高速冷打热力耦合作用下成形机理研究-毕业论文.doc

分类号 密级 UDC 编号 硕 士 学 位 论 文高速冷打热力耦合作用下成形机理研究学 位 申 请 人： 朱文娟 指 导 教 师： 崔凤奎 教授 学 科 专 业： 机械制造及其自动化 学 位 类 别： 工学 2013年5月摘 要论文题目： 高速冷打热力耦合作用下成形机理研究 专 业： 机械制造及其自动化 研 究 生： 朱文娟 指导教师： 崔凤奎 摘要高速冷打成形关键理论研究是冷打成形技术发展的迫切需求。高速冷打成形是一个多因素耦合作用下的复杂成形过程，目前对冷打成形进行的研究都是基于纯力学和材料学角度，没有涉及冷打过程中产生的热效应，而热效应引起的工件内部不均匀的温度场将影响工件金属的流动性，进而对成形零件质量和性能产生影响。为此，本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，对高速冷打热力耦合作用下成形机理进行系统的研究，以提高其成形零件的使用性能和表面质量，主要研究内容和结果如下：分析了高速冷打热力耦合形成过程，基于连续介质力学理论建立了高速冷打成形过程中工件塑性耗散的热传导能量方程式，给出了方程式的求解方法。得出冷打成形过程中产生的热量主要是由于工件不可逆塑性变形功的热耗散和工件、滚打轮截面摩擦生热；高速冷打成形过程中产生的热耗散能依赖于工件材料的塑性变形本构方程。进行了40Cr调质钢常温条件下、应变速率为0.004s-1的静态实验和温度为204000C、应变速率为6325160s-1的动态实验，分析了温度和应变速率对流动应力的影响及动态实验中产生的绝热温升。得出40Cr调质钢具有较强的应变速率和温度敏感性；确立了描述40Cr调质钢流动应力的本构方程，拟合得到了本构方程中的相关参数；分析了40Cr调质钢流动应力本构方程与实验数据的相关性，得出所确立的本构方程可以较好地描述40Cr调质钢在不同温度和应变速率下的流动应力。建立了高速冷打热力耦合有限元分析模型，实现了冷打成形过程的可视化，分析了工件几何构形的变化、等效应力场、等效应变场和温度场的分布情况。得出工件表面两侧的突起、中间凹陷是由金属的体积不可压缩性和金属流动符合最小阻力定律共同完成的；工件的温度分布和等效塑性应变分布是不均匀的：剧烈变形区的等效塑性应变高，温升高，难变形区的等效塑性应变低，温升低。对比分析了考虑热效应和不考虑热效应等效应力、等效应变和接触力的分布情况。得出高速冷打成形过程中热力耦合作用的实质是能量的转化，揭示了高速冷打成形过程中的热力耦合形成机制。分析了本构方程、滚打轮形状、工件形状、摩擦系数和滚打轮转速对冷打成形过程中等效应力场、变形场、温度场、接触力及成形尺寸的影响规律。得出材料参数是影响冷打成形件的重要因素，存在一个最佳转速，使成形件质量和性能最优，为工艺参数的优化、成形工件质量预测与控制提供了依据。关 键 词：高速冷打，热力耦合，本构方程，有限元论文类型：应用基础研究 本文的研究得到了国家自然基金项目(项目编号：51075124、50975229)的资助。I摘要Subject: Study on forming mechanism coupled thermo-mechanics of cold rolling Specialty: Machine Manufacture and Automation Name: Zhu Wenjuan Supervisor: Cui Fengkui ABSTRACTKey theoretical study of high-speed cold rolling is of urgent need in the development of high-speed cold rolling forming technology. High-speed cold rolling is a complex plastic forming process under coupled effects of multi-factors. Current research is based on pure mechanics and material angle; thermal effects are not involved in the cold rolling forming process. While non-uniform temperature caused by thermal effects affects metal flow of the work piece, thus the quality and performance of forming part is