热挤压5a06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化大学论文.docx
- 文档编号:14898395
- 上传时间:2023-06-28
- 格式:DOCX
- 页数:87
- 大小:2.80MB
热挤压5a06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化大学论文.docx
《热挤压5a06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化大学论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《热挤压5a06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化大学论文.docx(87页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
热挤压5a06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化大学论文
分类号:
TG376单位代码:
10110
5A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化刘翠侠中北大学
华北
学号:
s1*******
中北大学
硕士学位论文
5A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化
硕士研究生刘翠侠
指导教师张治民教授
学科专业材料加工工程
–
2015年月日
图书分类号TG376密级非密
UDC注1
硕士学位论文
5A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析
及工艺优化
刘翠侠
(作者姓名)
指导教师(姓名、职称)张治民教授
申请学位级别工学硕士
专业名称材料加工工程
论文提交日期2015年月日
论文答辩日期2015年月日
学位授予日期2015年月日
论文评阅人教授副教授
答辩委员会主席教授
2015年月日
注1:
注明《国际十进分类法UDC》的分类
原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
日期:
关于学位论文使用权的说明
本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定,其中包括:
①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借阅;④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。
签名:
日期:
导师签名:
日期:
5A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析
及工艺优化
摘要
本文所研究的铝合金大型薄板高筋零件是某产品上的重要部件,该零件属于形状复杂、体积分配不均匀且截面积不对称的构件。
在室温和高温条件下,其尺寸精度及机械性能均要求较高。
对此类零件,目前国内常采用对预变形的毛坯直接进行机械加工的方式制造。
但这种方式材料利用率低、生产周期长、投入成本高、良品率比较低。
而锻造可以改善工件的微观组织结构,提高材料利用率,同时提高工件的机械性能,针对此薄板高筋零件的特殊服役环境,本文采用等温挤压成形方法实现其整体成形。
(1)结合零件结构特点,对其挤压成形性进行分析并确定合理的挤压件图。
初步制定其等温挤压成形工艺方案,本文采用UG软件建立几何模型,然后将其转化为模拟过程中的刚塑性有限元模型,运用有限元模拟软件MSC/superform对其进行研究。
(2)通过运用有限元模拟软件对初步制定的成形工艺方案进行数值模拟,模拟结果表明挤压件在成形过程中出现了折叠、缩孔及充填不满的缺陷,然后对挤压件缺陷的产生机理进行了详细分析。
结合缺陷产生的机理,提出了通过模具结构的逐步优化克服各类缺陷以得到最佳成形工艺方案,针对各方案出现的不同的问题提出了不同的解决方法,并通过有限元模拟加以验证,最终获得合理的成形工艺方案。
(3)对得到的最佳等温挤压成形工艺方案,进行模具设计及工艺参数的优化。
所优化的工艺参数包括挤压温度、挤压速度及摩擦系数。
通过有限元模拟,得出各个参数对成形载荷、等效应力及等效应变的影响规律,以此为判据,最终确定最佳工艺参数。
(4)根据上述的研究,对5A06铝合金薄板高筋构件进行试验研究。
本文通过对此5A06铝合金大型薄板高筋构件的等温挤压成形工艺方案的研究,制定了合理的成形工艺方案,可以大大缩短产品的研发周期,同时达到了提高材料利用率、提高零件的综合性能、降低成本的目的。
对此类零件的成形工艺方案的制定具有一定的参考作用。
关键词:
铝合金,薄板高筋构件,等温挤压成形,数值模拟
Theextrusiondefectsanalysisandprocessoptimizationofthepartswithhighwebandthinplateof5A06aluminumalloy
Abstract
Thealuminumalloylargepartwithhighwebandthinplateresearchedinthispaperisanimportantpartofacertainproduct,whosecharacteristicincludes the complexshape,sizedistributionnon-uniformandasymmetriccross-sectionalarea.Buttherearestrictandhighrequirementsonitssizeprecisionmechanicalpropertiesatroomtemperatureorhightemperatureconditions.Atpresent,thesepartsareoftenobtainedthroughmachiningofthepre-deformationroughsdirectlyindomestic,butthismethodareoftenalongwithlowmaterialutilizationrate,longproductioncycle,highinputcostsandlowrateofgoodproduct.However,throughthemethodofforging,themicrostructureoftheworkpiececanbeimprovedandthematerialutilizationrateisalsoimproved.Inaddition,themechanicalpropertiesoftheworkpiececanbeimprovedtoo.Forthespecialserviceenvironmentofthe partswithhighwebandthinplate,thispaperchoosesisothermalextrusionmethodtoachieveitsintegralforming.
