内环筋直筒件旋转挤压成形折叠缺陷机制研究

摘要

镁合金内筋壳体作为典型轻质轻体结构件广泛应用于航天、航空领域，传统加工方法存在废品率高、性能差、成本较大等缺点，无法满足构件轻量化与高性能的要求。基于内筋壳体结构特点和镁合金变形特性，提出旋转挤压成形方法以实现该类构件整体塑性成形。旋转挤压成形具有降低载荷、改善成形性、细化晶粒、弱化各向异性和保证筋部流线完整等优点，但由于加载方式的特殊性导致容易产生折叠缺陷。通过限元数值模拟与实验相结合，研究了模具结构参数及成形工艺参数对缺陷形成的影响，揭示了镁合金内环筋直筒件旋转挤压成形过程中折叠缺陷形成机理，为新工艺应用奠定基础。
　　内环筋直筒件旋转挤压分为旋转轴向挤压和旋转径向挤压两种模式，对成形过程中各区域应力、应变分布与金属流动情况进行了分析。旋转挤压过程中，变形区金属处于强压剪应力状态能够充分发挥镁合金塑性;渐开式组合模具加载下产生微区累积剧塑性变形，有利于性能的提升;建立旋转挤压成形金属速度场，为折叠缺陷研究提供了理论基础。
　　为深入了解内环筋直筒件旋转挤压成形以进一步分析折叠缺陷的产生，利用数值模拟对某一内环筋直筒件旋转挤压成形过程进行研究，该零件成形轴向载荷极值为57.1kN、径向载荷极值为57.6kN以及成形扭矩极值为2867.1kN·mm;获得等效应力、应变分布特点，其中壁部与内环筋部分金属等效应变量大，有利于细化晶粒、提高构件整体性能。
　　对折叠缺陷进行研究，折叠缺陷分布于内筋直筒件薄壁内侧。旋转轴向挤压过程中折叠缺陷产生是由于渐开式组合模间隙处凸起金属径向流动变形抗力过大，使凸起金属内侧流动速度低于边缘处金属流动速度，最终使凸起金属与薄壁内侧金属汇流形成折叠缺陷。旋转径向挤压过程中，由于瞬时挤压量过大导致金属向坯料空心处流动在凸模工作带侧面形成金属堆积，在凸模作用下与未成形区金属汇流产生折叠缺陷。确定模具结构与工艺参数对折叠缺陷产生的影响，并绘制折叠极限图，为实际生产与实验避免折叠缺陷提供模拟依据。
　　根据内环筋直筒件旋转挤压成形过程中金属流动特点以及折叠缺陷产生原因，设计实验进行验证。通过利用Gleeble-3500热压缩模拟实验机进行热模拟实验，结果表明内环筋直筒件旋转挤压成形中产生折叠缺陷，验证了数值模拟结果可靠性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 镁合金及其塑性成形研究

1．2．1 镁合金特点与应用

1．2．2 镁合金塑性变形

1．2．3 剧塑性变形

1．3 内筋壳体研究现状

1．3．1 传统内筋壳体成形方法

1．3．2 内筋壳体成形新方法

1．3．3 旋转挤压成形方法

1．4 折叠缺陷

1．4．1 折叠缺陷产生机理

1．4．2 折叠缺陷的判定

1．4．3 折叠缺陷防控措施

1．6 课题意义与内容

1．6．1 课题意义

1．6．2 课题内容

2．旋转挤压工艺及分析

2．1 旋转挤压成形工艺

2．2 旋转挤压成形原理

2．2．1 旋转轴向挤压原理

2．2．2 旋转径向挤压原理

2．3 旋转挤压成形优点

2．4 旋转挤压缺陷隐患

2．4．1 折叠缺陷

2．4．2 开裂缺陷

2．4．3 流线缺陷

2．5 本章小结

3．内筋壳体旋转挤压数值模拟

3．1 内筋薄壁直筒件成形工艺

3．2 旋转挤压数值模拟

3．2．2 材料模型

3．2．3 模拟参数

3．3 模拟结果与分析

3．3．1 载荷与扭矩

3．3．2 等效应力

3．3．3 等效应变

3．3．4 金属流动

3．5 本章小结

4．旋转挤压折叠缺陷

4．1 折叠缺陷分布

4．2 折叠缺陷产生机理

4．2．1 旋转轴向挤压

4．2．2 旋转径向挤压

4．3 折叠缺陷判据

4．3．1 折叠角与折叠深度判据

4．3．2 旋转轴向挤压折叠缺陷判据

4．4 旋转轴向挤压折叠缺陷影响因素研究

4．4．1 凸模圆角

4．4．2 工作带锥度

4．4．3 速度参数

4．4．4 内环筋高度

4．5 旋转径向挤压折叠缺陷影响因素研究

4．5．2 速度参数

4．6 旋转挤压成形折叠极限图

4．7 本章小结

5．旋转挤压折叠缺陷模拟实验

5．1 实验条件

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验设备

5．1．3 实验润滑剂

5．2 实验方案及方法

5．3 数值模拟流动场分析

5．4 实验结果与分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