affected. Therefore, in this paper, in order to improve the quality and performance of forming parts, a systematic investigation on forming mechanism coupled thermo-mechanics of cold rolling was carried out using numerical simulation, combined with the analytical and experimental methods. A brief introduction to the project and its main achievements are as follows:High-speed cold rolling forming process under thermal-mechanical coupling was analyzed. Based on the theory of continuum mechanics, the energy equation of heat conduction of plastic dissipation in forming process was established. Solving method of the equation was given. The heat produced in the forming process mainly due to the irreversible heat dissipation of plastic deformation and friction heat caused by the work piece and roller section. The heat dissipation of the process depends on the plastic deformation constitutive equation of work piece material.The thermo-mechanical responses of 40Cr under uniaxial compression loading were presented. The strain rates include quasi-static (0.004s-1) at temperature of 200C and dynamic loading regime (6325160s-1) at temperature regime (204000C). The influence of temperature and strain rate on flow stress and the adiabatic temperature rise in dynamic experiment were analyzed. Significant strain rate and temperature sensitivity were measured. Constitutive model was established to predict the mechanical behavior of the 40Cr over wide ranges of strain rate and temperature. Parameters of constitutive model were obtained. Correlations with the established model were shown very close to the observed responses. The established model can preferably describe the effect of strain hardening, strain rate and temperature of 40Cr quenched and tempered steel.High-speed cold rolling coupled thermo-mechanical finite element analysis model was established, realized the cold rolling forming process of visualization. Analysis the work piece geometry configuration changes, the equivalent stress