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异形环件轧制成形的材料流动与表面缺陷控制技术研究

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异形环件轧制成形的材料流动与表面缺陷控制技术研究

作者：洪意飞重庆大学

学位级别：硕士

环件轧制是利用环轧设备使环形坯料的壁厚减小、直径扩大,并最终得到所需截面轮廓环形件的一种局部、连续塑性成形工艺。目前,对于具有简单矩形截面形状的环件轧制研究已较多,但对于异形截面的环件,由于复杂的非线性变形导致了大量不确... 详细信息

环件轧制是利用环轧设备使环形坯料的壁厚减小、直径扩大,并最终得到所需截面轮廓环形件的一种局部、连续塑性成形工艺。目前,对于具有简单矩形截面形状的环件轧制研究已较多,但对于异形截面的环件,由于复杂的非线性变形导致了大量不确定性,实际生产质量还难以满足要求,需要开展进一步的研究。本文研究对象为某难变形合金(TC4)机匣环件,主要分析了异形截面环件轧制的工艺和缺陷控制。以环件表面材料流动行为对轧制质量的影响为出发点,探讨了轧制参数、轧辊形态对材料流动的影响,分析了典型表面缺陷产生的原因;为减少环件表面缺陷的产生,提出了一种可减小异形环件环轧表面材料流动速度差的分体式芯辊结构。主要结论如下:(1)基于有限元模拟并结合正交分析、极差分析方法,优化了TC4异形机匣环件的轧制工艺参数,发现驱动辊直径d和芯辊进给速度v对环件表面材料流动的影响最大;轧制参数对环件不同部位的材料流动的影响程度不同,驱动辊转速n和芯辊进给速度v对环件形状尺寸的影响最大。(2)随着芯辊进给速度v和驱动辊摩擦m增大,材料流动速度差值呈减小趋势。驱动辊转速n和直径d增加,环件表面材料流动速度差值增大。从追踪点看,环件材料在轴向中部发生了相对滞后现象。锥辊锥角和摩擦对环件端面材料流动的影响较小。带入优化轧制参数后,材料流动速度差减小、变形更加均匀,有利于减少环件表面流线纹和裂纹缺陷。(3)分体式芯辊结构可减小环件内表面材料流动速度差,且随环形芯辊片数量增加,速度差值呈减小趋势。因此,有利于环件轧制过程中材料均匀流动,减少轧制环件流线纹和裂纹缺陷的产生。(4)不同异形环件表面均存在材料流动速度差,环件形状不同,环件表面的速度差对环件轧制成形的影响程度不同。(5)实际轧制生产获得的TC4机匣环件,形状尺寸、微观组织性能检测合格,表面无明显缺陷,证明设计的工艺方案是合理的。

关键词：异形环件轧制 TC4 数值模拟分析材料流动参数优化

铜铝搅拌摩擦焊对接接头组织性能及塑性材料流动特征研究

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铜铝搅拌摩擦焊对接接头组织性能及塑性材料流动特征研究

作者：雷炳育江苏科技大学

学位级别：硕士

在电力、电气、电子等领域,铜和铝金属都是得到广泛应用的导体材料,然而,由于铜铝接头具有连接强度高、耐腐蚀、美观等优点,铜和铝之间通常采用铜铝接头进行过渡连接。搅拌摩擦焊作为固相焊接方法,能够实现异种金属连接,对于铜铝接头的... 详细信息

