發(fā)布時(shí)間：2015-05-06 09:53

 

【摘要】 隨著結(jié)構(gòu)輕量化的趨勢，輕質(zhì)合金的中空結(jié)構(gòu)件被廣泛的應(yīng)用，但以鋁合金為代表的輕質(zhì)合金，室溫成形性能較差。磁脈沖成形以其高速率成形的特點(diǎn)，可以顯著提高材料在室溫下的成形性能。本文以5052鋁合金管件作為研究對象，利用數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，討論和分析管件磁脈沖端部擴(kuò)徑成形的變形行為；通過磁脈沖脹形試驗(yàn)，分析磁脈沖脹形工藝下的自由脹形、剛模約束脹形和軟模約束脹形后管件的常規(guī)力學(xué)性能差異。采用有限元分析軟件ANSYS建立管件磁脈沖端部擴(kuò)徑成形的3D有限元模型。研究了管件磁脈沖端部擴(kuò)徑一次成形過程中，管件的變形特征。模擬得出管件在成形過程中與模具發(fā)生高速碰撞，引起反彈，最終導(dǎo)致直邊部分不能貼模；管件沿環(huán)向變形很不均勻，直邊與轉(zhuǎn)角之間的過渡區(qū)域應(yīng)變最大。對管件磁脈沖端部擴(kuò)徑成形進(jìn)行工藝試驗(yàn)，討論了不同工藝參數(shù)對擴(kuò)徑管件成形的影響。在一次成形后，管件直邊部分不能貼模，轉(zhuǎn)角難以填充，直邊與轉(zhuǎn)角之間的過渡區(qū)會出現(xiàn)開裂，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。為克服一次成形的缺陷，研究了兩步法的磁脈沖端部擴(kuò)徑成形工藝。通過管坯預(yù)成形及終成形的兩步法工藝，可以成形出轉(zhuǎn)角半徑R≥10mm的擴(kuò)徑管件并有效提高了管件的厚度均勻性。對管件進(jìn)行磁脈沖脹形工藝下的自由脹形、剛模約束脹形和軟模約束脹形，并控制放電參數(shù)，得到不同脹形直徑管件，對比分析得出：在三種不同的脹形類型下，相同脹形直徑的管件硬度值與拉伸力學(xué)性能的差異很微弱，表現(xiàn)出的塑性變形能力也基本相同，也就說明了磁脈沖成形中管件與模具之間一定的高速碰撞沖擊作用對成形管件的力學(xué)性能基本沒有影響。 

第 1 章 緒論

相對于普通的鋼鐵材料，鋁合金不僅輕質(zhì)，而且彈性好，抗沖擊能力也較強(qiáng),是一種很好替代材料，但是制造相對復(fù)雜的航空航天和汽車構(gòu)件對材料的成形性能提出較高的要求[9,10]。眾所周知，鋁合金具有較高的比強(qiáng)度，但是其在室溫下的成形性能相對較差，如在相同的加工條件下，鋁合金的成形極限與鋼相差很多，很容易在高應(yīng)變的區(qū)域產(chǎn)生裂紋；其僅為鋼的 1/3 的剛度，在零件成形完成后的卸載過程中就會出現(xiàn)較大的回彈，一般的沖壓加工后還容易使材料發(fā)生扭曲，從而使成形后零件的尺寸精度很難保證；鋁合金這種室溫成形性能差的缺陷大大制約了該材料在各種結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用[11,13]。采用焊接、鑄造、機(jī)加工等傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的各種異形管零件，存在材料利用率低，成形零件質(zhì)量差，成本相對較高且制造效率低下等缺陷，己經(jīng)無法滿足目前社會發(fā)展的需求，于是發(fā)展具有獨(dú)特優(yōu)勢的壓力加工成形技術(shù)成為了塑性加工領(lǐng)域科研工作者的重要課題[4,14]。
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第 2 章 5052 鋁合金管磁脈沖端部擴(kuò)徑有限元分析

2.1 引言
磁脈沖成形是利用電磁感應(yīng)原理使金屬毛坯在洛倫茲力的作用變形，整個(gè)成形過程在微秒級完成。由于其高速率的成形特點(diǎn)使材料的成形性能得到很大程度的提高，被廣泛的應(yīng)用于高強(qiáng)度低成形性材料的加工制造中。磁脈沖成形過程主要有電磁場和變形場兩個(gè)部分組成，是兩個(gè)場相互耦合的過程。本章采用松散耦合法進(jìn)行數(shù)值模擬，松散偶合法如圖 2-1 所示。借助 ANSYS 有限元分析軟件，建立3D 的電磁場和變形場有限元分析模型，分別在 ANSYS/Multiphysics 模塊和ANSYS/LS-DYNA 模塊中建立電磁場和變形場模型，通過耦合場分析，研究管件端部擴(kuò)徑時(shí)的材料變形行為和貼模狀況。

 

