径向锻造(Radial Forging)是一种利用径向分布的多锤头进行拔长的特种锻造工艺,广泛应用于枪炮身管、列车空心车轴、油田设备、核工业锆基合金锻件等的锻造。在径向锻造工艺设计阶段,需要快速地从未知的参数组合空间中选取优化的工艺条件。由于径向锻造工艺过程复杂、参数众多,相比解析方法,采用物理实验、有限元模拟进行工艺设计的效率相对较低。而目前求解径向锻造的主应力法、上限法模型仅能描述相对简单的均匀变形模式:前者无法求解金属流动规律,后者建立在平行速度场假设的基础上,表现为分流面始终保持为平面形式,因此无法分析金属轴向流动在径向的不均匀性;现有滑移线场模型则主要在横截面内建模,无法分析轴向进给量、锤头锥角等重要参数对工艺的影响。因此,本文将设计能够描述径向锻造复杂流动模式的非均匀速度场,建立圆截面实心坯料径向锻造过程的轴对称上限法模型,分析主要工艺参数如径向压下量、轴向进给量、锤头锥角、摩擦、推/拉打力等对锻造载荷、变形不均匀性、锻透深度的影响规律,为径向锻造工艺设计及具有我国自主知识产权的径向锻造系统开发提供理论和技术参考。本文主要研究工作如下:根据体积不变条件、速度边界条件,推导锻造区动可容速度场及耗散功的一般表达式。采用流函数法,将锻造区速度场的设计等效为流函数场的构造,建立了反映径向锻造变形特征的关于流函数场的偏微分方程。求解此方程得到锻造区速度场的通用表达式,其中待定函数的形式决定了速度场对金属流动特征的描述能力:基于均匀流动模式可建立平行速度场上限法模型,基于非均匀流动模式则建立非均匀速度场上限法模型。前者可快速估算锻造载荷,后者可评价材料轴向变形沿径向分布的不均匀性。结果表明,减小锤头锥角、增大推打力、增大径向压下率有利于降低轴向变形沿径向分布的不均匀性。因此,在锻造设备能力范围内,应当设计较大的径向压下率、减少道次数,以降低轴向变形不均匀性。基于平行速度场,提出使用权函数构造无速度间断动可容速度场的一般方法。通常无法直接使用一个解析表达式来描述整个变形区的速度场,而是根据变形特征将其划分为不同的子区域,相邻区域之间存在速度间断。为了更为合理地描述材料的变形特征,将速度间断线扩展为一个过渡区域,然后使用权函数将原间断线两侧的速度场分配到过渡区,从而消除速度间断。采用此方法,在平行速度场基础上建立了无速度间断速度场上限法模型,分析径向压下率、轴向进给率对锻件心部材料沿着轴向变形不均匀性的影响。结果表明,径向压下率和轴向进给率分别决定了心部材料的变形量和变形不均匀程度。基于几何及速度场坐标变换,采用类似“刚性块”上限法流程建立径向锻造轴对称上限法模型。刚性块上限法是处理平面应变问题的经典方法,通过简化单个区域内速度场的设计(速度保持为常数),同时加强对刚性块形状及分布的约束,将复杂动可容速度场的构造转换为刚性块几何形状和分布区域的设计。为了突破常规的刚性块上限法并不适用于轴对称问题的限制,基于Wilson提出的几何坐标变换和速度场变换的方法,将刚性块上限法的操作流程拓展到径向锻造轴对称速度场的构造和计算。该模型对坯料锻透深度的计算结果表明,径向压下率和锤头锥角是影响锻透性的主要参数,增加径向压下率或使用较小锥角的锤头有利于提高锻透性。综合上述理论模型,开发了径向锻造工艺规划软件RFDESIGN,实现工艺方案的自动规划及已有工艺的对比评估。开展了锻透性、变形均匀性等方面的原理性试验研究,验证了RFDESIGN对工艺方案的设计和评估能力。