在电力、电气、电子等领域,铜和铝金属都是得到广泛应用的导体材料,然而,由于铜铝接头具有连接强度高、耐腐蚀、美观等优点,铜和铝之间通常采用铜铝接头进行过渡连接。搅拌摩擦焊作为固相焊接方法,能够实现异种金属连接,对于铜铝接头的制备具有很大的应用前景。本文选用4mm板厚的T2纯铜和1060纯铝作为研究对象进行搅拌摩擦焊对接焊,探索铜铝接头组织结构特征和物相成分,研究焊接参数与搅拌头轴肩直径大小对焊缝表面成形、力学性能、电化学腐蚀性能的影响规律,同时,通过接头形貌观察实验和数值模拟方法深入探索铜铝接头金属的流动行为。合理搭配搅拌头旋转速度和焊接速度,可以获得焊缝表面成形质量较好的铜铝接头。铜铝接头区域内,轴肩影响区和焊核区内组织晶粒细小而均匀;铜侧和铝侧的热机影响区内组织晶粒也较小;铝侧热影响区的范围窄,晶粒较大,铜侧热影响区内晶粒没有明显的长大现象。铜铝接头中存在金属间化合物相CuAl和Cu9Al,相成分的类型不随焊接参数发生变化。焊接热输入较小时获得的铜铝接头在拉伸试验中表现为脆性断裂,增加搅拌头旋转速度或者减小焊接速度,接头抗拉强度升高。焊接热输入较大时获得的铜铝接头在拉伸试验中的断裂方式转变为塑性断裂,继续增加焊接热输入,接头抗拉强度小幅度下降。搅拌头轴肩直径20mm、旋转速度800rpm、焊接速度50mm/min的焊接参数为本研究的最佳参数,最佳参数下的铜铝接头抗拉强度达116.4MPa,为铝母材抗拉强度的82.6%,而且焊缝表面成形较为平整。增加搅拌头旋转速度或减小焊接速度,铜铝接头的自腐蚀电位呈下降趋势。但是,铜铝接头的腐蚀电流与焊接参数没有直接联系。轴肩作用区内金属流动强度最高,大量铜金属越过对接线进入铝侧;焊核区内,铜金属受铝金属挤压往接头底部迁移,区域内只存在少量铜金属;搅拌针底面作用区内,铜金属也能越过对接线进入铝侧,但金属流动强度较低,而且金属流动行为极不稳定。同时建立了三维流体模型,进行FLUENT模拟,模拟结果显示,轴肩作用区内金属流动强度高,金属混合区为规则的均匀过渡区,范围较大;焊核区内,铝金属在搅拌针前方被分流,部分铝金属进入前进侧,挤压铜金属往接头底部迁移;搅拌针底面作用区内,金属流动强度较低,铜铝混合区范围较小。数值模拟结果与实验结果总结的流体流动规律基本吻合。

关键词：铜铝接头搅拌摩擦焊力学性能电化学腐蚀性能材料流动

ZK60镁合金双轴肩搅拌摩擦焊材料流动及接头组织性能研究

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ZK60镁合金双轴肩搅拌摩擦焊材料流动及接头组织性能研究

作者：张海峰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

ZK60镁合金作为轻质、高强变形镁合金,在电子通讯、轨道交通和航空航天领域有着广泛的应用前景。双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding)作为常规搅拌摩擦焊接技术的一种改良,不仅能够解决镁合金在传统熔化焊连接过程中... 详细信息

ZK60镁合金作为轻质、高强变形镁合金,在电子通讯、轨道交通和航空航天领域有着广泛的应用前景。双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding)作为常规搅拌摩擦焊接技术的一种改良,不仅能够解决镁合金在传统熔化焊连接过程中容易出现的热裂纹、气孔、氧化物夹杂以及冶金元素烧损等问题,还消除了普通搅拌摩擦焊在中厚板焊接时出现的未焊透缺陷;此外,下轴肩的引入可以使双轴肩搅拌摩擦焊技术应用到中空及空间无支持型结构的焊接。本文对4mm厚ZK60镁合金进行双轴肩搅拌摩擦焊接试验,结合数值模拟手段进行适合于镁合金双轴肩搅拌头的优化设计,系统地探究了搅拌针结构对于被焊工件温度场分布以及塑性金属流动状态的调控机制;研究了工艺参数对于接头焊缝成形、材料流动行为的影响规律。通过开展工艺试验,分析了ZK60镁合金双轴肩搅拌摩擦焊接接头组织的区域特征,以及不同工艺参数对于焊缝成形、接头微观组织演变与力学性能的影响,并且揭示了典型参数下接头的断裂机理。本研究为获得优质的ZK60镁合金焊接接头工艺规范、满足其工程应用奠定了基础。针对ZK60镁合金进行双轴肩搅拌摩擦焊材料流动行为的研究,建立了该过程的数值计算模型,得到特征点的热循环曲线与焊接实测结果基本吻合。通过模拟焊具优化设计,发现圆台+铣三平面形搅拌针的产热要高于柱形搅拌针和圆台形搅拌针产热,并且该搅拌头使得焊接过程中前进侧搅拌头后方材料流动加强,减薄量更小。接头流场显示:在250mm/min、300mm/min等较低焊速下,该搅拌头所焊接头焊缝成形良好,无沟槽、未焊合等缺陷。双轴肩搅拌摩擦焊接头截面的宏观形貌呈“哑铃状”,并按显微组织的不同分为焊核区、热机影响区、热影响区和母材四个区域。焊核区晶粒组织发生连续动态再结晶,等轴晶粒尺寸随焊接速度的增大而减小。热机影响区表现为变形的拉长晶粒以及部分等轴晶。热影响区和母材为粗大的板条状轧制组织,热影响区晶粒尺寸随焊接速度的增大有所减小。接头焊核区向母材的依次过渡当中,区域组织的塑性变形程度依次降低,晶粒内位错和小角度晶界的含量逐渐增多,基体内沉淀相的平均尺寸变大;晶粒取向趋于更加明显的排布,织构的最大极密度依次增大。ZK60镁合金双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微硬度呈“上凸”形分布,焊核区域硬度值最高,硬度分布主要受到细晶强化和沉淀相固溶、析出的影响。在不同的焊接速度下,接头的抗拉强度与延伸率均呈现先增大后减小的变化趋势,接头拉伸强度在300 mm/min时达到最大值,为195MPa,接头延伸率在350mm/min时达到最大值9.71%,为母材的64.7%。断裂位置均位于接头前进侧临近热机影响区。微观断口表明,存在缺陷的接头在孔洞缺陷处萌生裂纹,接头呈现仍韧混合断裂模式,无缺陷的接头呈现韧性断裂模式。

