形件热强旋形/性一体化控制方法，其特征在于：步骤(3)所述流变失稳准则中应变速率敏感系数m为流变应力σ对应变速率的偏导，其决定塑性变形所耗散的能量G与微观组织演变所耗散的能量J的分配；材料在加工过程中单位时间内外力对单位体积材料所做的功P，即材料所获得的总能量，可由应力σ与应变速率相乘获得，其将转变为材料发生塑性变形所消耗的能量G及微观组织演变所消耗的能量J；理想能量耗散系统认为塑性变形...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏琴香，朱宁远，程秀全，肖刚锋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44