5052铝合金管磁脉冲扩口变形行为的数值模拟及力学性能研究

发布时间：2015-05-06 09:53

 

【摘要】 随着结构轻量化的趋势，轻质合金的中空结构件被广泛的应用，但以铝合金为代表的轻质合金，室温成形性能较差。磁脉冲成形以其高速率成形的特点，可以显著提高材料在室温下的成形性能。本文以5052铝合金管件作为研究对象，利用数值模拟和工艺试验相结合的方法，讨论和分析管件磁脉冲端部扩径成形的变形行为；通过磁脉冲胀形试验，分析磁脉冲胀形工艺下的自由胀形、刚模约束胀形和软模约束胀形后管件的常规力学性能差异。采用有限元分析软件ANSYS建立管件磁脉冲端部扩径成形的3D有限元模型。研究了管件磁脉冲端部扩径一次成形过程中，管件的变形特征。模拟得出管件在成形过程中与模具发生高速碰撞，引起反弹，最终导致直边部分不能贴模；管件沿环向变形很不均匀，直边与转角之间的过渡区域应变最大。对管件磁脉冲端部扩径成形进行工艺试验，讨论了不同工艺参数对扩径管件成形的影响。在一次成形后，管件直边部分不能贴模，转角难以填充，直边与转角之间的过渡区会出现开裂，模拟结果和实验结果吻合较好。为克服一次成形的缺陷，研究了两步法的磁脉冲端部扩径成形工艺。通过管坯预成形及终成形的两步法工艺，可以成形出转角半径R≥10mm的扩径管件并有效提高了管件的厚度均匀性。对管件进行磁脉冲胀形工艺下的自由胀形、刚模约束胀形和软模约束胀形，并控制放电参数，得到不同胀形直径管件，对比分析得出：在三种不同的胀形类型下，相同胀形直径的管件硬度值与拉伸力学性能的差异很微弱，表现出的塑性变形能力也基本相同，也就说明了磁脉冲成形中管件与模具之间一定的高速碰撞冲击作用对成形管件的力学性能基本没有影响。 

第 1 章 绪论

相对于普通的钢铁材料，铝合金不仅轻质，而且弹性好，抗冲击能力也较强,是一种很好替代材料，但是制造相对复杂的航空航天和汽车构件对材料的成形性能提出较高的要求[9,10]。众所周知，铝合金具有较高的比强度，但是其在室温下的成形性能相对较差，如在相同的加工条件下，铝合金的成形极限与钢相差很多，很容易在高应变的区域产生裂纹；其仅为钢的 1/3 的刚度，在零件成形完成后的卸载过程中就会出现较大的回弹，一般的冲压加工后还容易使材料发生扭曲，从而使成形后零件的尺寸精度很难保证；铝合金这种室温成形性能差的缺陷大大制约了该材料在各种结构件中的应用[11,13]。采用焊接、铸造、机加工等传统方法生产的各种异形管零件，存在材料利用率低，成形零件质量差，成本相对较高且制造效率低下等缺陷，己经无法满足目前社会发展的需求，于是发展具有独特优势的压力加工成形技术成为了塑性加工领域科研工作者的重要课题[4,14]。
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第 2 章 5052 铝合金管磁脉冲端部扩径有限元分析

2.1 引言
磁脉冲成形是利用电磁感应原理使金属毛坯在洛伦兹力的作用变形，整个成形过程在微秒级完成。由于其高速率的成形特点使材料的成形性能得到很大程度的提高，被广泛的应用于高强度低成形性材料的加工制造中。磁脉冲成形过程主要有电磁场和变形场两个部分组成，是两个场相互耦合的过程。本章采用松散耦合法进行数值模拟，松散偶合法如图 2-1 所示。借助 ANSYS 有限元分析软件，建立3D 的电磁场和变形场有限元分析模型，分别在 ANSYS/Multiphysics 模块和ANSYS/LS-DYNA 模块中建立电磁场和变形场模型，通过耦合场分析，研究管件端部扩径时的材料变形行为和贴模状况。

 