(1)Combinedwiththestructuralcharacteristicsofthepart,theextrusionformabilitywasanalyzedandareasonableextrusionpartfigurewasdeveloped.Theinitialisothermalextrusionformingprocessprogramwasdeveloped.Inthispaper,thethree-dimensionalmodelingtoolUGwasusedtoestablishgeometricmodels,whichwereconvertedtorigid-plasticfiniteelementmodelofsimulationprocess.ThefiniteelementsimulationsoftwareMSC/superformwasalsoadoptedtodotheresearch.
(2)Thesimulationoftheinitialformingprocessprogrambythefiniteelementsimulationsoftwareshowedthattherewerefolded,shrinkageandfillingdiscontentdefectsoccurringintheextrusionpartduringtheformingprocess.Thenthegeneratingmechanismofdefectswereanalysedindetail.Combinedwiththegeneratingmechanismofdefects,themoldofovercomingthedefectsbyoptimizingthediestructuregraduallywasproposedtoachievethebestformingprocessprogramofthispart.Differentprogramswereproposedfordifferentproblemsandwereverifiedthroughfiniteelementsimulation,ultimatelycomingtoareasonableformingprocessprogram.
(3)Themoldwasdesignedandtheprocessparameterswhichincludedextrusiontemperature,extrusionspeedandfrictioncoefficientwereoptimizedfortheobtainedisothermalextrusionprogram.Byfiniteelementsimulation,theinfluenceofeachparameteronformingload,equivalentstressandequivalentstrainwasobtained,whichwasasacriteriontodeterminethebestprocessparameters.
(4)Accordingtothestudyabove,theexperimentaltrialfor5A06aluminum partwithhighwebandthinplatewasconducted.
Throughtheresearchonisothermalextrusionprogramofthethislarge5A06aluminumpartwithhighwebandthinplate,thereasonableisothermalextrusionprocessprogramwasobtainedatlast,whichcouldgreatlyshorttheproductdevelopmentcycle,improvematerialutilization,improvethecomprehensivepropertiesofthepartsandreducecostandalsohadacertainreferenceondevelopmentoftheformingprocessofsuchparts.
Keywords:
aluminumalloy,partswithhighwebandthinplate,isothermalextrusion,numericalsimulation
目录
第一章绪论1
1.1课题的研究背景1
1.2铝合金特性及研究进展2
1.2.1铝及铝合金的特性及分类编号2
1.2.2铝合金的国外研究进展5
1.2.3铝合金的国内研究进展6
1.3铝合金精密成形技术发展及应用现状7
1.3.1精密成形技术研究现状及发展趋势7
1.3.2铝合金挤压技术在国内外的研究现状9
1.4铝合金筋板成形工艺研究现状11
1.5课题研究目的及意义13
1.6本课题主要研究内容13
第二章薄板高筋零件挤压成形性分析15
2.1引言15
2.25A06铝合金材料的介绍15
2.3薄板高筋零件结构难度的挤压性分析16
2.4成形工艺方案的初步确定17
2.4.1工艺方案的制定17