2.2 耦合場有限元分析模型的建立
由于擴(kuò)徑成形的管件端部是由圓形變形為方形，不具有完全對稱性，不能建立最簡單成熟的 2D 電磁場模型，只能建立 3D 電磁場模型，ANSYS 軟件中有很多可用來模擬電磁現(xiàn)象的單元，這里采用適用于 3D 模型的磁實(shí)體矢量 SOLID97 單元。SOLID97 單元的形狀為磚形，是有 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)的六面體單元，如圖 2-2 所示。圖中右邊三種單元形狀可以通過 SOLID97 單元的適當(dāng)變化而得到。當(dāng)把 O、N、M、P 四個(gè)節(jié)點(diǎn)看作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號，再把 L 和 K 兩節(jié)點(diǎn)也看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號，四面體單元就可能形成；當(dāng)把 O 和 P 兩節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號，同時(shí)把 L 和 K 兩節(jié)點(diǎn)也看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號，楔形單元就可能形成；當(dāng)把 O、N、M、P 四個(gè)節(jié)點(diǎn)看作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號，錐形單元就可能形成。SOLID97 單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上包含 AX、AY、AZ、VOLT、CURR、EMF 六種磁矢位，具有六個(gè)自由度。SOLID97 單元形狀和自由度的多變性，使其在更容易與各種材料的性能進(jìn)行匹配[62]。

第 3 章 5052 鋁合金管磁脈沖端部擴(kuò)徑成形試驗(yàn)....................................... 29
3.1 引言 ................................ 29
3.2 試驗(yàn)條件 .......................... 29
3.3 磁脈沖擴(kuò)徑一次成形試驗(yàn) ........................... 31
第 4 章 5052 鋁合金管磁脈沖脹形力學(xué)性能分析......................... 46
4.1 引言 ........................ 46
4.2 管件磁脈沖脹形工藝試驗(yàn).................. 46
結(jié)論........................ 56

第 4 章 5052 鋁合金管磁脈沖脹形力學(xué)性能分析

4.1 引言
磁脈沖成形作為一種高速率成形工藝，以其高速率成形的工藝特點(diǎn)，可以在室溫條件下，，大幅度提高一些難成形材料的成形能力，受到人們的廣泛關(guān)注。但也正因?yàn)槌尚嗡俣瓤欤�在成形過程中，特別是成形一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時(shí)，金屬坯料的局部或大分部區(qū)域必然會與外在的約束模具發(fā)生高速碰撞，而這種高速碰撞沖擊是否會對成形件在后續(xù)的使用性能要求及服役壽命產(chǎn)生負(fù)面的影響，目前并未有清楚的解釋，需要進(jìn)一步深入的研究和分析。針對高速碰撞后的成形件性能是否存在差異或缺陷，本章主要對 5052 鋁合金管件磁脈沖脹形進(jìn)行工藝試驗(yàn)；并在脹形過程中改變外在約束模具的條件，分為三種脹形類型：自由脹形、剛模約束脹形和軟模約束脹形，從而改變脹形過程中管件與模具高速碰撞作用的程度；最后對三種脹形類型脹形后的管件進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能測試包括：硬度測試和拉伸性能測試，對拉伸斷口進(jìn)行掃描并分析，以期得出一定的具有參考價(jià)值的結(jié)果。

4.2 管件磁脈沖脹形工藝試驗(yàn)
本章試驗(yàn)中采用長度為 75mm，外徑為 Φ50mm，壁厚為 1.2mm 退火態(tài)的 5052鋁合金管件作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)是在哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁成形課題組的EMF30/5-IV 型電磁成形機(jī)完成的，設(shè)備的電容組是由 12 個(gè)電容量約為 192 μF的電容構(gòu)成，加工時(shí)電容量可調(diào)，設(shè)備參數(shù)見表 4-1，設(shè)備如圖 4-2 所示。試驗(yàn)采用的放電線圈與磁脈沖擴(kuò)徑一次成形的線圈相同，見圖 3-5 所示。
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結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了 5052 鋁合金管磁脈沖端部擴(kuò)徑成形；通過磁脈沖脹形工藝，分析不同脹形類型、不同脹形直徑對管件硬度、拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律，主要得到如下結(jié)論：（1）利用有限元分析軟件 ANSYS 建立 3D 有限元模型，采用松散偶合法對5052 鋁合金管磁脈沖端部擴(kuò)徑成形進(jìn)行模擬分析表明：磁脈沖端部擴(kuò)徑一次成形，擴(kuò)徑管件直邊部分不能貼模，轉(zhuǎn)角部位難以填充，變形很不均勻，直邊與轉(zhuǎn)角之間的過度區(qū)域應(yīng)變最大，成為變形過程中的最薄弱區(qū)。（2）進(jìn)行磁脈沖擴(kuò)徑一次成形試驗(yàn)得出：隨著放電電壓的增大，管件成形區(qū)逐漸有圓變方，轉(zhuǎn)角越來越小，但直邊部分始終不能貼模，在轉(zhuǎn)角沒達(dá)到要求時(shí)，直邊與轉(zhuǎn)角之間的過渡區(qū)域出現(xiàn)開裂，摩擦因素對成形效果影響很小，與模擬結(jié)果基本吻合。（3）通過試驗(yàn)分析表明，先預(yù)成形，再進(jìn)行終成形的兩步法磁脈沖端部擴(kuò)徑成形克服了一次成形中的直邊不貼模和轉(zhuǎn)角難填充問題，且使變形均勻性也得到很大程度的提高；在終成形過程中摩擦因素影響顯著，良好的潤滑條件可以成形處更小轉(zhuǎn)角半徑的擴(kuò)徑管件。對于轉(zhuǎn)角半徑 R≥10mm 的端部擴(kuò)徑管件，可以采用兩步法的磁脈沖端部擴(kuò)徑成形技術(shù)進(jìn)行成形。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：19358