field, the distribution of equivalent strain field and temperature field. It is found that the protruding of the work piece on both side and the middle sag is due to the volume incompressibility of metal and metal flow conforms to the law of least resistance. Temperature and equivalent plastic strain distribution of work piece is uneven. Temperature rise of severe equivalent plastic strain area is high while temperature rise of difficult equivalent plastic strain zone is low. Comparative analysis of equivalent stress, equivalent strain and contact force considered thermal effects and not considered thermal effects were made. It is found that the substance of thermal-mechanical coupling in high-speed cold rolling forming process is the transformation of energy. Forming mechanism coupled thermo-mechanics of cold rolling in forming process is revealed.Analysis the influence of constitutive equation, the shape of the roller and work piece, the friction coefficient and the speed of the rolling wheel to the equivalent stress field, strain field, temperature field, contact force and forming size of the cold rolling forming process. The material parameters play an important role in affecting the forming parts of cold rolling. There is a most appropriate rolling speed making both quality and performance optimization. It provides basis for the optimization of process parameters, the prediction and control of the quality of the forming parts.KEY WORDS: high-speed cold rolling, thermal-mechanical coupling, constitutive equation, finite elementDissertation Type: applied fundamental researchThe study is supported by Natural Science Foundation of China (No: 51075124, 50975229)VII目录目录第1章 绪论11.1 引言11.2 高速冷打成形原理及特点11.2.1 原理分析11.2.2 高速冷打成形过程特点21.3 高速冷打成形技术研究现状及存在的问题21.4 塑性成形中热力耦合研究现状51.5 课题研究意义61.6 课题主要研究内容71.6.1 课题来源及研究内容71.6.2 论文结构7第2章 高速冷打成形过程中热力耦合作用形成机制理论分析92.1 高速冷打热力耦合形成过程92.2 高速冷打热力耦合形成机制理论建模92.3 模型的求解132.3.1 冷打变形场的求解142.3.2 冷打温度场的求解142.3.3 变形场和温度场之间的相互影响152.4 本章小结16第3章 