2.4.2挤压件图的制定18
2.5本章小结19
第三章薄板高筋零件初步成形工艺方案的数值模拟20
3.1有限元模拟技术的发展概况20
3.1.1有限元法的基本原理及分析步骤21
3.1.2有限元模拟技术在塑性成形中的应用22
3.1.3有限元模拟软件MSC/superform简介23
3.2初步成形工艺方案的数值模拟24
3.2.1三维造型及有限元模型的建立24
3.2.2成形方案模拟结果与分析26
3.3缺陷产生机理分析30
3.3.1缩孔缺陷分析30
3.3.2充填不满缺陷31
3.3.3折叠缺陷31
3.4优化方案的确定32
3.4.1优化方案的提出32
3.4.2优化方案的对比选择33
3.5本章小结34
第四章零件优化成形方案的数值模拟35
4.1模具优化设计思路的提出35
4.2模具结构优化设计思路的模拟验证36
4.2.1具体优化方案的制定36
4.2.2优化方案的模拟验证36
4.3成形方案的进一步优化37
4.3.1方案三的制定及数值模拟37
4.3.2方案四的制定及数值模拟40
4.4成形方案的最终优化42
4.4.1方案五的制定42
4.4.2坯料体积和尺寸的确定42
4.4.3方案五的模拟结果及分析43
4.5本章小结44
第五章工艺参数的优化及模具结构设计46
5.1挤压成形工艺参数优化46
5.1.1挤压温度的优化46
5.1.2挤压速度的优化50
5.1.3摩擦系数的优化52
5.2模具设计55
5.3小结58
第六章薄板高筋零件等温挤压成形试验研究59
6.1试验条件59
6.1.1试验材料59
6.1.2试验设备59
6.1.3加热条件60
6.1.4试验用润滑剂60
6.2实验过程60
6.2.1下料60
6.2.2等温挤压成形过程61
6.3成形实验结果61
6.4本章小结62
结论63
参考文献64
攻读硕士学位期间发表的论文68
致谢1
第一章绪论
1.1课题的研究背景
近年来,在我国制造业尤其是机械工业得到了迅速的发展。
在机械、兵器、航空及航天等各个领域,大部分零件不仅工作条件苛刻而且受力情况比较复杂,除尺寸精度要求高外,更要求具备良好的机械性能,不能存在裂纹、夹杂物、气孔等缺陷。
这为近净成形技术提供了广阔的发展平台。
面对日益激烈的国际化竞争,如何在较低成本、低能耗的基础上实现机械装备及其零部件的设计与制造,并且仍然保持较高的精度与性能,己成为我国工业化发展的研究重点。
传统的机械切削加工方式,不仅材料利用率和生产效率低,而且机械性能也由于金属流线在机加过程中被破坏而受到影响。
塑性加工技术的不断革新使得精密塑性成形技术成为先进制造技术的重要组成部分,而塑性加工理论的逐步完善和工艺装备技术的不断更新,为该技术的发展奠定了良好的基础[1]。
随着能源和环境问题的日益尖锐,环境保护和能源节约受到人们越来越多的重视与关注,二十一世纪的塑性加工产品逐渐向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的研究方向发展。
铝合金凭借其自身优越性越来越广泛地应用在工业生产的各个领域,塑性精密成形技术生产出的产品精度高,生产周期短。
这既节省了原材料,又得到了性能优异符合二十一世纪对塑性加工要求的产品。
目前生产的发展,除了满足上述要求外,更迫切地是要解决复杂形状工件的成形问题,对于不同形状的工件其加工方法也有所不同。
近年来,伴随着经济以及其它相关产业的迅速发展,塑性加工工业也获得了空前的发展,一些新工艺、新技术、新设备相继得到开发。
随着各种新型方法的应用,铝合金工件在当代制造业中将发挥越来越大的作用[2]-[3]。
薄板高筋类构件作为一类典型的形状复杂构件,在飞机、雷达卫星及导弹等装备中具有广泛的应用,但由于筋板件往往都具有高筋、薄壁等特点,这使其加工存在较多的困难。
目前,此类零件的常见加工方法是先经过锻造或轧制生产出毛坯,再对毛坯进行机械加工来生产。
但机械加工时筋板件上最关键的凸台区域成形往往是分层铣削出来的,因而金属流线在机械加工过程中被切断,这大大降低了零件的使用性能。
而采用传统的锻造成形工艺,坯料很可能会产生充填不满、金属流线折断、穿筋等诸多的缺陷,对设备吨位的要求很高,这使得其生产成本高。
本文以5A06铝合金薄板高筋构件为研究对象,该零件是非轴对称的筋板类结构件,且其外形结构复杂,本文结合其外形结构特点,对其等温挤压成形工艺方案进行了研究。
针对该零件在成形过程中存在的缺陷,通过对模具结构进行优化,最终制定出了合理的成形工艺方案。
此外,本文对其进行了模具设计及成形工艺参数优化,并对此薄板高筋构件进行试验研究。
1.2铝合金特性及研究进展
1.2.1铝及铝合金的特性及分类编号
铝,作为一种轻型金属,在地壳的分布十分广泛,平均含量为8.8%,是钢铁蕴藏量的一倍多。
铝元素最开始是由1825年丹麦的物理学家H.C.奥尔斯德(H.C.Oersted)发现的,他在使用钾汞齐与氯化铝相互作用获得了铝汞齐,之后再用蒸馏法去掉汞,他第一次制得了金属铝[4-5]。
纯铝的最大特点是密度很小,仅为2.72g/cm3,熔点低(660℃),强度低(σb=80MPa),塑性高(ψ=80%),沸点为2327℃。
