1、热挤压5a06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化大学论文分类号：TG376 单位代码：101105A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化 刘翠侠 中北大学华北 学 号：s1*中 北 大 学硕 士 学 位 论 文 5A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化 硕士研究生 刘翠侠 指导教师 张治民 教授 学科专业 材料加工工程 2015 年 月 日图书分类号 TG376 密级 非密 UDC 注1 硕 士 学 位 论 文5A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化 刘翠侠(作者姓名)指导教师(姓名、职称) 张治民 教授 申请学位级别 工学硕士 专业名称 材料加工
2、工程 论文提交日期 2015 年 月 日论文答辩日期 2015 年 月 日学位授予日期 2015 年 月 日论文评阅人 教授 副教授 答辩委员会主席 教授 2015 年 月 日注1：注明国际十进分类法UDC的分类原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校
3、有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签 名： 日期： 导师签名： 日期： 5A06铝合金薄板高筋构件挤压成形缺陷分析及工艺优化摘 要本文所研究的铝合金大型薄板高筋零件是某产品上的重要部件，该零件属于形状复杂、体积分配不均匀且截面积不对称的构件。在室温和高温条件下，其尺寸精度及机械性能均要求较高。对此类零件，目前国内常采用对预变形的毛坯直接进行机械加工的方式制造。但这种方式材料
4、利用率低、生产周期长、投入成本高、良品率比较低。而锻造可以改善工件的微观组织结构，提高材料利用率，同时提高工件的机械性能，针对此薄板高筋零件的特殊服役环境，本文采用等温挤压成形方法实现其整体成形。（1）结合零件结构特点，对其挤压成形性进行分析并确定合理的挤压件图。初步制定其等温挤压成形工艺方案，本文采用UG软件建立几何模型，然后将其转化为模拟过程中的刚塑性有限元模型，运用有限元模拟软件MSC/ superform对其进行研究。（2）通过运用有限元模拟软件对初步制定的成形工艺方案进行数值模拟，模拟结果表明挤压件在成形过程中出现了折叠、缩孔及充填不满的缺陷，然后对挤压件缺陷的产生机理进行了详细分析
5、。结合缺陷产生的机理，提出了通过模具结构的逐步优化克服各类缺陷以得到最佳成形工艺方案，针对各方案出现的不同的问题提出了不同的解决方法，并通过有限元模拟加以验证，最终获得合理的成形工艺方案。（3）对得到的最佳等温挤压成形工艺方案，进行模具设计及工艺参数的优化。所优化的工艺参数包括挤压温度、挤压速度及摩擦系数。通过有限元模拟，得出各个参数对成形载荷、等效应力及等效应变的影响规律，以此为判据，最终确定最佳工艺参数。（4）根据上述的研究，对5A06铝合金薄板高筋构件进行试验研究。本文通过对此5A06铝合金大型薄板高筋构件的等温挤压成形工艺方案的研究，制定了合理的成形工艺方案，可以大大缩短产品的研发周期
6、，同时达到了提高材料利用率、提高零件的综合性能、降低成本的目的。对此类零件的成形工艺方案的制定具有一定的参考作用。关键词：铝合金，薄板高筋构件，等温挤压成形，数值模拟The extrusion defects analysis and process optimization of the parts with high web and thin plate of 5A06 aluminum alloyAbstractThe aluminum alloy large part with high web and thin plate researched in this paper is an
7、 important part of a certain product, whose characteristic includesthecomplex shape, size distribution non-uniform and asymmetric cross-sectional area. But there are strict and high requirements on its size precision mechanical properties at room temperature or high temperature conditions. At presen
8、t, these parts are often obtained through machining of the pre-deformation roughs directly in domestic, but this method are often along with low material utilization rate, long production cycle, high input costs and low rate of good product. However, through the method of forging, the microstructure