工件材料静动态力学性能实验分析与本构方程173.1 40Cr静态压缩实验173.1.1 实验材料及方案173.1.2 实验条件173.1.3 实验过程183.2 结果与分析193.2.1 应变速率敏感性分析193.2.2 温度敏感性分析203.3 40Cr调质钢动态塑性本构方程213.3.1 本构方程的确立213.3.2 本构方程参数的确定233.3.3 本构方程与实验数据相关性分析253.4 本章小结27第4章 高速冷打成形过程热力耦合有限元模拟及分析294.1 冷打成形有限元模拟流程及方案294.1.1 有限元模拟流程294.1.2 有限元模拟方案304.2 冷打成形热力耦合有限元建模关键技术处理314.2.1 模拟假设314.2.2 几何模型324.2.3 材料模型324.2.4 单元的选择和网格划分334.2.5 动态加载和接触边界334.2.6 热边界条件344.3 热力耦合模拟结果与分析344.3.1 工件几何构形变化过程分析344.3.2 等效应力分析354.3.3 等效应变分析374.3.4 温度分析394.4 热力耦合作用的分析424.4.1 等效应力对比分析424.4.2 等效应变对比分析454.4.3 接触力对比分析474.5 本章小结48第5章 高速冷打热力耦合作用下成形机理分析495.1 仿真结果金属流动规律分析495.2 成形尺寸分析515.3 成形接触力分析525.4 本构方程对冷打成形模拟的影响分析525.4.1 本构方程对等效应力的影响分析525.4.2 本构方程对变形场的影响分析535.4.3 本构方程对温度场的影响分析555.5 高速冷打热力耦合成形规律分析565.5.1 滚打轮圆角半径对冷打热力耦合成形的影响规律分析565.5.2 工件形状对冷打热力耦合成形的影响规律分析595.5.3 摩擦系数对冷打热力耦合成形的影响规律分析605.5.4 滚打轮转速对冷打热力耦合成形的影响规律分析635.6 本章小结67第6章 结论696.1 研究结论696.2 进一步研究的问题70参考文献71致谢77攻读硕士学位期间的研究成果78第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言塑性成形技术是利用金属材料的可塑性，使金属在力场或同时辅以温度场的作用下实现体积转移，有效地改善和提高了金属的微观组织和机械性能，从而获得形状、尺寸和性能都满足要求的少、无切屑、绿色成形制造方法，因其具有高效、优质、低耗等优点，已成为当今先进制造技术的重要组成部分1-4。高速冷打成形技术正是利用冷态金属材料的固有塑性，通过高速旋转的滚打轮对工件进行断续击打和滚压，迫使金属材料流动，渐变塑性成形，从而形成高性能零件的一种绿色、净近成形先进制造塑性成形技术5-7。因此高速冷打成形技术具有广阔的应用前景，从理论方面对高速冷打成形技术进行研究对实际的工程应用有着重要的指导意义。本章将对高速冷打成形原理进行介绍，通过与其它塑性成形技术相比较，分析高速冷打成形过程特点，综述其国内外研究现状，指出存在的问题，阐明本文的研究意义，介绍本文的主要研究内容和论文整体结构框架。1.2 高速冷打成形原理及特点1.2.1 原理分析高速冷打成形原理如图1-1所示，具有一定形状的滚打轮分别偏心安装在两根高速旋转轴(滚打轴)上，两滚打轴以角速度同步逆向旋转，该旋转运动实现滚打轮的运动，滚打轴每转一转，滚打轮对工件击打一次。当两滚打轮同时接触工件的一瞬间，由于工件与滚打轮之间摩擦力的作用，两滚打轮以角速度作自转转动，保证实现滚打轮和工件之间的纯滚动8-10。在滚打过程中，工件以角速度作连续分齿旋转，并以进给速度轴向移动形成轴向进给，因此滚打轮在制件上滚打出的表面是螺旋面，滚打轮与制件之间的运动是范成运动；由于滚打轮是偏心安装在旋转轴上, 滚打轮在冷打过程中是间断地对制件进行滚打,滚打轮击打一次形成的螺旋面只是整个完整螺旋面的一段, 零件的形面就是由很多这样的螺旋面包络构成的11,12。f w1w1wgwrwrwg图1-1高速冷打成形原理示意图Fig. 1-1 Principle of high-speed cold rolling1.2.2 高速冷打成形过程特点与轴类楔横轧成形技术13,14、环件辗扩成形技术15,16、花键滚压成形技术17以及最近提出的冷拉伸滚压技术18等塑性成形技术相比，高速冷打成形过程由于成形速度高(成形工具的转速一般为上千转每分钟)，在极短时间内完成变形，坯料受到动态的冲击载荷作用，描述这种加载条件下的金属变形行为时要考虑惯性效应和应力波传播效应；高速冷打成形过程中，应变在很短时间内发生较大变化，变形期间的应变速率较高，描述材料本构关系时要考虑应变速率效应；变形过程中的绝热效应19也更加显著。