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锻压技术 2021年第2期46卷 94-104页

作者：刘杰赵熹郭拉凤高明刘正然张博循中北大学机电工程学院山西太原030051 国防科技工业复杂构件挤压成形技术创新中心山西太原030051

针对传统工艺难以制备大规格镁合金薄壁环形件的情况,提出了一种曲母线通道连续翻转挤压成形新工艺。根据成形过程中的金属流动特性,为了避免坯料出现翘曲情况,制定了多次翻转成形工艺方案;采用主应力法对新型工艺进行力学解析;采用Def... 详细信息

针对传统工艺难以制备大规格镁合金薄壁环形件的情况,提出了一种曲母线通道连续翻转挤压成形新工艺。根据成形过程中的金属流动特性,为了避免坯料出现翘曲情况,制定了多次翻转成形工艺方案;采用主应力法对新型工艺进行力学解析;采用Deform有限元软件开展数值模拟,对成形力公式进行验证;通过正交实验,并基于变形均匀性评价因子,对成形工艺参数及模具结构参数进行优化。结果表明:考虑成形件的结构尺寸及新型工艺允许的单次变形量,确定坯料需要进行4次翻转挤压,推导出以内凹模锥度角α为自变量的扩径力公式及最大压力公式,并以α为20°、23°和25°为例,与Deform有限元模拟结果进行对比验证,误差在10%之内。最终得到新型挤压成形工艺参数为:挤压速度为1 mm·s^(-1)、内凹模锥度角为23°,并对所提出的新型挤压成形工艺进行了模具设计,为实现大规格镁合金薄壁环形件的短流程、低成本制造开辟了新的途径。

关键词：镁合金大型薄壁环形件翻转挤压成形曲母线通道主应力法变形均匀性正交实验

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镁合金大直径环形构件挤压成形技术研究

镁合金大直径环形构件挤压成形技术研究

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作者：刘杰中北大学

学位级别：硕士

大型环形件作为密封和紧固连接件,在航空航天、石油及化工等领域有着广泛的应用。面向捷龙火箭分离环轻量化的迫切要求,选择ZK60镁合金制备大规格薄壁环形件,并针对传统的环形件制备方法与镁合金材料成形性难以耦合的难点问题,提出了一... 详细信息

大型环形件作为密封和紧固连接件,在航空航天、石油及化工等领域有着广泛的应用。面向捷龙火箭分离环轻量化的迫切要求,选择ZK60镁合金制备大规格薄壁环形件,并针对传统的环形件制备方法与镁合金材料成形性难以耦合的难点问题,提出了一种曲母线通道连续翻转挤压成形新工艺。首先为保证成形构件性能,通过一种新型大高径比镦粗工艺完成材料开坯,其次在采用主应力法对新型工艺进行力学解析的基础上,掌握了大型薄壁环形件成形过程中金属流动特性,基于变形均匀性评价因子,对成形工艺参数及模具结构参数进行优化,制定了多次翻转成形的工艺方案,最后开展物理试验验证,成功制备大型薄壁环形构件。主要研究结论如下:1、通过分析大高径比棒料镦粗研究现状及镦粗成形工艺特点,提出一种用束缚坯料上端,通过增加了导引区出口及改变垫块形状,使难变形区金属与变形区金属实现同步流动的新型大高径比棒料镦粗工艺。其垫块形状为影响镦粗变形均匀性的主要因素。以大塑性变形、提高变形均匀性为目的,以等效应变、等效应变S.D.值为目标函数,利用数值模拟对模具结构参数θ进行优化。结果表明:在成形温度380℃,挤压速度为1.5mm·s,摩擦系数0.3的模拟条件下,当模具结构参数θ为3°时,坯料底部变形死区明显减小,坯料整体变形更加均匀,以此为基础设计了一种大规格镁合金环形件制坯成形模具。材料性能从抗拉强度281.6MPa、屈服强度135.4MPa、延伸率15.8%提高到了抗拉强度284.5MPa、屈服强度145.7MPa、延伸率19.6%。2、基于上限法对镁合金大直径环形构件挤压成形过程中各道次不同变形段或区变形部分进行力学分析以及理论计算,推导出在上限法下的速度场及应变速率场的理论计算公式。通过分析镁合金大直径环形件挤压成形特点、单道次变形量及“翘曲”、坯料堆积等成形缺陷,从而确定镁合金大直径环形件挤压成形工艺流程。同时采用主应力法对环形坯料挤压成形过程进行受力分析,通过DEFORM-3D模拟镁合金大直径环形件挤压成形过程并进行参数优化。结果表明:考虑成形件的结构尺寸及新型工艺允许的单次变形量,确定坯料需要进行4次翻转挤压,推导出以内凹模锥度角α为自变量的扩径力公式及最大压力公式,并以α为20°、23°和25°为例,与Deform-3D有限元模拟结果进行对比验证,误差在10%之内。最终得到挤压成形工艺参数为:挤压速度为1mm·s、内凹模锥度角为23°。3、根据镁合金大直径环形构件制坯工艺方案和成形工艺方案,进行了镁合金大直径环形构件制坯实验和成形实验。实验结果显示凸模压力变化趋势与有限元模拟结果基本一致,且成形件无断裂和折叠等明显缺陷产生,成形质量良好。为实现大规格镁合金薄壁环件的短流程、低成本制造开辟了新的途径。4、成形件抗拉强度为290.9MPa,屈服强度为156.6MPa,延伸率为24.2%,与冲孔坯料相比较,抗拉强度提升6.4MPa,屈服强度提升约为10.9MPa,延伸率得到较大提升约为4.6%。成形件的强度和塑性均得到较大提升主要由于DDRX与CDRX两种机制共同作用下较好的细化了组织。经过170°保温12小时的时效处理,抗拉强度平均值为288.9MPa,屈服强度平均值为168.2MPa,延伸率平均值为25.1%。5、匀化组织在经历镦粗变形后进行反挤压,形成了明显的“项链状”组织结构,此时的晶粒尺寸呈双峰分布,平均晶粒尺寸显著细化,约为71.4μm。成形件中粗大的变形晶粒被拉长,沿挤压方向呈长条状分布。晶粒进一步细化,平均晶粒尺寸下降至37.3μm。

关键词： ZK60镁合金大直径环形件翻转挤压成形曲母线通道数值模拟优化晶粒细化

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