9、 of the workpiece can be improved and the material utilization rate is also improved. In addition, the mechanical properties of the workpiece can be improved too. For the special service environment of theparts with high web and thin plate, this paper chooses isothermal extrusion method to achieve i
10、ts integral forming.（1）Combined with the structural characteristics of the part, the extrusion formability was analyzed and a reasonable extrusion part figure was developed. The initial isothermal extrusion forming process program was developed. In this paper, the three-dimensional modeling tool UG
11、was used to establish geometric models, which were converted to rigid-plastic finite element model of simulation process. The finite element simulation software MSC / superform was also adopted to do the research.（2）The simulation of the initial forming process program by the finite element simulati
12、on software showed that there were folded, shrinkage and filling discontent defects occurring in the extrusion part during the forming process. Then the generating mechanism of defects were analysed in detail. Combined with the generating mechanism of defects, the mold of overcoming the defects by o
13、ptimizing the die structure gradually was proposed to achieve the best forming process program of this part. Different programs were proposed for different problems and were verified through finite element simulation, ultimately coming to a reasonable forming process program.（3）The mold was designed
14、 and the process parameters which included extrusion temperature, extrusion speed and friction coefficient were optimized for the obtained isothermal extrusion program. By finite element simulation, the influence of each parameter on forming load, equivalent stress and equivalent strain was obtained
15、, which was as a criterion to determine the best process parameters.（4）According to the study above, the experimental trial for 5A06 aluminumpart with high web and thin plate was conducted.Through the research on isothermal extrusion program of the this large 5A06 aluminum part with high web and thi
16、n plate, the reasonable isothermal extrusion process program was obtained at last, which could greatly short the product development cycle, improve material utilization, improve the comprehensive properties of the parts and reduce cost and also had a certain reference on development of the forming p