铝具有面心立方点阵结构,且没有同素异构转变,有较高的可塑性,纯铝相对很软,强度不是很大,具有优越的延展性,用压力加工时容易成形,此外还具有良好的导电性和导热性。
铝在潮湿空气中能自己形成一层性能稳定的氧化膜,可以防止金属腐蚀,因而铝在空气以及其他介质中具有良好的耐腐蚀性能,而且其纯度越高耐蚀性能就越好。
铝粉在空气中加热时,可以猛烈地燃烧。
铝还易溶于一些酸和碱的溶液,但不溶于水[5]。
由于纯铝的强度和硬度都比较低,不能用来制造具有承载作用的主要机械零件,随着全球经济的快速发展,现代工业对零件强度的要求不断提高,纯性铝也就越发不能满足现代工业的需求,于是人们逐渐寻求其他方法来强化铝,逐渐开发了铝合金,即向铝中加入某些元素后就构成铝合金。
常用于加入铝中来构成铝合金的合金元素主要有Si、Mg、Cu、Mn、Zn等。
这些元素在Al中不仅可以形成Al基有限固溶体,而且其中大部分可以与Al形成二元或三元共晶类型相图。
通过这种方法获得的铝合金既可以保持纯铝的各类优点,又能够获得较高的强度。
除此之外,铝合金还具备了良好的弹性、抗冲击及耐磨性能、高导电导热、以及较高的回收再生性能等[6]。
依据铝合金的成分、组织及工艺等方面的特点,能够将铝合金分为铸造铝合金、变形铝合金两大类。
它们的理论分界线即为共晶温度下饱和固溶体的极限溶解度。
所谓铸造铝合金即为熔融的合金通过直接浇铸而成为形状复杂、甚至是薄壁的成形件,其对合金的要求较高,要求合金要具备良好的流动性。
而变形铝合金则是将铝合金铸锭通过压力加工,将铝合金铸锭制成半成品或模锻件,所以它对铝合金的要求是铝合金要具备良好的塑性变形能力。
当变形铝合金受热时,将呈现单相固溶体状态,此时合金不仅塑性好,而且更适合压力加工。
此外,通过冷变形和热处理,可以使铝合金的强度得到进一步的提高。
变形铝合金还可分为可热处理强化铝合金及不可热处理强化铝合金,它们的理论分界线即为室温下饱和固溶体的极限溶解度,变形铝合金、铸造铝合金及热处理可强化合金在相图上的成分范围如图1.1所示[7]。
图1.1铝合金分类示意图
Fig.1.1Theschematicdiagramofaluminumclassification
依据国家标准GB/T16474-1996的相关规定,变形铝及铝合金能够直接引用国际四位数字体系的牌号。
未命名为国际四位数字体系牌号的变形铝及铝合金,可以采用四位数字符牌号命名。
两种编号方法的第一位都是阿拉伯数字,其代表铝与铝合金的组别。
1表示铝含量达到99.00%及以上的纯铝;2、3、4、5分别代表组成元素以Cu、Mn、Si、Mg为主的铝合金;6代表组成元素以Mg和Si为主,并以Mg2Si相为强化相的铝合金;7表示组成元素以Zn为主的铝合金。
两种编号方法的第二位均表示原始合金的改型情况,其中国际四位数体系牌号的第二位为阿拉伯数字,0表示原始合金;四位字符牌号的第二位为大写的英文字母,A则表示原始合金。
两种编号方法的最后两位也都为阿拉伯数字,没有什么特别的意义,只是用来区分同一组中的不同铝合金。
例如,5A06表示6号Al-Mg系变形铝合金,2A14表示14号Al-Cu系变形铝合金。
依据被加入的主要合金元素的不同,铸造铝合金又被分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四大类,其代号分别用ZL1、ZL2、ZL3和ZL4加两位数字的顺序号来表示,其中ZL分别为“铸”“铝”拼音的首字母。
如ZL101代表的是1号铝硅系的铸造合金,ZL202代表的是2号铝铜系的铸造铝合金,以此类推[7]。
表1.1为铝合金的分类及性能特点。
表1.1铝合金的分类及性能特点
Table1.1Theclassificationandperformancecharacteristicsofaluminumalloy
分类
合金名称
合金系
性能特点
编号举例
铸造铝合金
简单铝硅合金
Al-Si
铸造性能好,不能热处理强化,力学性能较低
ZL102
特殊铝硅合金
Al-Si-Mg
铸造性能好,能热处理强化,力学性能较高
ZL101
Al-Si-Cu
ZL107
Al-Si-Mg-Cu
ZL105、ZL110
Al-Si-Mg-Cu-Ni
ZL109
铝铜铸造合金
Al-Cu
耐热性好,铸造性能与耐蚀性差
ZL201
铝镁铸造和金
Al-Mg
力学性能高,耐蚀性好
ZL301
铝锌铸造和金
Al-Zn
能自动淬火,宜于压铸
ZL401
铝稀土铸造和金
Al-Re
耐热性能好
变
形
铝
合
金
不可热处理强化铝合金
防锈铝
Al-Mn
耐蚀性、压力加工性与焊接性能好,但强度较低
3A21(LF21)
Al-Mg
5A05(LF5)
可热处理
强化铝合金
硬铝
Al-Cu-Mg
力学性能高
2A11(LY11)
超硬铝
Al-Cu-Mg-Zn
室温强度较高
7A04(LC4)
锻铝
Al-Mg-Si-Cu
锻造性能好
2A50(LD5)、2A14(LD10)
Al-Cu-Mg-Fe-Ni
耐热性能好
2A80(LD8)、2A70(LD7)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 挤压 a06 铝合金 薄板 构件 成形 缺陷 分析 工艺 优化 大学 论文