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大型复杂铝合金型材挤压过程数值模拟与模具优化及热处理工艺研究

张海超  
【摘要】:在航空航天领域,为追求更高的飞行速度并增大飞行距离,亟需减小飞行器自身结构的重量。通过将航天用舱体等重要结构件由圆形结构改进为各种异形结构可有效降低飞行器质量。而异形结构件具有壁厚变化大、几何形状精度要求高等特点,需要对其成形精度进行精准调控。针对大断面空心铝型材在航空航天领域的应用,要求6005A铝合金挤压型材具有较高的强度、塑性以及优良的耐腐蚀性能。因此,研究6005A大断面空心铝型材挤压过程的材料变形规律和模具优化方法,阐明热处理工艺对铝合金力学性能和耐腐蚀性的影响规律,获得最优的模具结构和最佳的固溶、时效参数,不仅能够为实际生产提供技术指导,对实现大断面空心型材挤压成形的精准控制以及提高其使用性能提供理论指导。本文针对某一 6005A大断面空心铝合金型材的挤压成形和热处理问题,通过数值模拟方法,研究模具结构参数对挤压过程金属流动均匀性的影响。创建了多目标优化模型,探讨大断面和大壁厚差型材挤压模具的设计方法;并通过实验,研究固溶和时效热处理工艺对6005A型材力学性能和耐蚀性能的影响规律,研究结果可为6005A铝合金型材的模具优化和热处理工艺制定提供理论指导。主要的研究工作如下:(1)以大断面薄壁空心铝型材为例,设计了分流挤压模具。以型材最大横向变形为优化目标,采用有限元数值模拟软件,研究了引流槽、阻流块及工作带长度对材料变形、温度分布、挤压载荷和模具应力等物理场量的影响规律。并以此为理论指导,对模具结构形状进行了优化设计,系统分析了材料在优化模具中的物理场量分布规律,阐明了大断面薄壁空心铝型材挤压过程中的金属流动规律。(2)采用响应曲面法,对大断面薄壁空心铝型材的焊合室形状进行了进一步优化。以焊合室形状关键参数(阻流块高度、焊合室高度和倾斜角)为设计变量,结合BBD实验设计和响应曲面法,分别建立了以SDV、F和Tmax为优化目标的响应曲面模型,得到了使最大挤压力F和速度均方差SDV均取到较小值的一级焊合室结构尺寸。并对模具强度进行了校核,发现最终模具的变形量和应力均符合实际生产要求。(3)以某一大壁厚差空心型材为例,设计了分流挤压模具。以型材截面速度均方差为优化目标,进一步研究了分流孔尺寸及形状对金属流动的影响规律。研究结果表明,大断面和大壁厚差空心型材出口处速度分布极不均匀,极易产生变形弯曲及扭拧等缺陷,而调整工作带长度和设置阻流块等方法对改善金属流动均匀性无明显作用。针对这种现象,本文提出了多种分流孔设计方案,最终保障了大壁厚差空心铝型材的成形精度。(4)为研究热处理工艺对6005A铝合金组织和力学性能的影响,以工字形挤压型材为例,研究了固溶温度及保温时间对6005A铝合金硬度及力学性能的影响规律,发现在某一范围内提高固溶温度(470℃~510℃)和保温时间(0~1h)可提高6005A铝型材的力学性能;研究了单级时效和多级时效对6005A铝合金力学性能及耐蚀性能的影响。并结合延伸率的变化,阐明了铝合金拉伸断口形貌的断裂机理,为6005A铝合金大型型材的热处理工艺确定提供了理论指导。


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