6063铝合金变径管轴向充压镦形规律研究
发布时间：2021-03-01 17:22
管材内高压成形是一种先进的轻量化制造技术,广泛应用于汽车、航空航天等领域空心变截面构件的制造。但是,由于内高压成形以拉伸变形为主,成形过程中不可避免的出现壁厚减薄和壁厚分布不均匀。针对管材内高压成形壁厚减薄的问题,本文提出了将压缩变形和内高压成形相结合的管材轴向充压镦形技术,其核心思想是在内压支撑下通过施加轴向位移对管材进行压缩变形,使其长度缩短,壁厚增加。以6063铝合金为研究对象,研制了轴向充压镦形的实验装置,通过理论分析、有限元模拟和实验研究,系统的分析了管材轴向充压镦形的塑性变形规律、壁厚分布规律和起皱机制,为管材轴向充压镦形的应用提供理论指导。通过对镦形过程中管材不同区域的应力状态的研究,分析了不同区域的塑性变形顺序,揭示了壁厚减薄率降低的机理。在初期胀形中虽然大径区和过渡区出现了壁厚减薄,但在镦形过程中,减薄最严重的大径区等效应力始终最大而先进入塑性变形,然后向过渡区扩展,最后是送料区,即管材各区域在镦形过程中的变形顺序为:大径区优先,过渡区次之,最后是送料区,从理论上证明了轴向充压镦形可以降低管材的壁厚减薄率。给出了管材轴向充压镦形缺陷和失效形式。针对圆角填充阶段的下圆角...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
挂车空心主轴[12]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-1.2变径管制造技术现状1.2.1缩径成形技术缩径成形工艺是通过施加轴向压力将管材挤入锥形凹模中，在模具压力作用下使其外径减小的成形方法[4]。缩径成形具有模具结构简单、产品性能好和生产效率高等优点，已广泛应用于石油和化工等领域变径管的生产。而在汽车领域，燕山大学王连东等[5-7]建立了管材缩径成形的力学模型，分析了壳体自由推压缩径变形，给出了各变形区轴向应力的解析解和不同道次极限缩径系数的解法，并将缩径成形与液压胀形相结合提出了汽车桥壳复合液压胀形技术，研究了工艺参数对复合液压胀形的影响，成功制造了商用车桥壳。随后，徐永生[8]在此基础上提出了管材推压拉拔缩径成形工艺，通过数值模拟和实验研究分析了成形过程中的应力应变状态和壁厚分布规律，对工艺参数进行优化使之与桥壳胀压成形工艺更好的配合。而北京机电研究所徐春国等[9-11]分析了管材热缩径过程中变形温度、半锥角和缩径比对缩径成形力的影响，开发了制造挂车主轴的变温度场缩径成形工艺并成功制造了挂车整体空心主轴，如图1-1所示。然而，在缩径成形过程中，材料的硬化会随着缩径量增大变严重，导致未变形区的变形抗力增加，当变形抗力超过其屈服极限时就会导致失稳或破裂，造成零件报废，如图1-2所示[13]。同时，缩径成形的缩径比受到原始材料性能的限制，对于塑性能力较差的材料，当缩径比较大时必须进行多道次成形[14-16]。图1-1挂车空心主轴[12]Fig.1-1Hollowshaftoftrailer[12]图1-2缩径成形缺陷[13]Fig.1-2Defectivetubeofsinkingprocess[13](a)wrinkling;(b)buckling
第1章绪论-3-1.2.2旋压成形技术旋压成形是一种中空回转体零件的成形方法。旋压时，利用旋轮的轴向和径向运动对固定的管材端部施加局部压力，使管材端部在旋轮作用下发生塑性变形，从而成形所需的零件，变径管的旋压成形原理如图1-3所示[17]。根据变形过程中管材壁厚的变化，旋压成形可分为普通旋压和强力旋压。普通旋压只改变管材形状，壁厚基本不发生变化；强力旋压不仅改变形状，还会改变其厚度。相比于其他中空零件成形方法，旋压过程中由于是局部塑性变形，变形区小，因此所需的变形力大大降低；旋压成形主要依靠旋轮，模具数量减少，设备简单，易于实现加热旋压，成形柔性化程度高，已广泛应用于铝合金、镁合金和钛合金中空零件的中小批量生产。