精锻是零部件制造的一种重要方法,研究其数字化和智能化成形方法对产业转型升级具有重要意义。首先介绍了我国精锻成形工艺同国外先进水平的差距,分析了目前精锻工艺方案设计方法的优点及存在的问题。随后论述了精锻成形工艺数字化智能化方法的内涵,以及精锻成形工艺方案的数字化智能化设计与智能自动生产线的建立。最后,以气门电热镦粗成形工艺为例,阐述了数字化智能化方法与软件系统的开发及应用情况。应用结果表明,实现精锻成形工艺方案及工艺参数的数字化智能化设计不仅能够显著提高设计效率,而且可以达到自动优化的目标,实现精锻成形工艺与信息技术的深度融合,从而达到提质增效的效果。
高锰奥氏体孪晶诱发塑性(TWIP)钢具有出色的强度和优越的塑性,作为新一代汽车用钢的有力竞争者,受到人们的广泛关注。作为一种高强钢,TWIP钢在经受大塑性变形或者在充氢环境中服役时,同样会发生氢脆现象,且其力学性能会受到显著影响。近年来,科研工作者对TWIP钢的氢脆行为进行了大量研究,希望通过了解TWIP钢中氢脆断裂的微观机理和影响因素来进一步提升TWIP钢的抗氢脆能力。文章主要从微观组织对氢致裂纹萌生及扩展的影响,晶粒细化、合金元素和应变速率对TWIP钢氢脆的影响4个方面总结了TWIP钢氢脆的近期研究成果,并对每种现象背后的微观机理进行了整理分析。
为减小模具应力,提高模具寿命,对爪极预锻组合模具的结构进行了优化,通过减小模芯与预应力环的接触面积使两者产生局部接触,从而提高了预应力环对模芯的预紧作用。为实现此优化,提出了减小模芯与预应力环接触弧度和接触高度两种方案,并利用有限元软件进行模拟。对两种方案爪极预锻组合模具的模芯和预应力环进行了受力分析,并论述了接触高度和接触弧度对模具应力的作用规律。结果表明,与减小接触弧度的方案相比,减小接触高度的方案可以达到更好的降低模芯应力的效果。将接触高度优化为25 mm,与原爪极预锻组合模具相比,模芯凸台腔圆角和爪腔两侧的等效应力分别降低了6.7%和10.6%,同时保证了预应力环的应力处于安全范围。
采用有限元模拟和实验研究相结合的方法对AZ31镁合金等横截面通道角温挤压变形进行了研究,确定了优化的模具几何形状,选择了合理的工艺参数。结果表明,在挤压过程中,适当减少摩擦,选择挤压温度为250℃左右时,可以降低挤压载荷,使挤压件顺利挤出,同时提高模具使用寿命。给出了凸模和预应力组合凹模等关键零件的设计方法,实现了多道次等横截面通道角温挤压实验。从宏观变形和微观组织角度分析得出了圆形挤压件晶粒演化的规律。分析结果表明,变形路径会直接影响工件的均匀变形程度。在经过4道次等横截面通道角温挤压工艺处理后,采用Bc路径挤压和C路径挤压时,可以获得较为均匀的微观组织分布,在挤压过程中,挤压件晶粒逐渐细化,晶粒边界趋向等轴分布。
针对多台阶电机轴的冷挤压成形方案,提出一种双向挤压复合镦粗变形的成形工艺,从理论上分析了镦挤变形过程中坯料的受力状态,得出影响成形和质量的主要因素为摩擦系数、模口角度和模具长度。采用DEFORM有限元模拟软件对电机轴的镦挤成形过程进行了模拟分析,通过控制变量法研究了各个因素对工艺的影响规律,结合所得影响规律,采用正交实验法进行了模拟优化分析,获得了理论最佳工艺参数:左挤压模、右挤压模1和右挤压模2的长度分别为20.0、41.5和14.0 mm,摩擦系数分别为0.10、0.05和0.05,挤压速度为4 mm·s-1。结合镦挤工艺方案和模拟分析结果,设计了电机轴卧式挤压成形模具,并通过实验制成了合格的电机轴制件。
采用热挤压态7075铝合金直接半固态等温处理法制备半固态坯料,研究了坯料制备过程中加热温度和保温时间对组织的影响规律。并以深腔筒形件为研究对象,设计了半固态触变成形模具,研究了7075高强度铝合金半固态触变挤压成形筒形件不同部位的组织分布规律,并通过能谱分析研究了筒形件各处的组织成分分布。实验得出优化后的制备7075铝合金半固态制坯的工艺参数为:600℃下保温10 min。用制得的半固态坯料进行触变挤压成形的深腔筒形件外形完整,尺寸精度高,纵截面的微观组织呈由半固态组织到固态组织的梯度分布形态。