关键词：镁合金双轴肩搅拌摩擦焊材料流动微观组织力学性能

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齿轮轴向滚轧成形材料流动机理与实验研究

齿轮轴向滚轧成形材料流动机理与实验研究

作者：王宇重庆大学

学位级别：硕士

齿轮轴向滚轧作为一种新型齿轮成形方法,既能克服切削加工存在的材料利用率低、轮齿疲劳寿命低等缺陷,又能避免挤压、锻造存在的脱模困难、模具寿命低等问题,能够满足齿轮高效、精密的生产要求。但国内外针对齿轮轴向滚轧的研究较少,材... 详细信息

齿轮轴向滚轧作为一种新型齿轮成形方法,既能克服切削加工存在的材料利用率低、轮齿疲劳寿命低等缺陷,又能避免挤压、锻造存在的脱模困难、模具寿命低等问题,能够满足齿轮高效、精密的生产要求。但国内外针对齿轮轴向滚轧的研究较少,材料流动机理尚不清楚,工艺参数选取缺乏科学依据,离工业化应用差距较大。为解决上述问题,本文基于滑移线场理论,对滚轧过程中塑变区材料流动规律进行了研究。利用有限元法深入探究工艺参数对材料流动的影响,并通过齿轮轴向滚轧实验对模拟结果进行验证。主要内容包括:(1)对成形过程中齿坯受力进行分析,用图解法建立塑性变形区的滑移线场。并根据滑移线场的速度场理论,对齿坯不同部位材料的流动趋势进行预测,得到不同成形阶段下齿坯塑变区内的材料流动状态。(2)基于有限元对齿坯材料流动过程进行数值模拟,针对有限元软件难以定义工件旋转的问题,提出了以轧轮公转代替齿坯自转的运动学等效模型,并通过坐标变换法验证其正确性。(3)通过分析各阶段中齿坯应变、节点流速等参数变化规律,得到成形轮齿特点。以齿坯应变、材料流速、有效齿高、突耳体积等指标为参照,基于控制变量法分析轴向进给速度、轧轮转速、轧轮与坯料间的摩擦系数对材料流动的影响规律。(4)利用自行搭建的齿轮滚轧实验平台对材料流动规律进行验证。为了清晰地展现材料流动过程,采用“网格法”追踪齿坯材料运动轨迹,并将变形后网格与有限元结果进行对比。

关键词：齿轮滚轧材料流动工艺参数结果验证

镁合金带内筋筒形件热强旋成形材料流动规律研究

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镁合金带内筋筒形件热强旋成形材料流动规律研究

作者：江鹏华南理工大学

学位级别：硕士

轻量化是目前航空航天、武器装备以及交通运输领域产品发展的重要方向,其不仅对降低产品的自身提出要求,还对构件性能和精度要求越来越高。采用镁合金等轻量化材料和薄壁、带内筋等轻量化结构的结合是实现构件轻量化的重要途径。镁合金... 详细信息