图1-3变径管旋压成形原理[17]Fig.1-3Principleofspinningforming[17]旋压成形技术自出现以来，许多学者就通过理论分析、实验研究和数值模拟对旋压成形变形规律和成形质量进行了研究，为旋压的应用提供了理论依据[18-29]。目前，旋压成形的尺寸范围很大，对于筒形件，其直径在3mm~10m之间，厚度在0.4~25mm之间。随着旋压成形技术的发展，人们已经不再局限于利用旋压成形轴对称中空零件，如三元催化器(图1-4所示)，而是通过改变旋压成形方式、模具结构和偏心距等方式来成形更多形状的零件。夏琴香等[20,21,30-32]提出了非轴对称零件旋压成形工艺，研究了工艺参数对非对称旋压成形的影响规律，并在自主研制的成形设备上成功制造了三维非对称中空零件，如图1-5所示，突破了传统旋压成形的限制。但是，由于旋压技术的成形特点，成形机理复杂，影响因素较多，旋压件的成形质量难以准确的控制，会产生起皱和破裂等宏观缺陷，如图1-6所示。尤其是对长径比大或厚径比小的变径管，旋压成形
【参考文献】：
期刊论文
[1]芯轴外径对大变形推压-拉拔复合缩径的影响[J]. 王连东,刘超,刘恒,王晓迪,王志鹏. 中国机械工程. 2018(17)
[2]20Mn2合金钢半挂车轴用无缝管温热本构关系[J]. 张亚,徐春国,郭永强,熊建江,赵培峰. 塑性工程学报. 2015(03)
[3]厚壁管温热缩口与管壁增厚的数值模拟研究[J]. 张亚,徐春国,任广升,任伟伟,郭永强,陈钰金,郑建,万松. 精密成形工程. 2014(04)
[4]预成形管坯压制成形汽车桥壳的变形分析[J]. 王连东,杨东峰,崔亚平,陈国强. 中国机械工程. 2013(19)
[5]附加前盖对汽车桥壳胀-压成形性的影响[J]. 崔亚平,王连东,杨立云,刘超. 中国机械工程. 2013(13)
[6]管件多道次缩径旋压过程的数值模拟与工艺分析[J]. 王华君,鲁建飞,潘巧英,孙世为. 热加工工艺. 2013(13)
[7]汽车桥壳液压胀形工艺的研究及最新进展[J]. 王连东,梁晨,马雷,王建国,杨东峰,崔亚平. 燕山大学学报. 2012(03)
[8]双锥形管液压成形过程中破裂和起皱的力学条件[J]. 苑文婧,刘晓航,田浩彬. 上海第二工业大学学报. 2012(01)
[9]铝合金典型件热介质成形工艺的数值模拟[J]. 郎利辉,蔡高参,刘康宁,刘宝胜,杜平梅. 锻压技术. 2011(06)
[10]内高压成形理论与技术的新进展[J]. 苑世剑,何祝斌,刘钢,王小松,韩聪. 中国有色金属学报. 2011(10)
博士论文
[1]异形截面薄壁焊管内高压成形规律研究[D]. 谢文才.哈尔滨工业大学 2018
[2]难变形金属筒形件热强旋成形机理及工艺参数优化[D]. 王兴坤.华南理工大学 2018
[3]轻合金典型薄壁回转件热旋压数值模拟与试验研究[D]. 李琳琳.吉林大学 2017
[4]Ti-22Al-24.5Nb-0.5Mo板材气胀成形微观组织与形变耦合建模仿真[D]. 武永.哈尔滨工业大学 2017
[5]商用车整体驱动桥壳成形工艺及关键技术研究[D]. 李攀.机械科学研究总院 2017
[6]TA15钛合金薄壁构件热强旋成形及性能强化机理研究[D]. 赵小凯.哈尔滨工业大学 2017
[7]纯钛及钛合金强力旋压损伤演化规律及韧性断裂预测[D]. 马浩.哈尔滨工业大学 2016
[8]中型卡车胀压成形桥壳压制成形工艺研究[D]. 杨东峰.燕山大学 2015
[9]非圆横截面空心零件旋压成形机理研究[D]. 赖周艺.华南理工大学 2012
[10]镁合金管材热态内压成形失稳行为研究[D]. 汤泽军.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]高强钢管缩径旋压成形性能及工艺研究[D]. 杨鑫.华南理工大学 2017