为了获得内螺纹冷挤压最佳工艺参数,采用数值模拟方法分析了挤压过程中的金属流动规律和工件应力分布,通过正交试验获得了工件底孔直径、挤压速度和摩擦系数对挤压过程中挤压扭矩和挤压温度的影响。结果表明,以挤压扭矩为优化指标时,各影响因素的主次顺序为:底孔直径>摩擦系数>挤压速度,最优工艺参数为:底孔直径Φ7.40 mm,挤压速度120 r·min-1,摩擦系数0.08;以挤压温度为优化目标时,各影响因素的主次顺序为:挤压速度>底孔直径>摩擦系数,最优工艺参数为:底孔直径Φ7.40 mm,挤压速度30 r·min-1,摩擦系数0.08;综合试验结果获得最佳参数组合,并以此进行试验,结果表明,优化后的挤压温度和挤压扭矩大幅降低,可有效延长丝锥使用寿命,提高螺纹成形质量。
利用单向热轧、单向温轧和扩幅热轧工艺对连续挤压的AZ31镁合金板坯进行了减薄加工,获得了厚度为1 mm的镁合金薄板。通过拉伸、杯突和刚模胀形实验研究了上述轧制工艺对镁合金板材的力学性能和成形性能的影响,对比了板材的抗拉强度、伸长率和塑性应变比。结果表明,单向温轧板材的抗拉强度最高为267.8 MPa;单向热轧板材的伸长率最大为27.5%;扩幅热轧板材的塑性应变比最高为3.57,各向异性最弱,有利于冲压成形。通过室温和250℃杯突实验获得了3种板材的杯突值,250℃下扩幅热轧板材的杯突值最高为13.1 mm,板材成形性最好。通过刚模胀形实验获得了扩幅热轧板材250℃下的成形极限图(FLD),并利用ABAQUS有限元软件对250℃刚模胀形实验进行了数值模拟,对比实验和数值模拟的FLD,模拟结果与实验结果的成形极限基本一致。
以1060铝板为研究对象,基于DYNAFORM有限元模拟平台,建立了扩孔两道次渐进成形圆孔翻边模型,并通过ETA/POST后处理软件对成形结果进行了分析,比较了单道次成形和扩孔两道次成形制件的壁厚分布情况和翻边高度。研究结果表明,相较于单道次成形,扩孔两道次成形可以有效减少制件的减薄现象,使壁厚分布更为均匀;根据模拟结果,拟合出扩孔两道次渐进成形圆孔翻边高度的表达式。使用渐进成形数控机床进行实验验证,证实了模拟结果的可信性和准确性。
以65Mn整体式波形片(由8个子片组成)为研究对象,利用ABAQUS有限元分析软件对其成形及回弹过程进行了数值模拟,分析了模具圆角半径、模具间隙和板料厚度对整体式波形片成形高度的影响,并对整体式波形片两种成形方法 (多子片冲压与单子片冲压)的误差进行了对比分析。结果表明,波形片的成形高度随模具间隙及圆角半径的增大而逐渐减小,随板料厚度的增大而增大;此外,根据同一关键区域成形高度的模拟结果发现,多子片冲压成形较单子片冲压成形的误差更小。结合数值模拟所得误差分析结果和现有板材成形模具参数,优化了该类整体式波形片多子片冲压模具,当模具的关键参数模具圆角半径R1、R2、R3、R4和模具深度H分别为18、17、17、19和2.4 mm时可获得符合精度要求的波形片。
基于ABAQUS软件平台建立了GH5188高温合金环件热轧热力耦合三维有限元模型,分析了摩擦对GH5188高温合金环件热轧成形过程中环件椭圆度的影响规律。结果表明,随着驱动辊摩擦系数的增大,环件外圆椭圆度先增大后减小,环件内圆椭圆度呈波浪形曲线变化;随着芯辊摩擦系数增大,环件外圆椭圆度整体上呈减小趋势,环件内圆椭圆度先减小后增大;随着锥辊摩擦系数的增大,环件外圆的椭圆度先增大后减小,而环件内圆的椭圆度变化趋势不明显。进而基于正交实验优化设计,获得了驱动辊、芯辊和锥辊摩擦系数的最优值,驱动辊摩擦系数推荐取值为0.45,芯辊摩擦系数推荐取值为0.3,锥辊摩擦系数推荐取值为0.25。
为了探究滚轧分齿精度的影响因素及其变化规律,根据齿轮径向滚轧成形特点,建立了齿轮滚轧成形过程中轧轮与坯件的重合度数学模型,揭示了轧轮齿数、初始压入深度、坯件齿数、压力角、中心距与重合度之间的映射关系,以及对初始分齿精度的影响规律。此外,利用Deform有限元软件和滚轧实验分析了轧轮齿数、初始压入深度、坯件齿数和摩擦系数对分齿精度的影响及其显著性。结果表明,轧轮齿数、初始压入深度、坯件齿数和摩擦系数的增加有利于提高滚轧初始分齿精度,而初始压入深度、坯件齿数和摩擦系数是影响分齿精度的主要因素。