轻量化是目前航空航天、武器装备以及交通运输领域产品发展的重要方向,其不仅对降低产品的自身提出要求,还对构件性能和精度要求越来越高。采用镁合金等轻量化材料和薄壁、带内筋等轻量化结构的结合是实现构件轻量化的重要途径。镁合金在室温下塑性差、难变形,塑性变形主要在加热下进行。镁合金温度敏感性高,旋压成形过程中容易产生各种缺陷,成形质量更加难以控制。此外,材料除轴向和径向流动外,还存在着较大的切向流动,导致成形过程中材料的流动变得极为复杂。因此,开展镁合金带内筋筒形件热强旋成形材料流动规律研究,对于控制相关缺陷的产生、获得成形质量良好的带内筋筒形件具有重要的理论指导及生产实践意义。论文以镁合金带内筋筒形件为研究对象,基于COMSOL软件建立了旋前管坯电磁感应加热模型,通过试验验证了其可靠性,并研究了感应加热参数对管坯温度场分布的影响。结果表明:旋前管坯温度场呈现出外表面温度高、内表面温度低、外表面磁通密度大的总体特征;管坯最大表心温差随着电流频率、电流强度以及线圈匝数的增加而呈现出逐渐增大的趋势,随着线圈与管坯的间距的增大而呈现出逐渐减小的趋势;电流频率相比电流强度,对管坯温度场分布的影响更为显著;最优感应加热参数组合为:I=135A、f=10k Hz、T=300℃、d=2mm。基于ABAQUS建立了镁合金带内筋筒形件热强旋成形热力耦合模型,对成形过程中的多物理场进行了综合分析,探究了筋部、壁部的材料变形特点及流动规律,并研究了材料流动对成形过程的影响。结果表明:摩擦及变形热产生的升温作用强于热交换导致的降温作用。壁部变形大于筋部,壁部材料沿轴向和切向均伸长、沿径向压缩;筋部外层材料变形规律与壁部一致,内层材料沿径向和轴向伸长而沿切向压缩;材料变形呈现出周期性、不均匀性及不对称等特点;内筋的填充主要靠坯料内层材料沿径向的流入,内层材料沿径向流动的趋势由壁部到筋部逐渐增强,沿切向流动的趋势由壁部到筋部逐渐减缓,并且在内筋两侧处产生分流。材料流动容易造成筋高不均匀、筋背凹陷等缺陷产生。基于材料流变特点,研究了内筋结构(内筋形状、内筋个数)及减薄率对材料充填的影响规律。结果表明:相比矩形内筋,梯形内筋倾斜的壁腔更有利于材料沿径向流动充填形成内筋;内筋个数的增加,缩短了材料流动填充筋槽的距离,有利于材料径向填充形成内筋;随着减薄率的增加,平均筋高与减薄量的比值减小,增加相同高度的内筋需要更多填充材料。基于热强旋成形正交试验,利用极差分析和灰色关联度分析法研究了工艺参数对旋压件直线度、圆度、筋背凹陷率、内筋饱和度及筋高不均匀度的影响主次顺序,并得到了最优工艺参数组合。结果表明:各工艺参数对旋压件成形质量的综合影响主次顺序为:内筋个数>管坯壁厚>减薄率>成形温度>进给比,最优工艺参数组合为:N=12、t=8mm、ψ=70%、f=0.4mm/r、T=350℃。

关键词：镁合金感应加热带内筋筒形件热强旋材料流动

螺纹对搅拌摩擦焊接材料流动和接头性能的影响

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金属加工（热加工） 2023年第2期 10-16页

作者：孙震李琰武传松洪新伟山东大学工程训练中心山东济南250002 山东大学材料学院山东济南250061 北京理工大学重庆创新中心重庆500112

为了研究搅拌摩擦焊接过程中搅拌针几何形状对焊接接头质量的影响,采用无螺纹锥形搅拌针和有螺纹锥形搅拌针的搅拌头开展了6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接,并对获得的焊接接头进行了拉伸测试,同时采用纯铜作为对接焊的标记材料,借助CT技... 详细信息

为了研究搅拌摩擦焊接过程中搅拌针几何形状对焊接接头质量的影响,采用无螺纹锥形搅拌针和有螺纹锥形搅拌针的搅拌头开展了6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接,并对获得的焊接接头进行了拉伸测试,同时采用纯铜作为对接焊的标记材料,借助CT技术对焊缝中的标记材料进行了三维重建,分析了使用有、无螺纹锥形搅拌针时焊接过程中的塑性材料流动及其对焊接接头力学性能的影响。结果表明:由于螺纹对工件材料的强制驱动作用,螺纹可以有效提高焊接接头的抗拉强度,螺纹对接头抗拉强度的提高在低热输入时更为明显。使用有螺纹锥形搅拌针时,焊接接头的断后伸长率有了明显提高。螺纹可以有效提高标记材料分布的均匀性,对避免或减小焊接缺陷有非常重要的作用,有助于提高接头的力学性能。

