1、分类号：TG376 单位代码：10110学 号：s12003036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 中北大学华北图书分类号 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 材料加工工程 论文提交日期 2015 年 月 日论文答辩日期 2
2、015 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：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学
3、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。但这种方式材料利用率低、生产周期长、投入成本高、良品率比较低。
4、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。结合缺陷产生的机理，提出了通过模具结构的逐步优
5、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，同时达到了提高材料利用率、提高零件的综
6、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 important part of a
7、 certain product, whose characteristic includes the complex 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 present, these parts are
8、 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 of the workpiece
9、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 the parts with high web and thin plate, this paper chooses isothermal extrusion method to achieve its integral formi
10、ng.（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 was used to estab
11、lish 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 simulation software showe
12、d 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 optimizing the die
13、 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 and the process
14、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, which was as a
15、criterion to determine the best process parameters.（4）According to the study above, the experimental trial for 5A06 aluminum part 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 thin plate, the rea
16、sonable 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 process of such p
17、arts.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 铝合金筋板成形工艺研究现
18、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/super
19、form 简介 .233.2 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 .
20、364.3 成形方案的进一步优化 .374.3.1 方案三的制定及数值模拟 .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
21、.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
22、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
23、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。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