惯性效应、应力波传播效应、应变速率效应和绝热效应是材料在冲击载荷作用下所表现出的特殊性，也是高速冷打成形过程区别于以上静态加载成形的特点20。1.3 高速冷打成形技术研究现状及存在的问题国外开展冷打理论的研究比较早，最早是由瑞士的Krapfenbauer.H和Ernst Grob提出，并建立了冷打花键和齿轮的Grob公司，到20世纪60年代，国外其他国家将该工艺应用到花键的加工中。Smirnov-Alyaev，G.A等21提出了基于实验数据研究花键冷打的可行性，通过实验分析验证了成形过程中变形程度及应力分布的不均匀性和复杂性。Ernst Grob等22针对滚打轮的安装倾角问题，采用在滚打轮与滚压头的联结处增加一个止推环形成一个倾斜平面，使滚打轮按预先合适的安装倾角固定在滚压头上，提高了零件的加工精度。Weck, M等23对冷打成形产品与切削加工产品进行了比较，指出了由于冷打成形产品的表面有一定的硬化层，其抗疲劳强度提高了25%35%。Krapfenbauer.H等24对采用冷打成形技术大批量生产零件进行了研究，探讨了冷打加工工艺并对加工零件的精度进行了分析。Kurz.N等25基于有限元理论对冷打过程中的塑性变形建立了仿真模型，计算了冷打过程中的成形力及工件的应力应变值，其仿真结果与实验数据比较表明仿真结果是可靠的。Zella.L等26采用有限元方法对渐开线花键在轴对称加载和非轴对称加载情况下的接触情况进行了分析，给出了应力应变在扭矩不断增加下的变化情况和应力集中分布情况。目前，国外已有冷打机床设备，对高速冷打成形技术也有一定的研究成果，但是对其核心技术的报道不多。国内进行冷打技术的研究起始于20世纪70年代，主要研究内容集中在冷打加工方法，滚打轮的设计理论，滚打轮运动分析、滚打轮弹塑性修正等方面，河南科技大学崔凤奎教授和西安理工大学的李言教授对这一技术进行了大量的理论及实验研究。在滚打轮设计方面，崔凤奎27-29等根据高速冷打成形过程中滚打轮和制件之间的运动关系，基于啮合原理，运用等升距螺旋面的形成理论，建立了滚打轮的理论廓形设计模型，根据该模型制造了滚打轮，进行了花键加工实验，针对高速冷打成形过程中制件弹性恢复对滚打轮理论廓形设计模型的影响，运用实验计算法对滚打轮的理论廓形设计模型进行了修正，获得了符合实际生产要求的滚打轮廓形设计模型，并对渐开线花键滚打轮CAD系统及滚打轮磨削仿真系统进行了开发，研究了其中的主要算法。通过实际生产验证了所建立的滚打轮廓形设计模型及其弹塑性修正方案的正确性和所开发的滚打轮CAD系统及滚打轮磨削仿真系统的实用性，解决了高速冷打成形技术中亟待解决的问题，为滚打轮的设计和制造提供了可行的技术和工艺方案。杨建玺9等采用范成法建立了滚打轮轮廓设计的数学模型，并对该模型进行了实验验证。针对制件的弹塑性变形问题，将实验测量数据反映到滚打轮坐标系中，获得了滚打轮轮廓的弹性变形修正量，实现了渐开线花键的高精度冷打成形加工。在运动学方面，苏志鹏30等通过对渐开线花键的四种运动关系的分析，运用坐标变换法，建立了渐开线花键冷打运动数学模型，并对该模型进行了仿真和实验验证，得出高速冷打花键过程中始终存在干涉现象，花键成形方法为范成法的结论。吕耀峰31等依据空间啮合原理，建立了渐开线花键齿面的数学模型并对其理论误差进行了计算，获得了齿形和齿向误差随滚打轮安装角度的变化规律及渐开线花键冷打成形方法为范成法，为进一步研究高速冷打成形运动学规律奠定了基础。何选景32对滚珠丝杠冷打成形运动学方面进行了深入的理论研究，建立了滚珠丝杠冷打成形运动关系数学模型，揭示了冷打成形原理及滚珠中心轨迹螺旋线产生误差的原因，并提出了此误差减小的措施。在动力学方面，孙娟等33依据柔体动力学和有限元理论，建立了花键冷打柔体和结构动力学模型，并联合应用ADAMS和ANSYS软件对建立的模型进行了动力学仿真，获得了花键冷打过程中的受力情况及冷打力的变化规律。李言等34介绍了丝杠冷打成形原理，建立了丝杠冷打机构动力学模型并对其进行了仿真，获得了丝杠冷打过程中不同工况下的变化规律，并进行了丝杠冷打实验，验证了丝杠冷打成形的可行性。赵智渊等35利用ABAQUS有限元软件对丝杠冷打成形变形力进行了仿真，获得了单次冷打丝杠变形力及其分力随时间的变化规律。张璐等36依据主应力法，建立了平板板料高速冷打成形的变形力解析方程，利用ABAQUS/Explicit有限元仿真计算结果对该方程进行了修正，并进行了冷打成形变形力实验测量，验证了修正后的高速冷打变形力解析方程的正确性。崔凤奎10对花键冷打成形运动系统进行了三维实体模拟，获得了花键冷打成形过程中的应力波波速，并于理论模型进行了对比验证，从而揭示了冷打花键成形过程中的应力波对其成形的影响机理。