结合SCR铜杆连铸连轧产线生产实践,研究了SCR连铸连轧生产过程中铜杆表面铜粉的形成机理及其影响因素,探讨了SCR产线各工艺影响铜粉因素的控制方法。结果表明,高温铜铸坯出铸机后空冷阶段形成的氧化膜是铜粉的主要来源。通过改变结晶轮烟炱器涂炭方式以改善铸坯质量,铜杆铜粉含量降低了0.65 mg/250 mm且铸坯组织优良。优化轧机喷淋结构、适当增大轧辊粗糙度、调整轧机转速及对削边、轧辊导卫和酸洗液PH值进行及时检测等措施可有效降低铜粉含量,提高成品铜杆质量。
针对航空发动机导管数控(CNC)弯曲成形时回弹大、形状精度差等问题,开展了不同规格的1Cr18Ni9Ti不锈钢管CNC弯曲工艺实验,获得了不同管径D、壁厚t、相对弯曲半径R/D和弯曲角度θ的导管CNC弯曲回弹数据,通过机器学习方法建立了回弹预测模型,并对比了机器学习中3种常用的BP、RBF和Elman算法的预测精度,对人工神经网络模型的结构进行了优化;根据回弹预测模型开展了全尺寸航空发动机导管的回弹预测及补偿。数控弯曲后导管的最大角度偏差为0.358°,满足设计精度要求。
针对双层板在普旋成形时易出现法兰起皱的问题,提出了一种理论预测方法。首先对双层板在旋压成形过程中法兰的受力情况进行了分析,然后基于塑性理论对弯曲应变能和外力做功分别进行了求解计算,并根据能量平衡方程建立了解析模型,用来确定无法兰起皱缺陷的成形极限。计算结果表明,旋轮进给比和板料厚度对法兰起皱的影响显著,旋轮进给比越大,板料越薄,双层板在普旋阶段的成形极限越小,法兰越易出现失稳起皱。以SUS430/Al3003双层板为例进行工艺实验,研究发现,利用解析模型得到的计算结果与实验结果一致,证明了上述理论预测模型的可靠性。
<正>中国机械工程学会塑性工程(锻压)分会成立于1963年,是全国性的锻压科学技术工作者的学术性社会团体,是依法登记的法人社团。经本会理事会研究决定:凡承认本会章程并符合条件者,可申请为本会会员。会员的权利与义务:1.颁发个人/团体会员证书及铜牌,铜牌由秘书处统一制作并颁发,可申请定制; 2.参加本学会组织的年会会议费可享受适当优惠; 3.优先参加本会组织举办的国内外有关学术活动和其他活动;
<正>《塑性工程学报》 (Journal of Plasticity Engineering)创刊于1994年,是由中国科学技术协会主管、中国机械工程学会主办的学术刊物。《塑性工程学报》为全国中文核心期刊,被众多知名数据库收录:中文核心期刊要目总览(北大)、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊、中国科技期刊引证报告统计源核心期刊、中国科技核心期刊(中国科技论文统计源期刊)、中国学术期刊文摘数据库(核心版,CSAD-C)、中国学术期刊综合评价数据库、美国化学文摘CA、美国《剑桥科学文摘材料信息》 (CSA:MI)、荷兰爱思维尔公司Scopus数据库、《日本科学技术振兴机构中国文献数据库》等。
<正>~~
研究了3104铝合金薄板的各向异性本构模型。通过单向拉伸试验获取3104铝合金薄板与轧制方向呈0°、45°及90°方向的力学性能参数,分析了3104铝合金薄板的各向异性和硬化特性。根据拉伸试验所得数据,通过应变各向异性的标定方法,在Hill48准则和Barlat89准则的基础上标定出了两种不同的材料本构模型,并利用数值仿真模拟技术,分别利用所标定的两种本构模型进行了凸模胀形模拟试验。对比分析了凸模胀形试验结果和模拟预测结果的胀形极限高度和减薄率分布情况,验证了两种本构模型的准确性。结果表明,所标定的Hill48本构模型能够更准确地描述3104铝合金薄板的变形行为。
