搅拌摩擦渐进成形中板料局部温升特性研究

发布时间：2018-12-21 16:11

【摘要】：板料渐进成形不需要或仅需要部分模具,适用于钣金零件的试制、个性化定制和小批量生产,因而受到广泛的关注和研究。随着镁合金、铝合金和钛合金等难成形轻金属材料的广泛应用,温/热渐进成形成为渐进成形领域的研究热点。在各种加热方法中,利用转动的工具与板料间的摩擦加热板料的搅拌摩擦渐进成形因为不需要额外的加热装置,方法简单,节能环保,最为引人关注。搅拌摩擦渐进成形中,板料局部温度升高特性是影响板料成形性能的关键因素,充分了解工艺参数对成形中板料局部温度升高的影响规律和影响程度,建立完整的板料渐进成形过程温度变化数学模型是合理制定搅拌摩擦渐进成形工艺的基础。而到目前为止,对于搅拌摩擦渐进成形的研究尚处于初始阶段,相关研究主要集中于少数工艺参数对板料温度变化的影响以及成形性能的研究。本文采用实验研究的方法对搅拌摩擦渐进成形中板料温升的作用机制,各工艺参数对板料局部温升的影响规律和影响程度进行分析和讨论。基于传热学基本理论,将搅拌摩擦渐进成形中板料的传热过程进行合理简化和抽象,推导建立板料的温度变化数学模型。在数值模拟研究中,建立等效工具等效温度和成形工艺参数间关系的数值模型,并利用其完成实际零件的数值模拟。用实验的方法对比讨论各工艺参数对成形后零件的晶粒大小和力学性能的影响。首先,本文采用往复渐进成形直沟槽实验,对比不同位置的测温点的温度变化规律,证明在与成形区域接近的测温点处,板料的温度变化规律与成形处的变化规律相似,可以用来表征成形区域板料的温度变化规律。通过单次渐进成形直沟槽实验和往复渐进成形直沟槽实验,对比分析板料局部温升的作用机制,证实由工具自转产生的摩擦热是造成板料的局部温升的主要原因。通过单次渐进成形沟槽实验测量板料温度变化,分别研究各因素对搅拌摩擦渐进成形中板料局部温升的影响,为本文后续实验研究设计提供参考。在此基础上,本文采用正交实验与响应面实验的方法,以AZ31B板料为实验材料,对各工艺参数及其交互项对板料局部温升峰值的影响趋势及其影响水平进行更深入更全面的实验研究。通过对实验结果进行方差分析和回归分析,建立板料局部温升峰值相对各工艺参数的回归方程,并对其进行回归评价。正交实验、响应面实验与单因素分析得到的各因素对于板料局部温度的影响趋势均为:温升值随着板料厚度、层进给深度、工具转速和加工倾角的增加而提高,随着进给速度的增加而减少,随工具直径的增大先增加后降低。根据正交实验的分析结果,进给速度和层进给深度是影响板料局部温升的两个最主要的因素。然后,本文对搅拌摩擦渐进成形中,板料的局部温升和传热过程进行合理的简化和假设,建立板料温升的数学模型。在傅里叶定律的基础上,将搅拌摩擦渐进成形中板料的传热过程简化和抽象为板料在线状连续移动热源作用下的温场模型。本文采用中心复合响应面实验设计,通过测试不同工艺参数组合条件下成形截头四棱锥零件距离棱边一定位置处温度变化,反向计算板料吸收热功率,再基于响应面分析,建立板料吸收热功率模型,并进一步讨论板料温度曲线和温场的变化规律。对比理论计算板料温度变化和实验结果,两者吻合较好,说明所提出的板料吸热功率计算方法可行。此外,针对搅拌摩擦渐进成形数值模拟中,因考虑工具转动而导致的计算量巨大,工程应用难以接受的问题,提出等效工具等效温度法。将转动工具等效为一定温度的固定工具,基于实验和响应面方法获得镁合金AZ31B板料等效工具等效温度与工艺参数的关系模型,将该模型用于棱锥盒零件的搅拌摩擦渐进成形数值模拟中,完成整个零件成形的模拟,并与实测温度进行对比,结果证明数值模拟温度变化曲线与实验结果在趋势、波动程度以及数值上较为吻合,证明将所提出的方法应用于实际零件成形过程数值模拟可行。最后,本文采用正交实验,结合拉伸实验、硬度实验和金相组织的观察,进一步地研究各工艺参数及其交互项对成形后零件的晶粒大小和力学性能的影响。根据金相组织观察的结果,在镁合金在摩擦搅拌渐进成形后,晶粒相对于原始板材的晶粒细化非常明显,表明各实验所对应的板材均发生了动态再结晶。方差分析发现,加工倾角,以及加工倾角与工具转速的交互项,是影响板料发生动态再结晶后晶粒大小的主要因素。拉伸实验和硬度实验的实验结果也表明,搅拌摩擦渐进成形后所得的各试样的显微硬度与抗拉强度相对于原始试样均有明显提高。表明利用摩擦搅拌渐进成形可以促使板料发生动态再结晶,再结晶后板料的力学性能也随之提高,可以作为制备细晶材料的一种方法。本文通过实验研究、数学模型推导、以及数值模拟的方法,从不同角度对搅拌摩擦渐进成形中板料局部温度升高规律进行系统性研究,为合理制定搅拌摩擦渐进成形工艺提供设计指导,为利用搅拌渐进成形过程中的摩擦热,和提高板料的渐进成形性能提供理论基础。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG306

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本文编号：2389141