在成形机理方面，全建辉37采用显式中心差分算法，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对花键冷打成形过程进行了数值模拟，实现了渐开线花键冷打成形过程的可视化，通过对数值模拟结果的分析和讨论，提出了轴坯直径的修改方法，揭示了花键冷打成形过程中应力变化情况和金属流动规律，为深入研究冷打成形机理奠定了基础。张璐等38对丝杠冷打成形过程进行了三维数值模拟和实验，获得了丝杠冷打成形的应力场、应变场分布及工件硬化层、硬度分布，金相组织变形，并对其进行了分析。在微观组织方面，崔凤奎等39,40通过试验的方法，对花键冷打成形后的齿形表层硬度分布及花键金属组织等进行了研究分析，并将其与铣削花键进行了比较，得出冷打花键金属内部晶粒破碎和细化，位错密度增加，组织没有被切断，而是被拉成了与花键齿形相一致的条形纤维组织，铣削花键内部组织没有变化，表面组织也未被切断。相对于铣削加工，冷打成形改善了成形件的性能和表面质量。目前我国高速冷打成形技术的研究内容集中在运动学和动力学方面，研究对象主要是花键和丝杠，科研研究单位较少，主要是河南科技大学和西安理工大学,还没有形成系统的高速冷打成形技术理论体系。到目前为止，国内外学者针对高速冷打成形技术的滚打轮设计理论、运动学、动力学、成形机理等方面进行了研究，取得了阶段性的研究成果。笔者认为当前高速冷打成形技术研究中主要存在以下问题：1 高速冷打热力耦合形成机制问题：高速冷打成形过程中的热力耦合作用形成机制尚未研究清楚，成形零件表面出现微裂纹等缺陷，影响零件的使用场合和使用性能；2 高速冷打热力耦合作用下成形机理问题：高速冷打热力耦合作用下成形机理的研究尚未探讨清楚，难以获得复杂的高精度成形零件形面；3 高速冷打成形影响规律问题：高速冷打成形影响规律尚未探明，使得成形零件的表面质量和使用性能难以预测和优化控制。1.4 塑性成形中热力耦合研究现状高速冷打成形过程是个包括了冷打力和冷打产生的热等多个因素相互作用的复杂冷塑性成形过程。而热力耦合研究可以同时分析塑性成形过程中的变形和温度问题及其二者之间的相互影响。目前已有一些学者对塑性成形过程中的热力耦合进行了研究，anaija M等41基于J2塑性模型，将所有与温度相关的参数考虑进去，建立了热力耦合理论模型，将此模型线性化，给出了其求解算法，并通过两个实例验证了求解算法的正确性。Hkansson P等42采用有限变形理论对塑性变形中的热力耦合问题进行了理论建模分析。Longre P等43采用位错理论对绝热条件下高应变速率塑性变形进行了理论建模及求解。Jiang Z Y等44采用三维模型对板材轧制进行了热力耦合数值模拟，并将数值模拟结果与实验数据进行了对比，验证了数值模拟的正确性。李晓丽45建立了描述TC6钛合金高温塑性变形物理机制的机理性本构方程，采用遗传算法对此本构方程中的参数进行了求解，将此模型写入到有限元软件中，实现了对带阻尼叶片精锻过程的数值模拟，分析了变形温度、变形速度等变形工艺参数对锻件内部各场量的影响，并将数值模拟结果与实验数据进行了对比，验证了所建立的本构方程的稳定性和可靠性。欧新哲46采用DEFORM 软件，对环件热辗扩塑性成形进行了有限元建模，分析了热辗扩成形过程中环件几何形状的变化和等效应变场、温度场、微观组织变形场的分布情况，并揭示了工艺参数对宏、微观变形场量的影响规律。罗文波等47对塑性成形过程中的热力耦合效应进行了理论分析，实现了圆柱平板镦粗过程的热力耦合数值模拟，分析了成形过程中各场量的变化规律，并对坯料初始温度和成形速度对成形过程的影响进行了探讨。李虎等48对钛合金薄壁强旋塑性成形进行了热力耦合数值模拟，分析了成形过程中的各场量分布，结果表明，接触换热和摩擦生热作用使得旋压过程中的温度分布不均匀。杨翼等49 采用有限元方法，将冷塑性变形过程中力和热的相互影响进行耦合，并给出了温度场方程式的求解。李顺华等50 对三维非对称轧制板坯进行了热力耦合数值模拟，对在轧制过程中热轧板坯头部产生翘曲的机理进行了分析，仿真结果获得了对实际生产有利的轧制规程。倪正顺等51对方管铝型材平面分流组合模进行了热力耦合数值模拟，根据模拟结果分析了模具发生缺陷的部位，提出了优化模拟结构参数的设计方案，并对该设计方案进行了实施，延长了模具的使用寿命。邓华等52对平板轧制咬入阶段进行了三维热力耦合数值模拟，分析了轧制过程中轧制力、轧件表明温度及轧件变形的特点，并将模拟结果与实际情况进行了对比，验证了数值模拟的可靠性和可行性。何涛等53采用有限元软件对Inconel718合金的楔横轧成形进行了三维热力耦合仿真，得到了楔横轧过程中轧件各场量的分布情况，结果表明，靠近起楔点位置的轧件心部是最容易出现缺陷的地方。