5052鋁合金板材磁脈沖輔助沖壓成形變形行為及機理研究.pdf

1、近年來，節(jié)能和環(huán)保的要求使得以鋁合金為代表的輕質結構材料在先進制造領域得到廣泛應用。但是，與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金的室溫成形性差，采用傳統(tǒng)沖壓工藝很難直接成形形狀復雜的零件。磁脈沖輔助沖壓成形（Electromagnetically assisted sheet metal stamping, EMAS）把高速率磁脈沖成形（EMF）技術的優(yōu)點有機地結合到準靜態(tài)沖壓成形中，為以鋁合金為代表的輕質、難成形板材復雜形狀零件的室溫成形提供了新的加

2、工途徑。由于該工藝尚處于初步工藝實現階段，其變形機理還沒被系統(tǒng)研究過。本文采用理論分析、耦合場數值模擬、工藝試驗及微觀分析相結合的方法對5052鋁合金板材磁脈沖輔助沖壓成形的變形行為和機理進行了系統(tǒng)研究。
　　基于多物理場有限元分析軟件 ANSYS，結合磁脈沖輔助沖壓成形中板坯變形的基本特點，給出了準靜態(tài)沖壓成形—高速率磁脈沖成形順序耦合求解的有限元理論基礎，包括板料沖壓成形彈塑性理論、磁脈沖成形的電磁場基礎理論、結構場的彈塑性理

3、論和電磁-結構耦合場理論等，并在理論分析的基礎上提出了基于ANSYS分析平臺ANSYS Multiphysics/LS-DYNA分析模塊的“多工步”松散耦合的磁脈沖輔助沖壓成形有限元分析方案及流程，通過編制用戶子程序實現連續(xù)變形過程的動態(tài)連接。
　　針對磁脈沖輔助沖壓成形中板坯的準靜態(tài)—動態(tài)復合變形特點，建立了典型應變狀態(tài)（單向拉伸、平面應變和雙等拉伸）下的準靜態(tài)—動態(tài)復合成形極限試驗方案，并對準靜態(tài)—動態(tài)復合加載下材料的動態(tài)響應

4、進行了系統(tǒng)研究。結果表明：準靜態(tài)—動態(tài)復合加載下，5052鋁合金板材表現出顯著高于準靜態(tài)成形而略高于動態(tài)成形的塑性水平。復合成形過程塑性的提高歸因于動態(tài)變形過程，且隨著準靜態(tài)預變形水平增加，動態(tài)變形過程的增塑效果增強。
　　采用理論分析和微觀分析相結合的方法對磁脈沖輔助沖壓成形中動態(tài)變形行為和塑性失穩(wěn)機理進行了研究。結果表明：動態(tài)變形中，慣性力的影響起主要作用。慣性力對板坯的結構失穩(wěn)具有抑制作用，從而使板坯的塑性提高并產生分散失穩(wěn)

5、。微觀機制表明：5052鋁合金動態(tài)變形和準靜態(tài)變形表現出相似的變形性質，不會產生特殊的組織結構，塑性變形微觀機制均為位錯滑移機制。準靜態(tài)變形以均勻單系位錯滑移為主，斷裂伴隨著位錯的纏結和攀移；而動態(tài)變形位錯滑移趨于多系開動，在大面積區(qū)域出現明顯的交滑移現象，且滑移帶較準靜態(tài)成形時窄且密，位錯組態(tài)更均勻。動態(tài)變形的多系滑移和位錯均化作用可在比準靜態(tài)變形高的多的塑性應變水平下形成，從而使材料具有較高的塑性和強度。
　　針對筒形件傳統(tǒng)拉

6、深成形中存在的成形極限問題（底部圓角處破裂）進行了分析，建立了筒形件磁脈沖輔助拉深成形方案。采用提出的有限元分析方案對筒形件磁脈沖輔助拉深成形進行了仿真，分析了板坯的復合變形行為和規(guī)律，并結合試驗研究和驗證了磁脈沖輔助沖壓成形在改善板材成形性方面的優(yōu)勢和特點。結果表明：提出的磁脈沖輔助沖壓成形有限元分析方案，能成功實現磁脈沖輔助沖壓成形中板坯復合變形行為的描述，變形規(guī)律與試驗結果吻合較好。磁脈沖輔助沖壓成形的思想能充分發(fā)揮磁脈沖成形在改

7、善板材成形性方面的優(yōu)勢，并能實現與普通沖壓成形工藝的有機結合。板坯變形過程中，高速變形的慣性效應和板坯與模具沖擊作用顯著，能抑制失效，分散變形。
　　基于磁脈沖輔助沖壓成形的思想，建立了 U形件磁脈沖輔助彎曲成形工藝試驗，分析了脈沖磁場力對彎曲回彈控制的作用，結果表明：將脈沖磁場力應用到彎曲角部能有效減小回彈。脈沖力的回彈控制作用主要表現為兩個方面：脈沖力改善彎曲角部位應力應變分布的作用和脈沖力作用下形成的板坯與模具的沖擊作用。兩