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2024铝合金板材热成形过程的残余应力及金属流动控制研究

【摘要】:2024铝合金具有强度高、抗疲劳性能好等一系列优点,因此广泛地应用于航空航天、汽车制造等领域。由于2024铝合金板材在常温下的塑性较差,必须通过热成形方式来制造形状复杂的零部件。然而高强度铝合金板材在热成形过程中往往由于材料变形不均匀,卸载后产生较大的残余应力。从而降低了铝合金零部件的疲劳强度和尺寸稳定性,增加了零件产生应力腐蚀开裂的风险,并导致后续切削加工过程中,由于零件内部残余应力的释放与重新分布,产生扭曲变形。因此,研究高强度铝合金板材热成形过程中的残余应力分布规律及控制与消除技术显得尤为重要。此外,铝合金板材在热成形过程中通常承受拉伸变形,在小圆角部位壁厚会严重减薄,无法满足应用时对零件的高强度要求。因此,有必要控制和优化铝合金板材在热成形过程中的金属流动,提高小圆角部位的填充率。本论文主要的研究工作如下:首先,对2024铝合金热变形工艺参数进行了优化,并对材料的热成形极限进行了研究,获得了这种合金热变形工艺参数范围和热成形极限图。通过不同温度(300~450℃)、不同应变速率(0.001~1s-1)下的拉伸与压缩实验,结合动态材料模型的热加工图技术优化得到了2024铝合金热变形工艺参数范围,为2024铝合金热变形工艺参数的制定提供了理论指导。通过杯突胀形实验并结合有限元模拟,获得了2024铝合金热成形极限图,为2024铝合金板材热成形有限元仿真提供了破裂判别的依据。其次,对2024铝合金板材热冲压过程中的残余应力进行了研究,得到了铝合金板材热冲压过程中残余应力的产生机理。采用有限元模拟和实验相结合的方法,研究了温度、压边力、凹模入口圆角等热冲压参数以及板料局部增厚工艺对热冲压方盒件残余应力的影响规律,得到了铝合金板材热冲压过程中残余应力的产生机理并获得残余应力较低的优化的热冲压参数。相对于平板,采用局部增厚板能显著减小热冲压方盒件的残余应力,热冲压方盒件的最大残余应力值减小了58.3%。基于宽板拉伸-弯曲理论,建立了热冲压方盒件的残余应力计算模型。残余应力检测结果表明,该模型能够准确地预测热冲压方盒件底部圆弧部位的残余应力分布特征。再次,开展了2024铝合金热冲锻成形过程中的残余应力研究,获得了热冲锻过程中残余应力的变化规律和残余应力的消除机理。首先以V形件的热弯曲-镦锻做为热冲锻成形的基本模型,研究了热冲锻成形过程中残余应力的变化规律。在此基础上,将热冲锻成形技术应用于航天卫星中典型的不等壁厚方盒件的成形,实现了方盒件内部残余应力的控制与调节。研究结果表明,冲锻成形工艺通过改变板内局部纤维的塑性变形,使得卸载后残余应力场得到重新分布从而降低应力值。相对于V形弯曲件,V形冲锻件内部的残余应力值得到了显著的减小,最大切向残余应力值减小了52%。方盒拉深件经过变薄拉深和镦锻法兰后,残余应力得到了显著的降低,最大残余应力值可以由拉深件时的190MPa左右降低为最终锻件时的60MPa左右。热冲锻件的残余应力与热冲锻工艺参数密切相关。增大凸模圆角半径和凹模转角半径、减小凹模入口圆角半径,有利于降低热冲锻方盒件的残余应力。然后,开展了不等壁厚方盒件的热冲锻模具设计及工艺试验研究,得到了较好尺寸精度和较低残余应力的方盒件。根据不等壁厚方盒件的成形特点,分解并提取共同特征,设计并制造了一组采用通用模架、通用固定组件和专用模芯、不同高度调节单元的可拼装组合模具系统,开展了方盒件的热冲锻成形工艺实验,获得了较好尺寸精度和较低残余应力的方盒件。试验结果表明,通过变薄拉深及镦锻法兰之后,方盒件侧壁厚度为3.5mm左右,实现了壁厚变化30%,达到了实际件要求。通过热冲锻成形技术将方盒件的残余应力值控制在了70MPa以内,与原来的机械切削加工残余应力200MPa左右相比,残余应力值降低了65%,可以显著提高方盒件使用时的尺寸稳定性,实现构件高服役可靠性。最后,研究了局部增厚板热冲锻方盒件过程中的金属流动规律,实现了金属流动的控制与优化。基于Abaqus有限元模拟软件平台,研究了局部增厚板热冲锻方盒件过程中的金属流动规律,在此基础上,通过改变增厚凸台的形状并调节局部增厚板与模具接触面上的摩擦条件优化了金属的流动,提高了方盒件底部圆角部位的填充率,成功实现了方盒件底部2mm的小圆角。

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