2.2 耦合场有限元分析模型的建立
由于扩径成形的管件端部是由圆形变形为方形，不具有完全对称性，不能建立最简单成熟的 2D 电磁场模型，只能建立 3D 电磁场模型，ANSYS 软件中有很多可用来模拟电磁现象的单元，这里采用适用于 3D 模型的磁实体矢量 SOLID97 单元。SOLID97 单元的形状为砖形，是有 8 个节点的六面体单元，如图 2-2 所示。图中右边三种单元形状可以通过 SOLID97 单元的适当变化而得到。当把 O、N、M、P 四个节点看作为一个节点编号，再把 L 和 K 两节点也看作一个节点编号，四面体单元就可能形成；当把 O 和 P 两节点看作一个节点编号，同时把 L 和 K 两节点也看作一个节点编号，楔形单元就可能形成；当把 O、N、M、P 四个节点看作为一个节点编号，锥形单元就可能形成。SOLID97 单元的每个节点上包含 AX、AY、AZ、VOLT、CURR、EMF 六种磁矢位，具有六个自由度。SOLID97 单元形状和自由度的多变性，使其在更容易与各种材料的性能进行匹配[62]。

第 3 章 5052 铝合金管磁脉冲端部扩径成形试验....................................... 29
3.1 引言 ................................ 29
3.2 试验条件 .......................... 29
3.3 磁脉冲扩径一次成形试验 ........................... 31
第 4 章 5052 铝合金管磁脉冲胀形力学性能分析......................... 46
4.1 引言 ........................ 46
4.2 管件磁脉冲胀形工艺试验.................. 46
结论........................ 56

第 4 章 5052 铝合金管磁脉冲胀形力学性能分析

4.1 引言
磁脉冲成形作为一种高速率成形工艺，以其高速率成形的工艺特点，可以在室温条件下，，大幅度提高一些难成形材料的成形能力，受到人们的广泛关注。但也正因为成形速度快，在成形过程中，特别是成形一些复杂结构件时，金属坯料的局部或大分部区域必然会与外在的约束模具发生高速碰撞，而这种高速碰撞冲击是否会对成形件在后续的使用性能要求及服役寿命产生负面的影响，目前并未有清楚的解释，需要进一步深入的研究和分析。针对高速碰撞后的成形件性能是否存在差异或缺陷，本章主要对 5052 铝合金管件磁脉冲胀形进行工艺试验；并在胀形过程中改变外在约束模具的条件，分为三种胀形类型：自由胀形、刚模约束胀形和软模约束胀形，从而改变胀形过程中管件与模具高速碰撞作用的程度；最后对三种胀形类型胀形后的管件进行常规力学性能测试包括：硬度测试和拉伸性能测试，对拉伸断口进行扫描并分析，以期得出一定的具有参考价值的结果。

4.2 管件磁脉冲胀形工艺试验
本章试验中采用长度为 75mm，外径为 Φ50mm，壁厚为 1.2mm 退火态的 5052铝合金管件作为试验材料。试验是在哈尔滨工业大学电磁成形课题组的EMF30/5-IV 型电磁成形机完成的，设备的电容组是由 12 个电容量约为 192 μF的电容构成，加工时电容量可调，设备参数见表 4-1，设备如图 4-2 所示。试验采用的放电线圈与磁脉冲扩径一次成形的线圈相同，见图 3-5 所示。
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结论

本文通过数值模拟和工艺试验相结合的方法研究了 5052 铝合金管磁脉冲端部扩径成形；通过磁脉冲胀形工艺，分析不同胀形类型、不同胀形直径对管件硬度、拉伸力学性能的影响规律，主要得到如下结论：（1）利用有限元分析软件 ANSYS 建立 3D 有限元模型，采用松散偶合法对5052 铝合金管磁脉冲端部扩径成形进行模拟分析表明：磁脉冲端部扩径一次成形，扩径管件直边部分不能贴模，转角部位难以填充，变形很不均匀，直边与转角之间的过度区域应变最大，成为变形过程中的最薄弱区。（2）进行磁脉冲扩径一次成形试验得出：随着放电电压的增大，管件成形区逐渐有圆变方，转角越来越小，但直边部分始终不能贴模，在转角没达到要求时，直边与转角之间的过渡区域出现开裂，摩擦因素对成形效果影响很小，与模拟结果基本吻合。（3）通过试验分析表明，先预成形，再进行终成形的两步法磁脉冲端部扩径成形克服了一次成形中的直边不贴模和转角难填充问题，且使变形均匀性也得到很大程度的提高；在终成形过程中摩擦因素影响显著，良好的润滑条件可以成形处更小转角半径的扩径管件。对于转角半径 R≥10mm 的端部扩径管件，可以采用两步法的磁脉冲端部扩径成形技术进行成形。
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参考文献（略）

本文编号：19358