关键词：搅拌摩擦焊搅拌针形状螺纹材料流动接头性能

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行星滚柱冷轧成形材料流动模拟与实验

太原科技大学学报 2022年第3期43卷 220-225页

作者：马自勇王旭罗远新房雪洋张富泉太原科技大学机械工程学院太原030024 重庆大学机械工程学院重庆400044 太原重型机械装备协同创新中心太原030024

为了研究行星滚柱冷轧成形过程中的材料流动行为,首先,根据金属体积不可压缩假设,对差动式行星滚柱丝杠机构(PRSM)的环形滚柱坯件外径尺寸进行了计算与修正;接着,利用有限元软件DEFORM-3D模拟分析了环形滚柱冷轧成形过程中流线网格、径... 详细信息

为了研究行星滚柱冷轧成形过程中的材料流动行为,首先,根据金属体积不可压缩假设,对差动式行星滚柱丝杠机构(PRSM)的环形滚柱坯件外径尺寸进行了计算与修正;接着,利用有限元软件DEFORM-3D模拟分析了环形滚柱冷轧成形过程中流线网格、径向位移以及应力场随压下深度的变化规律;最后,在宝飞螺PR15设备上开展了环形滚柱冷轧成形实验。结果表明,环形滚柱材料流动主要集中在距坯件表面0.45 mm的范围,齿根与齿廓区的材料致密度大于齿顶区;成形齿顶各处材料径向流动位移不一致导致了V型凹槽缺陷;轧轮齿全高对环形滚柱齿顶材料流动影响较大。该研究为差动式PRSM环形滚柱冷轧加工工艺优化与轧轮设计提供了参考依据。

关键词：行星滚柱丝杠环形滚柱冷轧材料流动有限元模拟冷轧实验

超声辅助搅拌摩擦焊接温度场与材料流动数值模拟

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大连交通大学学报 2023年第3期44卷 34-40页

作者：马付建陈绍李锡伟大连交通大学机械工程学院辽宁大连116028

为了研究6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接过程中温度场与焊缝区域材料流动等行为,采用耦合欧拉-拉格朗日方法,考虑超声振动对工件材料属性的影响,建立了6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊热机耦合数值模型,通过示踪粒子监测材料流动行为,开... 详细信息

为了研究6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接过程中温度场与焊缝区域材料流动等行为,采用耦合欧拉-拉格朗日方法,考虑超声振动对工件材料属性的影响,建立了6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊热机耦合数值模型,通过示踪粒子监测材料流动行为,开展超声辅助搅拌摩擦焊试验,并对模型准确性进行验证。研究结果表明:焊接过程中焊缝材料首先被压缩至工件底部,随后在搅拌头的作用下向工件上表面与搅拌头后方流动;工件表面温度场与焊缝区域的等效塑性应变场均呈不对称分布,塑性应变区域集中于焊缝两侧共约25 mm的区域内,区域温度均高于400℃;焊核区域的形状与尺寸及飞边的位置和尺寸的模拟结果与试验结果基本吻合,验证了建立的热机耦合数值模型的正确性。

关键词：超声辅助搅拌摩擦焊温度场材料流动示踪粒子

基于X形正反螺纹搅拌针的搅拌摩擦搭接焊材料流动及其影响下的接头成形规律

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电焊机 2024年第8期54卷 29-35页

作者：余占兴陈政硕姬新淇金晨宋崎沈阳航空航天大学航空宇航学院辽宁沈阳110136

搅拌针大扎入下板是搅拌摩擦搭接焊(FSLW)常见的工艺方法,但向上弯曲的钩状缺陷会减小接头的有效搭接厚度,不利于获得高承载的接头。为实现钩状缺陷向下弯曲,设计了X形正反螺纹搅拌针并进行搅拌摩擦搭接焊过程材料流动行为的数值模拟,... 详细信息

搅拌针大扎入下板是搅拌摩擦搭接焊(FSLW)常见的工艺方法,但向上弯曲的钩状缺陷会减小接头的有效搭接厚度,不利于获得高承载的接头。为实现钩状缺陷向下弯曲,设计了X形正反螺纹搅拌针并进行搅拌摩擦搭接焊过程材料流动行为的数值模拟,进而研究材料流动与接头成形间的关系。结果表明,在X形正反螺纹搅拌针作用下,焊接过程中焊核区下部与上部的材料分别向上与向下流动,在焊核区中间交汇后向沿水平方向流动;当材料交汇形成的材料集聚区位于原始搭接界面上方时,既可实现钩状缺陷的向下弯曲又可获得大宽度的焊核。在转速为800 rpm且焊速为300 mm/min时,2024-T4铝合金搭接焊接头的拉伸强度达到299.6 MPa,其大于已报道的2000系列铝合金接头强度值。

关键词：搅拌摩擦搭接焊 X形正反螺纹搅拌针数值模拟材料流动接头成形