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铝合金板温成形关键技术的研究

郭正华  
【摘要】:随着能源和环境问题的日益尖锐,全球各大汽车制造商都在加快对汽车轻型化 的研究与开发,而汽车轻型化中一个很重要的部分就是车身零件的轻量化。由于铝 合金板的强度和钢板类似,而比重仅为钢板的 1/3,可满足汽车车身零件轻量化的要 求,因此已经开始被用来制造汽车覆盖件。与钢板相比,铝合金板的塑性差,在常 温下难以成形,必须采用温成形工艺并添加润滑剂。铝合金板温成形工艺受到材料 成形性能、工艺参数与模具的设计、润滑与摩擦状态等诸多因素的影响,目前仍是 一项尚待进一步研究开发的板料冲压成形新技术。本文结合通用汽车—中国材料及 摩擦学研究联合体资助的研究项目,对铝合金板温成形的若干关键技术进行了理论 与实验研究,深化了对铝合金板温成形规律的认识,开发了铝合金板成形过程有限 元分析程序,为铝合金板温成形工艺及模具设计的优化提供了依据。 铝合金板的力学性能是影响温成形工艺的决定性因素。本文讨论了 Hill 各向异 性屈服函数和相应的 Hill 各向异性本构方程;基于 Karafillis 各向异性屈服条件,导 出了铝合金板三维等向强化弹塑性各向异性本构方程,并建立了流动应力与温度的 关系模型。 基于铝合金板三维等向强化弹塑性各向异性本构关系,作者建立了铝合金板成 形过程动力分析有限元模拟模型。其中,采用四节点退化壳单元对板料进行离散化; 利用中心差分法离散时间域,建立显式计算格式以避免几何、材料、接触非线性所 带来的收敛问题;采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵解耦联立方程组;根据板料成 形过程的特点,建立了工件与模具之间的接触搜索算法和接触力模型。 摩擦与润滑状态是影响铝合金温成形工艺的一个重要因素。本文研究了铝合金 板成形过程的摩擦行为,并根据板料和模具接触表面润滑膜厚度与粗糙度的相对值, 分别建立了全膜润滑和混合润滑状态下铝合金板成形过程的摩擦模型,并导出了摩 擦系数在铝合金板成形有限元分析中的计算公式。 为了用实验方法测定和研究板料成形过程中摩擦的变化规律,本文提出了一种 基于探针传感器的摩擦直接测量法,并研制了用于铝合金板温成形过程的摩擦在线 检测系统。实验结果表明,该探针传感器及摩擦学实验装置具有灵敏度高、稳定性 好、操作方便等优点,克服了在铝合金板温成形过程中测定摩擦变化规律的困难, 为进一步深入研究铝合金板料温成形过程中的摩擦学问题奠定了良好的基础。 作者利用自行设计制作的实验系统,对 5182 铝合金板的温成形性能进行了实验 研究,确定了其最佳成形温度和合理的压边力,并进行了典型零件成形过程的摩擦 I WP=5 测试,测定了摩擦系数随工艺参数的变化规律。实验结果表明,适当的成形温度、 合理的压边力以及良好的润滑可大大提高 5182 铝合金板的成形性能。 在理论和实验研究的基础上,作者开发了铝合金板成形有限元数值模拟系统, 并对典型零件的成形过程进行了模拟计算,验证了本文建立的铝合金板本构方程、 有限元模拟模型和摩擦模型的正确性。


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