论文总字数：28730字

摘 要

轴承部件是航空动力发动机力学性能直接承载与机体运动动能传递的一个重要零部件,严重制约到了我国航空高性能动力发动机产业自主创新发展。轴承及其套圈组件是直接决定轴承产品性能和使用寿命的重要核心构成组件,是目前高性能轴承及其套圈国际先进制造装备技术,也是目前我国从事高端航空航天发动机专用轴承套圈自主开发研制的紧迫需求和高端技术装备需求。本文以航空发动机主轴承套圈近净热轧模拟实验为主题，开展M50轴承套圈近净热轧成形工艺设计与数值模拟，通过热轧工艺设计与模拟分析，研究M50轴承套圈全热轧过程变形规律，探讨了关键轧制工艺参数对热轧环的宏观和微观变形的影响以及冷却速率对宏观变形的影响。 最后，建立了热轧工艺参数的优化设计准则。为高性能航空主轴承套圈近净热轧工艺研发应用提供理论依据。

本文以deform有限元模拟分析软件为平台，建立了M50轴承小型环件热轧过程中的宏微观组织演变有限元模型，通过多组模拟数据的对比分析，基于可靠的轴承小型环件有限元模型，其模拟数据揭示了M50钢轴承环件在热轧过程中热轧温度、应变、晶粒、动态再结晶的分布和演化规律，研究对比数据分析了热轧温度、驱动辊进给速度、驱动辊转速对热轧环件宏观变形的影响规律以及热轧温度对热轧环件整体微观结构变形的组织影响演化规律。最终得出M50钢环件热轧最佳工艺技术参数：热轧温度1050℃~1200℃，驱动辊进给速度2mm/s，驱动辊转速60r/min~80r/min。研究结果对实际的生产过程中轧制工艺的选取提供了可靠的理论依据。

关键词：M50钢；环件热轧；工艺参数；有限元分析

Abstract

The bearing part is an important component which carries the mechanical performance of the aeroengine and the kinetic energy of the engine body directly, which seriously restricts the independent innovation and development of the aeroengine industry in China. Bearing and ring components are directly decide bearing product performance and service life of important core components, is of high performance bearing and ring international advanced manufacturing equipment technology, is at present our country engaged in high-end special bearing ring of autonomous development of aerospace engine urgent demand and high-end technology and equipment demand. Based on air launch main bearing ring near net hot simulation experiment as the theme, carry out the M50 bearing ring near net hot rolling forming process design and numerical simulation, through the analysis of hot rolling process design and simulation research M50 bearing ring rolling process all deformation law, explore key rolling process parameters on the micro deformation of the hot rolling ring macro regularity, and the effects of cooling rate on the macroscopic deformation, eventually establish the heat rolling processing parameters optimization design criterion, for high-performance aviation main bearing ring near net hot rolling process provide theoretical basis for development and application.

Based on deform finite element simulation analysis software for the platform, established the M50 bearing small ring macro finite element model of microstructure evolution of the whole rolling process by multiple sets of contrastive analysis of the simulated data, on the basis of a reliable finite element model bearing small ring, its simulation data reveals the M50 steel bearing ring in hot rolling process of hot rolling temperature, strain, grain size, distribution and evolution of dynamic recrystallization, The influence law of hot rolling temperature, feed speed of driving roller, rotation speed of driving roller on macro deformation of hot rolling ring parts and the influence evolution law of hot rolling temperature on microstructure deformation of hot rolling ring parts were analyzed. Finally, the optimum technical parameters for hot rolling of M50 steel ring parts were obtained: the hot rolling temperature was 1050℃~1200℃, the feeding speed of the driving roller was 2mm/s, and the rotating speed of the driving roller was 60r/min~80r/min. The research results provide a reliable theoretical basis for the selection of rolling process in the actual production process.

Key words: M50 steel；ring hot rolling；The process parameters；finite element analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2国内外研究概况及发展趋势 2

1.3课题研究目的及意义 3

1.4环件轧制过程数值模拟研究 3

1.5本文主要研究内容 4

第2章 环件热轧过程有限元模型建立 6

2.1 环件热轧成形基本理论 6

2.2 环件热轧有限元模型的建立 6

2.2.1 DEFORM-3D模拟零件设计 6

2.2.2 几何模型的建立 8

2.2.3 网格划分 9

2.2.4 边界条件 9

2.2.5 材料导入 10

2.2.6 模具运动控制 11

第3章 热轧工艺参数对M50钢航空发动机主轴承套圈宏观变形的影响 12

3.1 引言 12

3.2热轧过程中场变量的变化及分布规律 12

3.2.1热轧过程中应变场的变化与分布规律 12

3.2.2热轧过程中温度场的变化与分布规律 15

3.3 工艺参数对环件热轧过程宏观变形的影响规律 16

3.3.1 热轧温度对环件热轧过程变形的影响 16

3.3.2 驱动辊进给速度对环件热轧过程变形的影响 19

3.3.3 驱动辊转速对环件热轧过程变形的影响 21

3.4冷却速率对M50钢航空发动机主轴承套圈宏观变形的影响 25

3.4.1 初始条件和边界条件 25

3.4.2 M50钢的化学成分和材料特性 25

3.4.3 不同冷却速率对M50钢环件宏微观变形的影响 26

3.4.3.1 冷却参数设置 26

3.4.3.2 冷却模拟结果分析 27

第4章 热轧工艺参数对M50钢航空发动机主轴承套圈微观组织的影响 31

4.1 晶粒的分布与演化规律 31

4.2 热轧温度对M50钢轴承套圈晶粒度的影响 32

4.2 驱动辊进给速度对M50钢轴承套圈晶粒度的影响 35

4.3 本章小结 37

第5章 总结和展望 38

5.1 总结 38

5.2 展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1课题研究背景

轴承零件是装备制造业里十分重要的一种基础机械零件，其主要作用是支撑轴径和其他机械零件的固定旋转运动，是机械传动过程中起固定作用和减小载荷摩擦系数的关键零部件。现广泛应用于高铁、风电、汽车、精密数控机床以及载人航天航空等各个领域。在我国的航天航空技术事业中，轴承一直是其航空发动机力能承载与运动传递的关键零部件，随着我国航天航空技术事业的快速发展，轴承的连续使用寿命严重制约着我国航空发动机生产技术的自主创新发展^[1]。

众所周知，轴承套圈的传统加工技术主要是热锻和切削，不仅加工余量大，工作时间长，材料综合利用率低，而且切断了很多金属流线，严重损害了机械结构和传动性能。传统轴承加工产品，因此无法生产高端优质轴承^[2]。当前直径200毫米以上的轴承套圈通常是通过热轧制成的。毛坯的加热温度波动很大。初始轧制温度和最终轧制温度之间的差异较大。热轧后的成形状态下的轴承套圈的一致性差。轴承套在热轧后自然地随机冷却，这导致结构状态和通过热轧形成的轴承套环的性能分散很大，这难以满足对结构和质量的高性能控制^[3-4]。

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