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由于节能、环保的需要,轻量化己成为现代结构设计的主流趋势,作为最轻的金属结构材料,镁合金受到了强烈的关注。但由于其室温塑性较差,现有的镁合金产品多采用压铸法制造,存在尺寸规格受限、力学性能差等局限。如何发掘其成形性能、开发行之有效的塑性成形工艺一直是工业界和学术界关注并致力解决的热点和前沿问题之一。
本文充分利用电磁成形与温成形的复合优势来提高镁合金板材的成形性能,克服单一温成形在成形速度、模具强度、润滑等方面的局限性,首次在温热条件下电磁成形镁合金板材,旨在为镁合金板材成形提供一种较为行之有效的新的工艺手段和方法。
通过分析镁合金板材温热电磁成形特点及工艺要求,成功研制出适合镁合金板材温热电磁成形的设备,在设计、制造出成形线圈及工装的基础上,系统考查了电-力学因素、温度对镁合金板材成形性能的影响规律;建立了镁合金电磁温热复合成形条件下的本构模型;为提高镁合金板材成形性能探索了一条新的工艺途径,并为后续成形工艺机理研究、成形过程模拟分析及工艺参数优化奠定了理论基础。
通过拉伸实验和准静态胀形实验,分析了不同温度条件下AZ31镁合金板材准静态冲压成形性能;根据温热胀形实验结果建立了室温至230℃下AZ31镁合金板材准静态成形极限图。为镁合金板材的应用提供了工艺设计依据。
研究了线圈结构及电压、电容、温度等力能工艺参数对镁合金板材温热电磁胀形高度的影响,结果表明:相比于平面螺旋线圈,均匀压力线圈电磁成形可以使板材变形区域内的磁压力及变形分布更均匀;在一定的范围内提高电压或增加电容,胀形高度得到提高;增加电压比增加电容能更有效的提高胀形高度;在相同的放电能量下,成形温度提高时,板材胀形高度先降低(T<150℃)然后增加;随着成形温度增加,极限胀形高度增加,但所需的放电能量增加;对于AZ31镁合金板材温热电磁成形工艺存在合适的温度范围,温度过高时,虽然板材成形性能得到较大提升,但是带来的成形效率下降、能量损失较高,同时线圈的结构强度也难以保证。
通过改变成形温度并逐步提升放电能量,对AZ31镁合金板材进行温热胀形实验,测试了室温至230℃内AZ31镁合金板材的极限应变,首次建立了AZ31镁合金板材温热电磁成形条件下的成形极限图,为后续的工程应用提供了理论依据。研究结果表明:随温度提高,镁合金板材温热电磁成形极限得到提高;相比于单一电磁成形和单一温成形,温热电磁成形可获得更大的极限变形,有利于提高材料的成形性能。
采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)技术测试分析了AZ31镁合金材料在温热、高应变率下的动态应力应变行为,研究结果表明:不同温度下,AZ31镁合金在高应变率下流变应力首先随应变增加迅速上升,达到一定峰值后其流变应力增加趋缓;应变速率相同时,随温度升高,同一应变所对应的流变应力降低。温度较低时(200℃以下),流变应力大小随应变率提高而有所增加;温度较高时(250℃),应变率对流变应力影响不大。在实验温度范围内(20℃-250℃),应变较大时,应变率对流变应力的影响不如温度的影响显著。
基于SHPB实验数据,首次建立了AZ31镁合金温热高速率成形条件下的本构方程:σ=425.96ε0.184(1+0.044lnε)(1-T*1.033),为镁合金温热电磁成形过程的有限元模拟分析及工艺优化奠定了基础。
实验探讨了镁合金板材温热电磁成形的具体工艺应用,考查了工艺条件对镁合金电磁压印效果的影响。实验结果表明:相比于平面螺旋线圈,均匀压力线圈电磁压印时可以克服中心压力不足的缺陷,更适合于小尺寸板材压印;电磁压印具有一个极限放电能量,低于此值时,放电能量越高,压印质量越好;超过此值,工件会与模具发生高速冲击而产生表面损伤;真空环境下电磁压印效果更佳。