朱国明等54对H型钢的多道次往复开坯轧制过程进行了三维热力耦合数值模拟，获得了轧件的三维场变量分布情况，深入分析了轧件的温度场分布，经与实验数据对比，二者吻合度很好，为实际加工中多道次轧制过程提供了理论指导。娄燕等55分析了AZ80镁合金在应变速率为0.01s-150s-1、温度为4000C4500C条件下的塑性变形行为，对该合金管材等温挤压进行了数值模拟，模拟结果表明，该合金晶粒大小随应变速率的增大而减小，随温度的升高而增大。以上塑性成形中热力耦合的研究主要集中在热力耦合形成机制宏、微观理论建模，热塑性成形热力耦合有限元模拟分析和热塑性成形金属微观实验分析这三个方面，为冷打成形过程中热力耦合形成机制的分析提供了研究思路。1.5 课题研究意义综上所述，目前人们对高速冷打成形过程中的热力耦合形成机制尚未探明，致使冷打成形零件形状精度和表面质量难以达到高精度需求。如何从理论上解决这些问题的科学实质，寻求这种先进制造方法所遵循的共性和普遍规律，已成为亟待解决的科学研究问题。因此，有必要深入研究高速冷打成形过程中热力耦合作用下的成形机理，掌握工艺参数对宏观变形的影响规律，从而为生产高性能、高精度零件提供理论依据和工程指导，这也是实现零件绿色、净近塑性成形制造的迫切需要和必然趋势。而各国学者对塑性成形过程中的热力耦合研究方法、成果为本课题的研究提供了有价值的参考资料，鉴于此，本文采用有限元仿真分析为主，并于理论研究和实验分析相结合的方法，研究分析制件高速冷打成形过程中的热力耦合作用形成机制，探索高速冷打成形工艺参数对金属流动、变形等成形形状宏观表征量的影响，揭示高速冷打成形的机理，为高速冷打成形技术奠定理论和应用基础，具有重要的理论意义和学术价值。1.6 课题主要研究内容1.6.1 课题来源及研究内容本课题来源于国家自然基金项目(项目编号：51075124、50975229)，对高速冷打热力耦合作用下成形机理进行研究，主要研究内容如下：1 分析高速冷打热力耦合成形过程，建立热力耦合形成机制数学模型，给出模型的求解方法；2 对冷打40Cr调质钢工件材料在不同温度及应变率下的压缩力学性能进行系统实验；构建合适的本构模型对其力学行为进行描述，求解并验证所构建的本构方程的正确性；3 对高速冷打成形过程进行热力耦合有限元模拟，分析冷打成形过程中各场量的分布规律及变形场与温度场的交互作用，探讨高速冷打成形过程中热力耦合形成机制；4 分析本构方程对高速冷打成形数值模拟的影响，研究滚打轮形状、工件形状、摩擦系数和滚打轮转速对高速冷打成形的影响规律，揭示高速冷打热力耦合作用下成形机理。1.6.2 论文结构全文共分六章，每章虽各有关键点，但章与章之间却是有机联系的，前一章为下章提供理论和数据支持。图1-2是论文的结构框架。第一章 介绍高速冷打成形原理及特点，综述高速冷打成形技术及塑性成形过程热力耦合研究现状，指出高速冷打成形研究存在的问题，阐明本文的研究意义，提出本文的主要研究内容，给出本论文的整体结构框架；第二章 对高速冷打热力耦合形成机制进行理论建模及求解；第三章 对高速冷打40Cr工件材料进行不同温度和应变速率下的静动态实验，构建、求解并验证40Cr材料受应变、应变速率及温度耦合影响的本构方程；第四章 利用ABAQUS有限元软件对高速冷打成形过程进行热力耦合数值模拟，提取模拟结果，分析高速冷打成形过程中的各场量分布规律，探讨高速打成形过程中热力耦合形成机制；第五章 分析热力耦合作用下高速冷打成形机理，研究成形参数对高速冷打成形的影响规律；第六章 总结概括本文的主要研究成果，展望有待进一步深入研究的问题。 图1-2论文总体框架Fig. 1-2 The frame of paper7第2章 高速冷打成形过程中热力耦合作用形成机制理论分析第2章 高速冷打成形过程中热力耦合作用形成机制理论分析高速冷打成形过程中由于工件的塑性变形和滚打轮与工件之间剧烈的摩擦学行为使得冷打成形过程中产生热效应，热效应引起的工件内部不均匀的温度场将影响工件金属的流动性，进而对成形零件质量和性能产生影响。2.1 高速冷打热力耦合形成过程高速冷打过程中滚打轮与工件高速瞬间碰撞，力的瞬态作用使能量耗散在局部区域，工件材料的剧烈大应变瞬间形成，工件材料的高应变速率和大应变的形成并非是一个纯力学过程，而是一个能量形式的转化、温度及微观组织的改变交互作用的过程，并且由于滚打轮与工件之间剧烈的摩擦学行为使得温度的改变比较明显，温度场通过与温度相关的材料物理机制的变化来影响微观组织场，进而影响变形场，与此同时，变形场又通过能量耗散和热传导来影响温度场，这是一个突出的热、力耦合效应。具体表现在以下四个方面：1 滚打轮的旋转动能迫使工件塑性变形，导致工件内部能量耗散和滚打轮与工件之间的摩擦行为对工件变形温度场的影响；2 工件材料变形温度场通