17、rocess of such parts.Keywords：aluminum alloy, parts with high web and thin plate, isothermal extrusion, numerical simulation目 录第一章 绪 论 11.1 课题的研究背景 11.2 铝合金特性及研究进展 21.2.1 铝及铝合金的特性及分类编号 21.2.2 铝合金的国外研究进展 51.2.3 铝合金的国内研究进展 61.3 铝合金精密成形技术发展及应用现状 71.3.1 精密成形技术研究现状及发展趋势 71.3.2 铝合金挤压技术在国内外的研究现状 91.4 铝合金筋板
18、成形工艺研究现状 111.5 课题研究目的及意义 131.6 本课题主要研究内容 13第二章 薄板高筋零件挤压成形性分析 152.1 引言 152.2 5A06 铝合金材料的介绍 152.3 薄板高筋零件结构难度的挤压性分析 162.4 成形工艺方案的初步确定 172.4.1 工艺方案的制定 172.4.2 挤压件图的制定 182.5本章小结 19第三章 薄板高筋零件初步成形工艺方案的数值模拟 203.1 有限元模拟技术的发展概况 203.1.1 有限元法的基本原理及分析步骤 213.1.2 有限元模拟技术在塑性成形中的应用 223.1.3 有限元模拟软件MSC/superform简介 233
19、.2 初步成形工艺方案的数值模拟 243.2.1 三维造型及有限元模型的建立 243.2.2 成形方案模拟结果与分析 263.3 缺陷产生机理分析 303.3.1 缩孔缺陷分析 303.3.2 充填不满缺陷 313.3.3 折叠缺陷 313.4 优化方案的确定 323.4.1 优化方案的提出 323.4.2 优化方案的对比选择 333.5 本章小结 34第四章 零件优化成形方案的数值模拟 354.1 模具优化设计思路的提出 354.2 模具结构优化设计思路的模拟验证 364.2.1 具体优化方案的制定 364.2.2 优化方案的模拟验证 364.3 成形方案的进一步优化 374.3.1 方案三
20、的制定及数值模拟 374.3.2 方案四的制定及数值模拟 404.4 成形方案的最终优化 424.4.1 方案五的制定 424.4.2 坯料体积和尺寸的确定 424.4.3 方案五的模拟结果及分析 434.5 本章小结 44第五章 工艺参数的优化及模具结构设计 465.1 挤压成形工艺参数优化 465.1.1 挤压温度的优化 465.1.2 挤压速度的优化 505.1.3 摩擦系数的优化 525.2 模具设计 555.3 小结 58第六章 薄板高筋零件等温挤压成形试验研究 596.1 试验条件 596.1.1 试验材料 596.1.2 试验设备 596.1.3 加热条件 606.1.4 试验用
21、润滑剂 606.2 实验过程 606.2.1 下料 606.2.2 等温挤压成形过程 616.3 成形实验结果 616.4 本章小结 62结论 63参考文献 64攻读硕士学位期间发表的论文 68致 谢 1第一章 绪 论1.1 课题的研究背景 近年来，在我国制造业尤其是机械工业得到了迅速的发展。在机械、兵器、航空及航天等各个领域，大部分零件不仅工作条件苛刻而且受力情况比较复杂，除尺寸精度要求高外，更要求具备良好的机械性能，不能存在裂纹、夹杂物、气孔等缺陷。这为近净成形技术提供了广阔的发展平台。面对日益激烈的国际化竞争，如何在较低成本、低能耗的基础上实现机械装备及其零部件的设计与制造，并且仍然保持
22、较高的精度与性能，己成为我国工业化发展的研究重点。传统的机械切削加工方式，不仅材料利用率和生产效率低，而且机械性能也由于金属流线在机加过程中被破坏而受到影响。塑性加工技术的不断革新使得精密塑性成形技术成为先进制造技术的重要组成部分，而塑性加工理论的逐步完善和工艺装备技术的不断更新，为该技术的发展奠定了良好的基础1。随着能源和环境问题的日益尖锐，环境保护和能源节约受到人们越来越多的重视与关注，二十一世纪的塑性加工产品逐渐向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的研究方向发展。铝合金凭借其自身优越性越来越广泛地应用在工业生产的各个领域，塑性精密成形技术生产出的产品精度高，生产周期短。这既节省了原材料，又
23、得到了性能优异符合二十一世纪对塑性加工要求的产品。目前生产的发展，除了满足上述要求外，更迫切地是要解决复杂形状工件的成形问题，对于不同形状的工件其加工方法也有所不同。近年来，伴随着经济以及其它相关产业的迅速发展，塑性加工工业也获得了空前的发展，一些新工艺、新技术、新设备相继得到开发。随着各种新型方法的应用，铝合金工件在当代制造业中将发挥越来越大的作用2-3。薄板高筋类构件作为一类典型的形状复杂构件，在飞机、雷达卫星及导弹等装备中具有广泛的应用，但由于筋板件往往都具有高筋、薄壁等特点，这使其加工存在较多的困难。目前，此类零件的常见加工方法是先经过锻造或轧制生产出毛坯，再对毛坯进行机械加工来生产。
24、但机械加工时筋板件上最关键的凸台区域成形往往是分层铣削出来的，因而金属流线在机械加工过程中被切断，这大大降低了零件的使用性能。而采用传统的锻造成形工艺，坯料很可能会产生充填不满、金属流线折断、穿筋等诸多的缺陷，对设备吨位的要求很高，这使得其生产成本高。本文以5A06铝合金薄板高筋构件为研究对象，该零件是非轴对称的筋板类结构件，且其外形结构复杂，本文结合其外形结构特点，对其等温挤压成形工艺方案进行了研究。针对该零件在成形过程中存在的缺陷，通过对模具结构进行优化，最终制定出了合理的成形工艺方案。此外，本文对其进行了模具设计及成形工艺参数优化，并对此薄板高筋构件进行试验研究。1.2 铝合金特性及研究
