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《华中科技大学》 2011年
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铝合金精锻成形的应用基础研究

邓磊  
【摘要】:随着世界性能源、环境和安全问题的日益突出,轻量化材料及其制造技术成为实现可持续发展的重要途径。高强度铝合金轻质构件精密塑性成形成为轻量化制造领域的一个研究热点。精密塑性成形时的内部和外部条件直接影响着金属的宏观流动和微观组织变化,并最终对锻件力学性能产生影响。因此,为了掌握工艺条件和结构复杂程度对锻件成形、微观组织演化和力学性能的影响规律,本文围绕目前在航空航天飞行器构件和汽车零件中应用的铝合金2397、4032和典型轻质筋板构件展开热精锻成形的应用基础研究。 本文采用等温压缩实验和定量金相观测及流动应力分析,建立了2397铝合金包含初始晶粒尺寸、应变、应变速率和温度的热变形过程动态再结晶模型。该模型能够预测再结晶晶粒大小、再结晶分数和平均晶粒大小等微观组织信息。将动态再结晶模型耦合到DEFORM-2D中,模拟了热镦过程的微观组织演化,并通过试验验证了模型的准确性。 采用数值模拟和物理试验相结合的方法,研究了闭式筋板构件和开式筋板构件闭式热模锻过程的金属流动行为和微观组织分布,研究了变形温度、模具温度、变形速度等工艺参数和构件筋宽、腹板厚度、筋板过渡圆角等结构参数对筋条充填和成形载荷的影响规律,并总结归纳出结构参数的设计准则。针对筋板构件预锻成形这一关键技术,提出了基于主应力法的预成形设计方法,利用主应力法获得筋条区和腹板区的应力分布,采用反向分析法先将终锻时内、外筋条成形高度差补偿在预成形件上,以确保终锻时金属流动中心始终处于腹板的位置;建立了基于主应力法包含几何特征尺寸的包络圆等效载荷模型,该模型能够很好地表征筋板构件成形终了阶段金属沿腹板向外围筋条交叉部位流动的特点。为了降低成形载荷和提高筋板构件的充满成形效果,提出了一种减压式预锻和阻尼式终锻相结合的流动控制成形新技术。 采用等温挤压实验、力学性能实验和组织测试分析手段,研究了挤压温度和变形程度对4032铝合金抗拉强度和延伸率的影响规律和作用机理,引入综合性能系数表征抗拉强度和延伸率的综合性能,通过数值拟合方法建立了性能系数与温度和应变的多项式型经验方程。 以活塞尾热锻成形为例,基于所提出的流动控制成形技术设计成形工艺方案;通过分析两工步成形过程中的金属流动特点,提出了U型预锻件设计方案;利用DEFORM-3D软件的子程序功能将经验方程耦合入有限元程序,分析了锻件的成形过程和性能系数分布。模拟结果表明,由该方案得到的终锻件性能系数优于现有的V型预锻设计方案,且材料利用率达到95%。 这些研究结论和成果,为铝合金筋板类结构件的精密模锻成形提供了理论和实验基础,对其模锻生产具有重要的指导和参考意义。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG319

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【参考文献】
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