内环筋直筒件旋转挤压成形损伤开裂机制研究

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镁合金内环筋直筒件作为典型轻质轻体结构件,广泛用于航天、航空领域,该类构件通常采用传统焊接、铸造、切削加工等方法,但这些制造方法存在力学性能低、筋部承载能力差、废品率高等缺点。因此,针对该类构件提出了旋转挤压技术以实现其整体塑性成形。然而旋转挤压成形中,损伤开裂直接决定工艺成败和构件成形质量,是该工艺重要的研究方向之一,所以将准确描述旋转挤压成形中损伤开裂情况作为本课题研究目标。本文以AZ31镁合金为实验材料,研究该材料在旋转挤压成形中的损伤演变规律,研究内容主要有以下四个方面:采用热扭转Gleeble3500试验机和Deform-3D模拟软件,进行相应的物理试验和数值分析,确定Normalized C&L韧性断裂准则适用AZ31镁合金旋转挤压成形中损伤情况,经过有效试验和预测结果对比,在变形温度320℃400℃、应变速率0.011s-1条件下,材料的临界损伤值在1.6592.289范围内变化。利用Deform-3D有限元分析软件,构建数值分析模型,选定摩擦系数、轴向挤压速度、径向挤压速度、转速、挤压温度五个因素,设计正交试验共25组,对AZ31镁合金内环筋直筒件在旋转挤压成形过程进行研究。旋转挤压过程中,内环筋直筒件筋部区域损伤分布不均匀,且内环筋部上端损伤因子较大;薄壁内侧与内环筋上等效应变量大,有利于该区域的金属晶粒细化,构件整体性能得到了提升;根据渐开式凸模分模直角面结构,在凹模旋转过程可能产生飞边。通过有限元模拟对裂纹缺陷进行分析,确定裂纹损伤源位置,裂纹缺陷分布于内环筋壳体筋部上端,且损伤源位置位于坯料内侧。分析多参数对旋转挤压损伤分布及等效应变的影响规律,并结合实际情况,对影响因素进行显著性排序,并确定最优工艺参数。根据影响因素显著性排序,分析径向旋转挤压成形对构件的损伤影响不大,并重点讨论轴向挤压速度Vz和凸模圆角半径R对损伤演变的影响规律,建立了内环筋直筒件旋转挤压成形极限图。结果表明:凸模圆角R较小时,对材料塑性变形影响较大,损伤因子较高;在Vz=5mm/s、凸模圆角半径R=8mm时,AZ31合金内环筋直筒件旋转挤压成形性能较好,满足旋转挤压成形要求。在上述研究基础上,对AZ31合金内环筋直筒件进行旋转挤压试验,对挤压构件部分区域进行显微组织观察和性能测试。结果表明:筋部区域晶粒得到明显细化,通过压弯实验,得到旋转挤压内环筋直筒件筋部性能优于机加构件筋部性能;内环筋部分区域出现裂纹,数值分析结果得到证实,为旋转挤压成形裂纹分析提供了帮助。
摘要第4-6页
abstract第6-7页
1.绪论第11-21页
    1.1 课题研究背景第11页
    1.2 内环筋直筒件研究现状第11-14页
        1.2.1 内环筋直筒件传统加工方法第12页
        1.2.2 内环筋直筒件新工艺发展情况第12-13页
        1.2.3 旋转挤压工艺的提出第13-14页
    1.3 损伤理论第14-16页
    1.4 材料的韧性断裂第16-18页
        1.4.1 材料韧性断裂影响因素第16页
        1.4.2 韧性断裂准则第16-18页
    1.5 有限元模拟分析在金属塑性成形中的应用第18-19页
    1.6 课题研究目的及内容第19-21页
        1.6.1 课题研究目的第19页
        1.6.2 课题研究内容第19-21页
2.AZ31镁合金损伤开裂模型确定第21-30页
    2.1 Deform-3D有限元软件第21-23页
    2.2 有限元软件中材料属性的确定第23-24页
        2.2.1 材料性能的确定第23页
        2.2.2 选择损伤模型及确定临界值第23-24页
    2.3 旋转挤压裂纹缺陷模拟实验第24-27页
        2.3.1 试验材料第24页
        2.3.2 试验设备第24-25页
        2.3.3 试验方案及方法第25-27页
    2.4 有限元模拟与试验结果分析第27-28页
    2.5 本章小结第28-30页
3.内环筋直筒件旋转挤压数值模拟第30-44页
    3.1 旋转挤压成形工艺第30-31页
    3.2 挤压模型的构建及材料选定第31-32页
        3.2.1 几何模型第31-32页
        3.2.2 材料模型第32页
    3.3 工艺参数设定第32-34页
        3.3.1 摩擦系数第33页
        3.3.2 轴向挤压速度第33页
        3.3.3 径向挤压速度第33-34页
        3.3.4 挤压温度第34页
        3.3.5 转速第34页
    3.4 损伤模型和损伤临界值第34-35页
    3.5 正交试验设计与模拟试验第35-36页
    3.6 模拟参数第36-38页
    3.7 模拟结果初步分析第38-42页
        3.7.1 损伤因子分布第38-40页
        3.7.2 等效应变分布第40-41页
        3.7.3 金属流动第41-42页
    3.8 本章小结第42-44页
4.旋转挤压损伤开裂第44-57页
    4.1 裂纹损伤源的位置第44-45页
    4.2 不同工艺参数对最大损伤值的影响第45-49页
    4.3 不同工艺参数对等效应变的影响第49-51页
    4.4 径向加载对最大损伤值的影响第51-52页
    4.5 凸模圆角半径对最大损伤值的影响第52-54页
    4.6 旋转挤压成形极限图第54-55页
    4.7 本章小结第55-57页
5.内环筋直筒件旋转挤压试制第57-68页
    5.1 试验试制第57-59页
        5.1.1 试验材料第57页
        5.1.2 试验设备第57-58页
        5.1.3 加热条件第58-59页
        5.1.4 试验用润滑剂第59页
    5.2 试验试制过程第59-61页
        5.2.1 下料第59页
        5.2.2 镦粗过程第59-60页
        5.2.3 一次挤压过程第60页
        5.2.4 旋转挤压过程第60-61页
    5.3 成形试验结果第61-62页
    5.4 内环筋直筒件检测第62-67页
        5.4.1 微观组织观察第63-65页
        5.4.2 拉伸试验第65页
        5.4.3 试样压弯试验第65-67页
    5.5 本章小结第67-68页
结论第68-70页
参考文献第70-75页
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果第75-76页
致谢第76-77页
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