25、进展1.2.1 铝及铝合金的特性及分类编号铝，作为一种轻型金属，在地壳的分布十分广泛，平均含量为8.8%，是钢铁蕴藏量的一倍多。铝元素最开始是由1825年丹麦的物理学家H.C.奥尔斯德（H.C.Oersted）发现的，他在使用钾汞齐与氯化铝相互作用获得了铝汞齐，之后再用蒸馏法去掉汞，他第一次制得了金属铝4-5。纯铝的最大特点是密度很小，仅为 2.72g/cm3，熔点低（660），强度低（b=80MPa），塑性高（=80%），沸点为 2327 。铝具有面心立方点阵结构，且没有同素异构转变，有较高的可塑性，纯铝相对很软，强度不是很大，具有优越的延展性，用压力加工时容易成形，此外还具有良好的导电性和
26、导热性。铝在潮湿空气中能自己形成一层性能稳定的氧化膜，可以防止金属腐蚀，因而铝在空气以及其他介质中具有良好的耐腐蚀性能，而且其纯度越高耐蚀性能就越好。铝粉在空气中加热时，可以猛烈地燃烧。铝还易溶于一些酸和碱的溶液，但不溶于水5。由于纯铝的强度和硬度都比较低，不能用来制造具有承载作用的主要机械零件，随着全球经济的快速发展，现代工业对零件强度的要求不断提高，纯性铝也就越发不能满足现代工业的需求，于是人们逐渐寻求其他方法来强化铝，逐渐开发了铝合金，即向铝中加入某些元素后就构成铝合金。常用于加入铝中来构成铝合金的合金元素主要有Si、Mg、Cu、Mn、Zn等。这些元素在Al中不仅可以形成Al基有限固溶体
27、，而且其中大部分可以与Al形成二元或三元共晶类型相图。通过这种方法获得的铝合金既可以保持纯铝的各类优点，又能够获得较高的强度。除此之外，铝合金还具备了良好的弹性、抗冲击及耐磨性能、高导电导热、以及较高的回收再生性能等6。依据铝合金的成分、组织及工艺等方面的特点，能够将铝合金分为铸造铝合金、变形铝合金两大类。它们的理论分界线即为共晶温度下饱和固溶体的极限溶解度。所谓铸造铝合金即为熔融的合金通过直接浇铸而成为形状复杂、甚至是薄壁的成形件，其对合金的要求较高，要求合金要具备良好的流动性。而变形铝合金则是将铝合金铸锭通过压力加工，将铝合金铸锭制成半成品或模锻件，所以它对铝合金的要求是铝合金要具备良好的
28、塑性变形能力。当变形铝合金受热时，将呈现单相固溶体状态，此时合金不仅塑性好，而且更适合压力加工。此外，通过冷变形和热处理，可以使铝合金的强度得到进一步的提高。变形铝合金还可分为可热处理强化铝合金及不可热处理强化铝合金，它们的理论分界线即为室温下饱和固溶体的极限溶解度，变形铝合金、铸造铝合金及热处理可强化合金在相图上的成分范围如图1.1所示7。图1.1 铝合金分类示意图Fig.1.1 The schematic diagram of aluminum classification依据国家标准GB/T16474-1996的相关规定，变形铝及铝合金能够直接引用国际四位数字体系的牌号。未命名为国际四位
29、数字体系牌号的变形铝及铝合金，可以采用四位数字符牌号命名。两种编号方法的第一位都是阿拉伯数字，其代表铝与铝合金的组别。1表示铝含量达到99.00% 及以上的纯铝；2、3、4、5分别代表组成元素以Cu、Mn、Si、Mg为主的铝合金；6代表组成元素以Mg和Si为主，并以Mg2Si相为强化相的铝合金；7表示组成元素以Zn为主的铝合金。两种编号方法的第二位均表示原始合金的改型情况，其中国际四位数体系牌号的第二位为阿拉伯数字，0表示原始合金；四位字符牌号的第二位为大写的英文字母，A则表示原始合金。两种编号方法的最后两位也都为阿拉伯数字，没有什么特别的意义，只是用来区分同一组中的不同铝合金。例如，5A06
30、表示6号Al-Mg系变形铝合金，2A14表示14号Al-Cu系变形铝合金。依据被加入的主要合金元素的不同，铸造铝合金又被分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四大类，其代号分别用ZL1、ZL2、ZL3和ZL4加两位数字的顺序号来表示，其中ZL分别为“铸”“铝”拼音的首字母。如ZL101代表的是1号铝硅系的铸造合金，ZL202代表的是2号铝铜系的铸造铝合金，以此类推7。表1.1为铝合金的分类及性能特点。表1.1 铝合金的分类及性能特点Table 1.1 The classification and performance characteristics of aluminum
31、 alloy 分类合金名称合金系性能特点编号举例铸造铝合金简单铝硅合金Al-Si铸造性能好，不能热处理强化，力学性能较低ZL102特殊铝硅合金Al-Si-Mg铸造性能好，能热处理强化，力学性能较高ZL101Al-Si-CuZL107Al-Si-Mg-CuZL105、ZL110Al-Si-Mg-Cu-NiZL109铝铜铸造合金Al-Cu耐热性好，铸造性能与耐蚀性差ZL201铝镁铸造和金Al-Mg力学性能高，耐蚀性好ZL301铝锌铸造和金Al-Zn能自动淬火，宜于压铸ZL401铝稀土铸造和金Al-Re耐热性能好变形铝合金不可热处理强化铝合金防 锈 铝Al-Mn耐蚀性、压力加工性与焊接性能好，但强度较低3A21(LF21)Al-Mg5A05(LF5)可热处理强化铝合金硬 铝Al-Cu-Mg力学性能高2A11(LY11)超 硬 铝Al-Cu-Mg-Zn室温强度较高7A04(LC4)锻 铝Al-Mg-Si-Cu锻造性能好 2A50(LD5)、 2A14(LD10)Al-Cu-Mg-Fe-Ni耐热性能好 2A80(LD8)、 2A70(LD7)
