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镁合金管材热态内压成形失稳行为研究

汤泽军  
【摘要】: 管材热态内压成形是将模具和管材预热到温热状态,然后按照给定的加载路径把管材成形为所需形状的零件。它可以实现室温塑性低比强度高的轻质材料管材的成形,从而进一步减轻结构质量。本文建立了AZ31B镁合金管材在150℃~300℃温度范围内的本构模型,提出并建立了预测管材轴向起皱时临界应力的理论模型,研究了AZ31B镁合金管材在起皱过程中的应力应变状态、皱纹几何形状和壁厚分布变化规律,研究了温度、截面预成形和轴向补料预成形对AZ31B镁合金管材破裂的影响规律,分析了在管材热态内压成形过程中使用起皱件作为预成形坯及采用差温成形非均匀壁厚镁合金管材的变形机理。 从室温至300℃温度区间、应变速率从0.001s-1到0.1s-1的条件下对AZ31B镁合金无缝挤压管材进行了轴向拉伸试验。结果表明:随温度升高或应变速率降低,镁合金管材的屈服强度和抗拉强度降低,总延伸率增加,均匀延伸率先增大后减小,在175℃或在0.01s-1的应变速率下达到相对最大值。采用Beckofen方程拟合得到了AZ31B镁合金管材的本构方程,该方程可体现镁合金管材流动应力随温度升高而下降的趋势。 建立了管材在内高压成形过程中发生轴对称起皱失稳时临界轴向应力的数学模型,该模型能综合反映内压及应力比、管材几何尺寸及材料性能、温度场等对临界起皱应力的影响。参数分析的结果表明:当临界起皱应力函数在可发生起皱的应力比上限值处的偏导数为正时,临界起皱应力将随应力比的增大或内压的减小而增大,当该偏导数为负时,临界起皱应力将先减小后增大。当屈服强度和简化模量的相对变化量为负时,临界起皱应力将随之减小,当该相对变化量为正时,临界起皱应力将随之增大。 研究了不同内压、不同补料量和不同温度下AZ31B镁合金管材起皱过程中的皱纹形状和几何尺寸、起皱位置和皱纹数量、壁厚分布等的变化规律,分析了起皱区域应力应变状态的变化,研究了在管材热态内压成形过程中使用起皱作为预成形坯成形大膨胀率零件的变形机理。结果表明:当内压与屈服强度比小于1 3倍厚径比时,初始屈服时管材壁厚有增加的趋势,反之,则管材壁厚有减薄的趋势。对于给定的内压与屈服强度比,温度越高,则壁厚增加的程度越小。随补料量的增加,皱纹上各点的应力轨迹在平面应力状态屈服轨迹上对应环向应变增加、轴向应变减小、厚向应变先增大后减小的过程。随补料量的增大,皱纹的外径不断增大、宽度不断减小且皱纹向中间移动。随内压的增大或温度的升高,皱纹的外径和宽度均不断增大且皱纹向中间移动。此外,温度越高、内压越大或补料量越大,起皱后管件壁厚整体的减薄越严重,壁厚分布越不均匀。采用起皱预成形坯是管材热态内压成形过程中成形大膨胀率零件的有效方法。如果材料的n值越大,或终成形零件相对于原始管材的最大膨胀率越大,可用更小的补料量来制取起皱预成形坯。 研究了温度、截面预成形和轴向补料对AZ31B镁合金管材破裂失稳的影响,揭示了镁合金管材破裂压力和极限胀形率的变化规律,分析了采用差温温度场成形初始壁厚非均匀的镁合金管材的变形机理。结果表明:随着温度的升高,管材的初始屈服内压和胀破压力不断下降;管材发生破裂时的极限胀形率先增大后减小。随着胀形前对管材的径向下压量增大,管材的极限胀形率和胀破压力不断下降。随着胀形前管材轴向补料量的增大,管材破裂时的极限胀形率不断增大,有利于大变形量零件的成形。通过在初始壁厚较大的位置设置较高温度,在初始壁厚较小的位置设置较低温度,可以使管材的壁厚在胀形过程中更趋均匀。


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