[2]重卡胀压成形桥壳推压拉拔缩径工艺研究[D]. 徐永生.燕山大学 2016
[3]变温度场下管材缩口变形规律及增厚成形工艺研究[D]. 张亚.机械科学研究总院 2015
[4]304不锈钢旋压件机械扩径工艺研究[D]. 徐祺炜.燕山大学 2015
[5]管件电磁缩径成形的有限元分析[D]. 谢宏.吉林大学 2014
[6]管件电磁缩径成形仿真分析及工艺参数设计[D]. 何文治.华中科技大学 2011
本文编号：3057789
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
挂车空心主轴[12]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-2-1.2变径管制造技术现状1.2.1缩径成形技术缩径成形工艺是通过施加轴向压力将管材挤入锥形凹模中，在模具压力作用下使其外径减小的成形方法[4]。缩径成形具有模具结构简单、产品性能好和生产效率高等优点，已广泛应用于石油和化工等领域变径管的生产。而在汽车领域，燕山大学王连东等[5-7]建立了管材缩径成形的力学模型，分析了壳体自由推压缩径变形，给出了各变形区轴向应力的解析解和不同道次极限缩径系数的解法，并将缩径成形与液压胀形相结合提出了汽车桥壳复合液压胀形技术，研究了工艺参数对复合液压胀形的影响，成功制造了商用车桥壳。随后，徐永生[8]在此基础上提出了管材推压拉拔缩径成形工艺，通过数值模拟和实验研究分析了成形过程中的应力应变状态和壁厚分布规律，对工艺参数进行优化使之与桥壳胀压成形工艺更好的配合。而北京机电研究所徐春国等[9-11]分析了管材热缩径过程中变形温度、半锥角和缩径比对缩径成形力的影响，开发了制造挂车主轴的变温度场缩径成形工艺并成功制造了挂车整体空心主轴，如图1-1所示。然而，在缩径成形过程中，材料的硬化会随着缩径量增大变严重，导致未变形区的变形抗力增加，当变形抗力超过其屈服极限时就会导致失稳或破裂，造成零件报废，如图1-2所示[13]。同时，缩径成形的缩径比受到原始材料性能的限制，对于塑性能力较差的材料，当缩径比较大时必须进行多道次成形[14-16]。图1-1挂车空心主轴[12]Fig.1-1Hollowshaftoftrailer[12]图1-2缩径成形缺陷[13]Fig.1-2Defectivetubeofsinkingprocess[13](a)wrinkling;(b)buckling
第1章绪论-3-1.2.2旋压成形技术旋压成形是一种中空回转体零件的成形方法。旋压时，利用旋轮的轴向和径向运动对固定的管材端部施加局部压力，使管材端部在旋轮作用下发生塑性变形，从而成形所需的零件，变径管的旋压成形原理如图1-3所示[17]。根据变形过程中管材壁厚的变化，旋压成形可分为普通旋压和强力旋压。普通旋压只改变管材形状，壁厚基本不发生变化；强力旋压不仅改变形状，还会改变其厚度。相比于其他中空零件成形方法，旋压过程中由于是局部塑性变形，变形区小，因此所需的变形力大大降低；旋压成形主要依靠旋轮，模具数量减少，设备简单，易于实现加热旋压，成形柔性化程度高，已广泛应用于铝合金、镁合金和钛合金中空零件的中小批量生产。图1-3变径管旋压成形原理[17]Fig.1-3Principleofspinningforming[17]旋压成形技术自出现以来，许多学者就通过理论分析、实验研究和数值模拟对旋压成形变形规律和成形质量进行了研究，为旋压的应用提供了理论依据[18-29]。目前，旋压成形的尺寸范围很大，对于筒形件，其直径在3mm~10m之间，厚度在0.4~25mm之间。随着旋压成形技术的发展，人们已经不再局限于利用旋压成形轴对称中空零件，如三元催化器(图1-4所示)，而是通过改变旋压成形方式、模具结构和偏心距等方式来成形更多形状的零件。夏琴香等[20,21,30-32]提出了非轴对称零件旋压成形工艺，研究了工艺参数对非对称旋压成形的影响规律，并在自主研制的成形设备上成功制造了三维非对称中空零件，如图1-5所示，突破了传统旋压成形的限制。但是，由于旋压技术的成形特点，成形机理复杂，影响因素较多，旋压件的成形质量难以准确的控制，会产生起皱和破裂等宏观缺陷，如图1-6所示。尤其是对长径比大或厚径比小的变径管，旋压成形
