镁合金带内筋筒形件热强旋成形材料流动规律研究

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轻量化是目前航空航天、武器装备以及交通运输领域产品发展的重要方向,其不仅对降低产品的自身提出要求,还对构件性能和精度要求越来越高。采用镁合金等轻量化材料和薄壁、带内筋等轻量化结构的结合是实现构件轻量化的重要途径。镁合金在室温下塑性差、难变形,塑性变形主要在加热下进行。镁合金温度敏感性高,旋压成形过程中容易产生各种缺陷,成形质量更加难以控制。此外,材料除轴向和径向流动外,还存在着较大的切向流动,导致成形过程中材料的流动变得极为复杂。因此,开展镁合金带内筋筒形件热强旋成形材料流动规律研究,对于控制相关缺陷的产生、获得成形质量良好的带内筋筒形件具有重要的理论指导及生产实践意义。论文以镁合金带内筋筒形件为研究对象,基于COMSOL软件建立了旋前管坯电磁感应加热模型,通过试验验证了其可靠性,并研究了感应加热参数对管坯温度场分布的影响。结果表明:旋前管坯温度场呈现出外表面温度高、内表面温度低、外表面磁通密度大的总体特征;管坯最大表心温差随着电流频率、电流强度以及线圈匝数的增加而呈现出逐渐增大的趋势,随着线圈与管坯的间距的增大而呈现出逐渐减小的趋势;电流频率相比电流强度,对管坯温度场分布的影响更为显著;最优感应加热参数组合为:I=135A、f=10k Hz、T=300℃、d=2mm。基于ABAQUS建立了镁合金带内筋筒形件热强旋成形热力耦合模型,对成形过程中的多物理场进行了综合分析,探究了筋部、壁部的材料变形特点及流动规律,并研究了材料流动对成形过程的影响。结果表明:摩擦及变形热产生的升温作用强于热交换导致的降温作用。壁部变形大于筋部,壁部材料沿轴向和切向均伸长、沿径向压缩;筋部外层材料变形规律与壁部一致,内层材料沿径向和轴向伸长而沿切向压缩;材料变形呈现出周期性、不均匀性及不对称等特点;内筋的填充主要靠坯料内层材料沿径向的流入,内层材料沿径向流动的趋势由壁部到筋部逐渐增强,沿切向流动的趋势由壁部到筋部逐渐减缓,并且在内筋两侧处产生分流。材料流动容易造成筋高不均匀、筋背凹陷等缺陷产生。基于材料流变特点,研究了内筋结构(内筋形状、内筋个数)及减薄率对材料充填的影响规律。结果表明:相比矩形内筋,梯形内筋倾斜的壁腔更有利于材料沿径向流动充填形成内筋;内筋个数的增加,缩短了材料流动填充筋槽的距离,有利于材料径向填充形成内筋;随着减薄率的增加,平均筋高与减薄量的比值减小,增加相同高度的内筋需要更多填充材料。基于热强旋成形正交试验,利用极差分析和灰色关联度分析法研究了工艺参数对旋压件直线度、圆度、筋背凹陷率、内筋饱和度及筋高不均匀度的影响主次顺序,并得到了最优工艺参数组合。结果表明:各工艺参数对旋压件成形质量的综合影响主次顺序为:内筋个数>管坯壁厚>减薄率>成形温度>进给比,最优工艺参数组合为:N=12、t0=8mm、ψt=70%、f=0.4mm/r、T=350℃。
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