有色合金半固態(tài)觸變擠壓成形數(shù)值模擬技術(shù)與擠壓組合凹模優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、自從美國麻省理工學(xué)院D.B.Spencer等學(xué)者發(fā)現(xiàn)錫-鉛合金半固態(tài)觸變性能后，半固態(tài)技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。半固態(tài)加工是材料在液相線和固相線溫度之間通過施壓加工成最終零件。半固態(tài)技術(shù)的特點(diǎn)是：半固態(tài)應(yīng)用范圍廣泛；充型平穩(wěn)，無湍流和噴濺，加工產(chǎn)品缺陷大大減少；與鑄造相比，減輕了對模具的熱沖擊，大幅度提高了模具壽命；成形件表面平整光滑，制件內(nèi)部組織致密，內(nèi)部氣孔、偏析等缺陷少，微觀組織晶粒細(xì)小，力學(xué)性能高等。 到目前為止，

2、與半固態(tài)加工技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論及其在工業(yè)應(yīng)用方面的研究還不夠完善，有待進(jìn)一步探索和創(chuàng)新。本文主要研究了有色合金半固態(tài)觸變擠壓成形數(shù)值模擬技術(shù)和擠壓組合凹模優(yōu)化設(shè)計方法，旨在豐富和完善半固態(tài)觸變成形理論，推動半固態(tài)技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用。本文所做的工作主要有以下幾方面： 建立了一種新的半固態(tài)固相體積分?jǐn)?shù)公式。這種半固態(tài)固相體積公式不僅包含溫度變量T，而且包含了合金元素含量變量C，因此，大大擴(kuò)大了半固態(tài)固相體積分?jǐn)?shù)公式的應(yīng)用范圍。例如，

3、僅用一個計算公式就能計算出所有合金元素Pb含量小于67.4％的Mg-Pb合金的固相體積分?jǐn)?shù)。 建立了ZL101鋁合金半固態(tài)固相體積分?jǐn)?shù)與加熱溫度的關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)研究了加熱溫度、保溫時間和加熱速度對半固態(tài)固相體積分?jǐn)?shù)的影響。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到了ZL101合金半固態(tài)固相體積分?jǐn)?shù)與加熱溫度的關(guān)系式。 提出了半固態(tài)表觀粘度的兩段半拋物線擬合插值新方法。對于某一剪切速率γk，先用兩段半拋物線擬合半固態(tài)金屬表觀粘度與固相體積分?jǐn)?shù)

4、的關(guān)系曲線-ηa(fs)=ψ(f，γk)；再通過插值得到半固態(tài)金屬表觀粘度與固相體積分?jǐn)?shù)和剪切速率的關(guān)系曲面ηa(fs，γ)=ψ(fs，γ)的計算值。 設(shè)計了用于半固態(tài)表觀粘度仿真的兩層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)半固態(tài)表觀粘度和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計了用于半固態(tài)表觀粘度仿真的兩層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。并對Sn-15％Pb和Al-4.5％Cu-1.5％Mg合金半固態(tài)表觀粘度進(jìn)行了仿真計算，取得了較高的計算精度。 進(jìn)行了鋁合金半固態(tài)坯料加

5、熱有限元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。分別采用一段和兩段加熱工藝規(guī)范，恒溫保溫和降溫保溫工藝，對ZL101鋁合金半固態(tài)坯料加熱進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。在模擬和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，作者提出了降溫保溫新的加熱工藝方法。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果都證明了降溫保溫工藝既有利于縮短加熱時間，又有利于半固態(tài)坯料加熱溫度更均勻的結(jié)論。 建立了ZL101鋁合金半固態(tài)流動應(yīng)力公式。對ZL101鋁合金半固態(tài)流動特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)化方法得到

6、了ZL101鋁合金半圍態(tài)流動應(yīng)力與應(yīng)變速率和變形溫度的關(guān)系式。 進(jìn)行了鋁合金半固態(tài)觸變成形熱-力耦合有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。用鋁合金合金半固態(tài)坯料二次加熱有限元數(shù)值模擬的溫度場作為初始溫度條件，用剛(粘)塑性有限元法對ZL101鋁合金半固態(tài)觸變鐓粗和觸變擠壓進(jìn)行熱-力耦合有限元數(shù)值模擬，同時進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合。熱-力耦合有限元模擬Al2024合金半固態(tài)觸變正擠壓成形的結(jié)果顯示：變形區(qū)主要集中在

7、擠壓凹模的錐形部分；在凸模處和擠壓凹模小端的半固態(tài)坯料的變形量非常小，主要呈剛體位移。 提出了一種脈沖循環(huán)內(nèi)壓厚壁圓筒疲勞強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則。利用Sines方法將脈沖循環(huán)內(nèi)壓厚壁圓筒的多向應(yīng)力問題轉(zhuǎn)化為等效的單軸循環(huán)應(yīng)力，再利用Soderberg疲勞理論提出了一種包含了應(yīng)力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)和零件表面加工系數(shù)、工作介質(zhì)系數(shù)在內(nèi)的脈沖循環(huán)內(nèi)壓厚壁圓筒疲勞強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則。 建立了一至三層組合擠壓凹模的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)出了三層組

8、合擠壓凹模各層內(nèi)表面應(yīng)力計算公式：從理論上證明了組合凹模各層的疲勞強(qiáng)度校核點(diǎn)在組合凹模各層的內(nèi)表面上；分別建立了以提高組合凹模承載能力和減少組合凹模尺寸為目標(biāo)的疲勞強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。得到了如下結(jié)論：①沒有必要使用三層以上的組合凹模；②組合凹模的外半徑?jīng)]有必要大于其內(nèi)半徑的四倍等。對Al2024合金半固態(tài)觸變擠壓成形用的凹模進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計。 探討了半固態(tài)觸變加工工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，建立了半固態(tài)觸變加工工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)