【参考文献】：
期刊论文
[1]芯轴外径对大变形推压-拉拔复合缩径的影响[J]. 王连东,刘超,刘恒,王晓迪,王志鹏. 中国机械工程. 2018(17)
[2]20Mn2合金钢半挂车轴用无缝管温热本构关系[J]. 张亚,徐春国,郭永强,熊建江,赵培峰. 塑性工程学报. 2015(03)
[3]厚壁管温热缩口与管壁增厚的数值模拟研究[J]. 张亚,徐春国,任广升,任伟伟,郭永强,陈钰金,郑建,万松. 精密成形工程. 2014(04)
[4]预成形管坯压制成形汽车桥壳的变形分析[J]. 王连东,杨东峰,崔亚平,陈国强. 中国机械工程. 2013(19)
[5]附加前盖对汽车桥壳胀-压成形性的影响[J]. 崔亚平,王连东,杨立云,刘超. 中国机械工程. 2013(13)
[6]管件多道次缩径旋压过程的数值模拟与工艺分析[J]. 王华君,鲁建飞,潘巧英,孙世为. 热加工工艺. 2013(13)
[7]汽车桥壳液压胀形工艺的研究及最新进展[J]. 王连东,梁晨,马雷,王建国,杨东峰,崔亚平. 燕山大学学报. 2012(03)
[8]双锥形管液压成形过程中破裂和起皱的力学条件[J]. 苑文婧,刘晓航,田浩彬. 上海第二工业大学学报. 2012(01)
[9]铝合金典型件热介质成形工艺的数值模拟[J]. 郎利辉,蔡高参,刘康宁,刘宝胜,杜平梅. 锻压技术. 2011(06)
[10]内高压成形理论与技术的新进展[J]. 苑世剑,何祝斌,刘钢,王小松,韩聪. 中国有色金属学报. 2011(10)
博士论文
[1]异形截面薄壁焊管内高压成形规律研究[D]. 谢文才.哈尔滨工业大学 2018
[2]难变形金属筒形件热强旋成形机理及工艺参数优化[D]. 王兴坤.华南理工大学 2018
[3]轻合金典型薄壁回转件热旋压数值模拟与试验研究[D]. 李琳琳.吉林大学 2017
[4]Ti-22Al-24.5Nb-0.5Mo板材气胀成形微观组织与形变耦合建模仿真[D]. 武永.哈尔滨工业大学 2017
[5]商用车整体驱动桥壳成形工艺及关键技术研究[D]. 李攀.机械科学研究总院 2017
[6]TA15钛合金薄壁构件热强旋成形及性能强化机理研究[D]. 赵小凯.哈尔滨工业大学 2017
[7]纯钛及钛合金强力旋压损伤演化规律及韧性断裂预测[D]. 马浩.哈尔滨工业大学 2016
[8]中型卡车胀压成形桥壳压制成形工艺研究[D]. 杨东峰.燕山大学 2015
[9]非圆横截面空心零件旋压成形机理研究[D]. 赖周艺.华南理工大学 2012
[10]镁合金管材热态内压成形失稳行为研究[D]. 汤泽军.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]高强钢管缩径旋压成形性能及工艺研究[D]. 杨鑫.华南理工大学 2017
[2]重卡胀压成形桥壳推压拉拔缩径工艺研究[D]. 徐永生.燕山大学 2016
[3]变温度场下管材缩口变形规律及增厚成形工艺研究[D]. 张亚.机械科学研究总院 2015
[4]304不锈钢旋压件机械扩径工艺研究[D]. 徐祺炜.燕山大学 2015
[5]管件电磁缩径成形的有限元分析[D]. 谢宏.吉林大学 2014
[6]管件电磁缩径成形仿真分析及工艺参数设计[D]. 何文治.华中科技大学 2011
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