航天超大异形截面铝合金环件稳定轧制与近净成形方法研究

作     者：刘吉康 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓加东

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：超大型环件 异形截面环件 铝合金环件 稳定轧制 近净成形 

摘      要：超大异形截面铝合金环件在航天运载装备中有着重要应用,如运载火箭燃料储箱过渡环,这类环件具有超大尺寸和异形截面的特点,属于结构难成形环件,此外,铝合金材料变形温度区间窄,轧制工艺相比钢件更加复杂。目前,针对超大异形截面铝合金环件,主要采用环件轧制工艺成形矩形截面锻件,然后通过大量切削加工获得异形截面轮廓,这种制造方式不仅材料利用率和加工效率低,而且环件的金属流线完整性被破坏,力学性能被削弱。近净轧制成形是该类环件高性能制造的重要发展趋势,但是超大异形截面铝合金环件近净轧制过程尺寸变化大、截面轮廓复杂,且铝合金材料强度较低,造成轧制过程稳定性控制难和异形截面轮廓成形难。因此,本课题针对超大异形截面铝合金环件稳定轧制条件和近净轧制成形方法开展研究。针对超大异形截面铝合金环件轧制过程稳定性控制难的问题,本文首先通过有限元模拟的手段揭示了导向机构参数对环件轧制稳定性影响规律,提出了最佳导向机构参数范围来保证环件轧制过程中的运动稳定;为了防止轧制过程中因导向力过大而引起环件发生塑性失稳,本文通过理论解析提出了超大异形截面铝合金环件刚性稳定数学模型,得到了超大异形截面铝合金环件轧制失稳判据,通过有限元模拟和物理实验进行了模型有效性的验证。该理论模型为超大异形截面铝合金环件稳定轧制过程的导向力控制提供了理论依据。针对超大异形截面铝合金环件近净轧制截面轮廓成形难的问题,本文通过有限元模拟、理论解析的手段揭示了超大异形截面铝合金环件轧制过程中环件几何尺寸参数演变规律,提出了超大异形截面铝合金环件几何演变理论模型和超大异形截面铝合金环件环坯优化设计方法。基于上述研究结果,结合铝合金材料热变形特点,进行轧制过程各火次的环件尺寸参数设计和稳定轧制导向力设计。通过有限元模拟,对超大异形截面铝合金环件近净轧制过程进行了仿真分析,揭示了该技术方案下环件温度场、应变场、轧制力能等变化规律,说明了超大异形截面铝合金环件近净轧制成形的可行性。通过上述研究,本课题建立了超大异形截面铝合金环件稳定轧制条件和近净轧制成形方法,研究结果丰富了超大异形截面环件轧制理论,能够为我国航天运载装备用超大异形截面铝合金环件高性能制造提供理论和技术支撑。