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SAE4137大规格合金棒材,是优质合金结构钢,具有良好的淬透性、较高的抗拉强度、韧性以及疲劳强度等特点,因此多用于制造油井钻具钢等。油井钻具一般在地下几百米甚至几千米的环境下工作,需要承受拉、压、扭、冲、剪等各种作用力的综合作用,甚至还将承受瞬间的突变载荷。因此,生产中应严格控制以保证产品质量。目前南钢生产SAE4137钢时,会遇到一些表面质量问题。针对这种情况,本文以南钢中型厂项目“Φ950轧机性能开发及目标产品裂纹机理研究”为背景,取代表钢种SAE4137,研究了南钢中型厂在生产大规格合金棒材中产品表面质量较差等问题,并以Φ150规格为例,从轧制工艺及孔型系统设计方面提出改进方法和措施。轧制工艺直接影响着产品质量。本文采用差分进化算法、有限元仿真分析及实验、现场测试相结合的方法,对轧制温度、孔型充满程度、变形情况以及尺寸精度和表面失稳等方面对轧制工艺进行优化分析研究。具体内容及结果如下:(1)利用MMS-200热力模拟试验机,通过SAE4137钢的热模拟单道次压缩实验,研究了不同变形情况对SAE4137钢变形抗力的影响规律,建立了SAE4137钢的变形抗力数学模型。并结合实验结果,绘制出SAE4137钢在不同变形条件下的热加工图。同时将SAE4137热加工图与有限元模拟结果相结合,研究得出,优化工艺改善了轧件表面质量,减少了表面缺陷,为轧制工艺的进一步优化制定提供良好的参考基础。(2)基于MSC.Marc有限元软件平台,将南钢中型厂大棒材生产线实际生产过程转化为有限元模型,并在现场进行相关实验,通过实验结果与模拟结果的对比分析,验证了有限元模型的正确性。(3)采用差分进化算法,以能耗最小和变形均匀为目标对粗轧工艺进行优化,并基于优化工艺提出相应孔型系统。以变形均匀为目标,基于现有精轧孔型系统,对精轧工艺进行优化。利用有限元数值模拟对比分析优化前后轧制工艺,得出优化工艺的轧制能耗有所降低。轧件变形均匀性得到明显提高,中间方坯以及最终产品的尺寸精度得到提高,并降低了产品的切损量。(4)基于有限元模拟结果分析可知,成品圆孔采用圆弧扩张可以适当的改善轧件表面及中心的应力分布,使应力分布更加均匀渗透,有效地提高轧件表面质量。切线扩张比圆弧扩张有更大的宽度调整余量和共用性,圆弧扩张比切线扩张的尺寸精度要更高。