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AZ31镁合金航空仪表盘快速塑性成形工艺研究

作　者: 张拓达
导　师: 崔令江
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: AZ31镁合金快速塑性成形仪表盘
分类号: V241.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 85次
引　用: 4次
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内容摘要

镁合金以其优异的性能在各行各业应用日益广泛。受制于密排六方晶格结构，镁合金常温塑性变形能力较差，热加工是提高镁合金成形性能的主要手段。气压成形工艺简单、成形效果好，但成形效率低，因此提高此工艺成形效率十分必要。本文基于此目的，通过对镁合金仪表盘毛坯零件的快速塑性成形研究，研究AZ31镁合金在较高应变速率下的气压成形能力。通过对细晶AZ31镁合金轧制板材进行单向热拉伸，测量与快速塑性成形相关的材料参数，比较不同温度及变形速率下材料延伸率及流变应力大小，分析断裂形式，找出最优成形温度及变形速率。结果表明：随变形温度升高，材料变形抗力下降，延伸率增大。随变形速率增大，材料变形抗力提高，延伸率下降。在400℃时，较高应变速率下材料仍具有超塑性。较低应变速率下，随温度升高，材料断裂形式由韧窝聚集型断裂开始向晶间断裂形式转变。在不同温度及气压条件下进行半球件自由胀形，测量板料在双向拉应力状态下变形极限。分析胀形参数对半球件壁厚分布的影响。观察材料变形前后金相组织及断口电子扫描照片，发现变形温度、变形量和应变速率对微观组织演变的影响规律。晶粒尺寸随变形温度升高而增大，当变形量达到一定量时，板料内部出现再结晶组织，平均晶粒尺寸减小。变形过程中材料内部出现空洞，空洞扩展聚集造成材料破裂。空洞在晶界交叉处出现并长大，其扩散长大机制为扩散及应变控制成长机制。利用MARC有限元分析软件分析了应变速率敏感性指数、摩擦系数和胀形气压对航空仪表盘快速塑性成形的影响，确定优化的成形气压加载路径。数值模拟结果显示板料变形过程中材料初始应变速率最大，此时板料易因为变形速率过大出现局部减薄过度从而在直边凹模入口圆角附近发生破裂。成形后板料在仪表盘四个圆角区域变形量最大，当成形压力过大或成形时间过长时，此处板料会由于变形量过大而破裂。使用1.5mm厚AZ31镁合金板进行了航空仪表盘的快速塑性成形实验，实验证明在400℃时能够在5min以内完成仪表盘毛坯成形，圆角小于规定尺寸，零件尺寸及壁厚符合要求，材料力学性能无大幅度下降，满足实际使用条件。实际成形时，成形气压加载路径必须在一定范围内，才能成形出合格的仪表盘毛坯。可通过改变密封圈形状、对板料进行预变形、在成形过程中施加背向气压、合理设计模具尺寸及改善模具润滑条件来优化镁合金仪表盘的快速塑性成形工艺。这些手段都可以提高成形性能，使厚度分布更均匀，减小板料减薄率。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-26
  1.1 镁及镁合金工业应用发展  12-16
    1.1.1 镁合金工业应用历程  12-13
    1.1.2 镁合金在各领域的应用  13-16
  1.2 金属镁及其合金的特点  16-18
    1.2.1 优异的力学性能  16
    1.2.2 良好的消震性能  16-17
    1.2.3 良好的加工性能  17
    1.2.4 绿色环保  17-18
  1.3 镁合金变形机理  18-19
    1.3.1 镁合金常温变形机理  18
    1.3.2 镁合金高温变形机理  18-19
    1.3.3 镁合金常用加工方式  19
  1.4 镁合金板材高温气压成形  19-24
    1.4.1 镁合金板材超塑性成形  20-21
    1.4.2 镁合金快速塑性成形  21-23
    1.4.3 快速塑性成形工艺特点和关键技术  23-24
    1.4.4 快速塑性成形工艺流程  24
  1.5 课题意义及主要研究内容  24-26
第2章试验材料和方法  26-34
  2.1 引言  26
  2.2 试验选材  26
  2.3 试验流程  26-33
    2.3.1 单向热拉伸试验  26-27
    2.3.2 半球件胀形实验  27-28
    2.3.3 成形模具设计  28-31
    2.3.4 仪表盘成形  31
    2.3.5 组织演变分析  31-32
    2.3.6 成形件力学性能测试  32-33
  2.4 本章小结  33-34
第3章板材力学性能实验及组织分析  34-56
  3.1 引言  34
  3.2 热拉伸性能研究  34-41
    3.2.1 拉伸试验  34-36
    3.2.2 真应力- 真应变曲线  36-38
    3.2.3 温度对材料力学性能的影响  38-39
    3.2.4 应变速率对材料力学性能的影响  39
    3.2.5 材料参数的测量  39-41
  3.3 自由胀形实验  41-44
    3.3.1 温度和气压对胀形高度的影响  43
    3.3.2 壁厚分布规律  43-44
  3.4 板料变形的断裂行为分析  44-48
    3.4.1 单向热拉伸断裂分析  44-47
    3.4.2 胀形过程中的破裂形式  47-48
  3.5 组织演变  48-51
    3.5.1 加热及保温时间对组织的影响  48-49
    3.5.2 变形温度对板材组织的影响  49-50
    3.5.3 变形量对板材组织的影响  50-51
  3.6 变形过程中空洞分析  51-54
    3.6.1 空洞的变化过程及影响因素  51-52
    3.6.2 胀形过程中空洞的变化  52-54
    3.6.3 空洞尺寸及数量的控制  54
  3.7 本章小结  54-56
第4章 AZ31 板快速塑性成形过程有限元模拟  56-68
  4.1 引言  56
  4.2 MSC.MARC 软件介绍  56-57
  4.3 镁合金气压成形过程本构方程  57-58
  4.4 不同参数对成形结果的影响  58-62
    4.4.1 m 值大小的影响  58-61
    4.4.2 摩擦系数的影响  61-62
  4.5 仪表盘成形模拟  62-67
    4.5.1 建模及参数设置  63-64
    4.5.2 成形过程中板料变化规律  64-65
    4.5.3 加载路径的影响  65-67
  4.6 本章小结  67-68
第5章镁合金仪表盘快速塑性成形  68-80
  5.1 引言  68
  5.2 成形气压的选择  68-71
    5.2.1 初始气压的影响  68-69
    5.2.2 最终成形气压的选择  69-70
    5.2.3 成形气压的加载形式  70-71
  5.3 实际成形气压加载曲线  71-75
  5.4 与超塑性成形工艺对比  75-76
  5.5 板料的断裂形式及原因  76-78
    5.5.1 板料的破裂形式  76
    5.5.2 应变速率过大引起破裂  76
    5.5.3 摩擦力引起材料分布不均  76-77
    5.5.4 引起破裂的其它因素  77-78
  5.6 成形件力学性能  78-79
  5.7 本章小结  79-80
第6章航空仪表盘快速塑性成形工艺改进  80-87
  6.1 引言  80
  6.2 改进工艺所采用的手段  80
    6.2.1 改善易破裂变形区的变形情况  80
    6.2.2 优化工艺参数及条件  80
  6.3 改进工艺的具体方法  80-86
    6.3.1 优化密封圈形状  81-82
    6.3.2 预变形板料  82-85
    6.3.3 施加背压  85
    6.3.4 调整模具参数  85-86
  6.4 本章小结  86-87
结论  87-89
参考文献  89-96
致谢  96

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