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轻合金典型薄壁回转件热旋压数值模拟与试验研究

李琳琳  
【摘要】:旋压成形是一种典型的局部加载成形技术,具有能耗小、模具寿命长、产品精度高等特点,是加工薄壁空心回转件的有效方法,已广泛应用于航天、航空、船舶、兵器等制造领域。随着武器装备技术的发展,轻量化越来越受到重视,镁合金、钛合金、高强铝合金等轻合金的应用日益增多。使用轻合金薄壁回转件可以在等强度的条件下,有效降低零件的重量,满足结构轻量化需求。但是,由于镁合金旋压对变形温度和变形速率的要求极其严格,钛合金是典型的难变形材料,热旋压过程易产生起皱、裂纹等缺陷,变形程度较大时镁合金和钛合金的成形难度极大;而铝合金旋压技术虽然应用广泛,但由于工艺研究不足,轮毂劈开旋压成形技术尚未成熟。结合军工项目开发,本文以镁合金、钛合金、铝合金三种典型轻合金为研究对象,通过对大长径比的镁合金与钛合金筒形件、镁合金曲母线形回转件以及铝合金车轮轮毂三种应用广泛的旋压件的成形进行数值模拟与试验研究,探索轻合金材料旋压成形的规律和特点。本文的具体研究内容如下:1.轻合金的热加工图分析与应用基于Mg-Al-Zn系合金、TC11钛合金及2024铝合金的高温压缩实验,分析三种轻合金材料流变特性,基于动态材料模型建立热加工图,观察部分合金不同变形条件下的显微组织,确定了适合三种合金的变形参数,Mg-Al-Zn系镁合金:变形温度350±25℃、应变速率0.01s~(-1),TC11钛合金:变形温度925±25℃、应变速率0.01s~(-1)~0.1s~(-1),2024铝合金:变形温度300℃~450℃、应变速率0.01s~(-1)~0.1s~(-1);热加工图的研究结果为轻合金旋压工艺参数选取提供参考。2.镁合金和钛合金筒形件旋压成形的数值模拟研究针对长径比达6:1的镁合金和钛合金筒形件进行有限元模拟分析。阐述了筒形件正旋压成形特点、影响因素以及主要成形缺陷。通过商业有限元软件ABAQUS,建立了筒形件正旋压有限元模型,对材料模型、接触边界条件、网格的划分等问题进行了探讨,设计了旋压坯料、旋轮结构以及多旋轮错距等结构参数。利用轻合金热加工图的分析结果,初步选定了旋压温度和变形速率的研究范围;制定了镁合金筒形件与钛合金带凸台筒形件的成形方案,通过数值模拟分析研究了方案的可行性。详细分析了两种轻合金筒形件旋压进给率、减薄率、旋压温度等工艺参数对成形精度和旋压力的影响规律。3.镁合金和铝合金复杂回转件旋压成形数值模拟研究曲母线形回转件作为典型复杂旋压件,其成形工艺通常为普旋与强旋相结合的方案,为更好地体现经济性,提出了基于正偏离的板料一次强力旋压成形方案;通过材料的可旋性分析论证了方案的可行性;研究了旋轮结构及尺寸、旋轮安装角、旋轮运动轨迹与间隙、坯料径厚比、进给率及旋压温度等工艺参数的影响,采用数值模拟手段分析了曲母线形回转件旋压过程的应力应变场。铝合金车轮也是一种典型的复杂回转件,而劈开旋压作为一种特殊的旋压方法可用于成形各种轻型整体车轮,具有成形效率高,经济效果好等优点。本文的铝合金轮毂劈开旋压成形有别于国内外带有支撑旋轮的劈开旋压成形。基于ALE方法进行铝合金劈开旋压的数值模拟,得到了劈开旋压的应力应变分布规律,分析了凸缘高度差和椭圆度。进行了铝合金轮毂多道次普旋与强旋终成形的数值模拟研究,得到各道次应力应变分布规律,优化分析了旋轮圆角半径和进给率等工艺参数。4.基于正交试验的复杂回转件工艺参数优化设计基于正交试验设计方法分析复杂回转件(曲母线形件和劈开件)的工艺参数对成形结果的影响,选取五个重要因素分别评价曲母线形件的末端壁厚和椭圆度以及劈开件的凸缘壁差率和凸缘椭圆度,得到各因素对评价指标的影响顺序,最终优化了工艺参数。结果表明:镁合金曲母线形件板料一次热旋压成形的最优参数为:D_0/t_0=18,T=300℃,f=1.0mm/r,β=35°,R_2=5mm,铝合金轮毂劈开旋压成形的最优参数为:α=25o,f=0.667mm/r,T=300℃,R_M=5mm,R=1mm。5.轻合金筒形件旋压成形的试验研究根据旋压设备,设计了用于大长径比镁合金与钛合金筒形件旋压工艺试验的模具和工装;在热加工图分析基础上制定了变形温度范围:镁合金为300±20℃,钛合金为900±25℃;根据变形温度和材料特性确定了适合的润滑方式;镁合金筒形件旋轮采用直线轨迹进给方案,钛合金采用三旋轮依次从同一斜线轨迹进给方案。对镁合金和钛合金筒形件进行成形精度分析、显微组织和力学性能检测,结果表明:成形件的组织性能良好,符合产品指标要求;试验结果与模拟结果高度吻合,验证了方案可行性。针对镁合金筒形件旋压试验中产生的缺陷提出了预防措施,同时分析了钛合金旋压温度、旋压轨迹、减薄率以及芯模与旋压件轴线不重合对成形精度的影响,并提出了相应的解决措施。6.轻合金复杂回转件旋压成形试验研究在数值模拟的基础上开展板料一次旋压成形镁合金风帽试验,得到了风帽样件,研究了不同径厚比、进给率、旋压温度对工件壁厚及椭圆度的影响规律。通过试验进一步验证了成形方案可行。分析了试验过程中产生的起皮、反挤、隆起与波纹、裂纹及失稳等缺陷的原因。基于有限元模拟与正交试验优化后的工艺参数开展25o劈开旋压和普旋展开成形的试验研究,根据试验结果确定了工艺方案为:45o劈开旋压—普旋展开—强旋精整成形,最终成形出合格的铝合金车轮轮毂。


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