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镁合金板激光弯曲成形试验与模拟

陈华  
【摘要】: 镁合金以其重量轻、强度高、稳定性好、利于环保、可回收使用等特点,日益成为现代工业产品的理想材料。尤其在汽车、航空和电子工业中,作为轻型结构和功能材料,应用不断增加。但由于镁合金的密排六方(HCP)结构,室温塑性差,难以通过冷态下的板料成形工艺生产。近年来,研究人员发现,变形镁合金在加热条件下的塑性明显改善,并且已有少数文献对镁合金热态下的微观行为进行了研究,但有关变形镁合金板材激光弯曲成形的研究却很少。激光弯曲成形是一种利用热应力来实现板材成形的技术,激光弯曲成形不需模具和外力,且激光束能量集中具有良好的可控性,将激光成形技术用于镁合金板材成形,可以充分发挥该技术的独特优势。 本文在国内外激光弯曲成形的基础上,对AZ31镁合金板材进行了激光弯曲成形的试验研究,得到了激光工艺参数、板材几何尺寸、扫描路径等对弯曲角度的影响。为了进一步揭示板材弯曲成形的变形规律,采用三维热弹塑性有限元对镁合金板材进行了数值模拟,揭示了激光弯曲过程中的温度场、应力应变场、位移场随时间的变化规律,更好的解释了一些试验结果。主要完成了以下工作: (1)建立了板材激光弯曲成形的几何模型,分析了在加热和冷却过程中上下表面的塑性变形情况及板材变形情况;通过上下表面的弹塑性变形及一维热传导方程得到弯曲角度的解析式,并和试验结果进行了比较。 (2)板材脉冲激光弯曲的试验研究。分析了不同的激光工艺参数(激光功率、扫描速度和光斑直径),板材几何参数(板材宽度和厚度)对弯曲角度的影响。 (3)板材激光弯曲成形过程的有限元模型的建立。建立了板材激光弯曲成形的温度场和位移场的三维有限元模型,得到了板材脉冲激光弯曲的温度场、应力应变场、位移随时间的变化规律,对板材激光弯曲过程进行了分析。 (4)板材激光反向弯曲的研究。基于有限元分析,对两种变形形式下的加热区域进行了全面的对比研究。为了实现板材的反向弯曲,对镁合金板材进行了大量的试验,并得到了判断镁合金板材弯曲方向的经验公式,为镁合金激光弯曲加工参数的选取提供了理论基础。 本文的工作为板材激光弯曲成形的实际应用提供了理论和试验依据,论文提出了激光工艺参数的选择方法并且给出了不同变形形式下的激光工艺参数,利用有限元模拟了激光正向弯曲的过程,对镁合金板激光弯曲成形的实际应用具有一定的指导意义。


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