对两种典型汽车用冷轧双相钢DP780和DP980板材的力学性能和各向异性进行了系统研究。首先,分别采用沿与钢板轧制方向呈0°、22.5°、45°、67.5°和90°的板材试样进行单向拉伸实验。此外,进行了相同取向条件下两种双相钢板在120°下的三点弯曲实验,并利用金相显微镜对两种双相钢进行了微观组织观察。实验结果表明,两种双相钢板的力学性能均存在各向异性,且强度越低,各向异性越显著。并且随着双相钢强度的提高,塑性明显下降。双相钢强度越高,弯曲后的回弹现象越明显。双相钢板在弯曲回弹过程中同样存在各向异性,在同一弯曲角度下,强度越低,各向异性越显著。DP980在90°方向上的弯曲成形性能比其他方向差。通过微观组织观测,DP780的马氏体体积分数约为35.17%,平均晶粒尺寸约为3.13μm,最大织构强度为3.37,而DP980的马氏体体积分数约为48.73%,平均晶粒尺寸约为2.35μm,最大织构强度为2.16。马氏体含量、晶粒尺寸大小、相分布情况以及织构强度的不同是导致两种双相钢板力学性能和各向异性产生差异的主要原因。
为探明铝合金在变形道次间停留时的静态软化机理及其本构关系,采用Gleeble-3500热模拟机研究了Al-Mg-SiCu铝合金在温度为653～733 K、应变速率为0.01～0.1 s-1、道次停留时间为30～240 s变形条件下的流变应力响应行为,并分析了合金的静态软化行为特征,建立了合金在平面应变载荷下的静态再结晶体积分数模型。结果表明:在平面应变热压缩变形初期,Al-Mg-Si-Cu铝合金的流变应力迅速增加,表现出明显的应变硬化,随后在动态回复主导的软化机制作用下逐渐降低,直至饱和。随变形温度的升高和道次停留时间的延长,流变应力减小,表现出明显的软化特征,静态再结晶是道次停留阶段的主导软化机制。结合力学软化法和再结晶动力学模型,建立了基于Avrami方程的静态再结晶体积分数模型,能够对Al-Mg-Si-Cu铝合金在平面应变热变形过程中的静态再结晶行为进行预测。
利用MMS-200热模拟试验机对轧态904L超级奥氏体不锈钢在变形温度900～1150℃、应变速率0.01～10 s~(-1)条件下进行单道次热压缩实验。根据得到的流变应力曲线,研究了材料在热压缩变形时的热变形及动态再结晶行为;通过加工硬化率与应力关系曲线,确定了动态再结晶临界应变模型;基于Avrami方程,建立动态再结晶体积分数模型。结果表明:应力随变形温度的升高及应变速率的减小而降低。在应变速率小于1 s~(-1)及变形温度为1150℃、应变速率为1 s~(-1)的条件下,材料发生了完全再结晶,流变应力曲线为典型的动态再结晶型曲线。且在高温、低应变速率条件下,材料更易发生动态再结晶。在实验热变形条件下,轧态904L超级奥氏体不锈钢发生动态再结晶的激活能为487034 J·mol~(-1)。
实验研究了热处理工艺参数对7075铝合金T6态组织和性能的影响,包括固溶温度、板料搁置时间和时效处理等,提出了7075铝合金应用于汽车零部件工业生产的理想工艺窗口。结果表明,7075铝合金最佳固溶温度为475～500℃,板料搁置时间为24 h,最佳时效处理制度为110℃×8 h+150℃×8 h。基于此,结合Autoform数值模拟工具,开展了7075铝合金B柱冲压成形,成形过程中无明显缺陷,典型位置的屈服强度为510～530 MPa,断裂强度为550～580 MPa,伸长率为10%～12%,能够满足工业应用的需求。
针对热等静压态TC4钛合金,采用Gleeble-1500D热模拟试验机在温度为950～850℃、应变速率为0.01～1.00 s~(-1)下对其进行多道次热压缩实验,研究了多道次热变形对TC4钛合金组织演变的影响。结果表明:由于加工硬化,变形初期流变应力迅速上升,随着动态软化作用出现了不连续屈服现象。随后应力值趋于稳定,表明变形行为符合稳态流变特征。1道次变形后,试样中存在大量粗大的β晶粒。提高应变速率在一定程度上可以细化晶粒,在高应变速率下软化机制以动态回复为主,而在低应变速率下软化机制以动态再结晶为主。2道次变形后,在低应变速率(0.10和0.01 s~(-1))下,发生了α相的几何动态再结晶,并且片层状α相断裂,球化为等轴α相。3道次变形后,大量条状α相形核长大并最终与等轴α相和β转变相共同表现为三态组织。
为研究结构胶对钢铝自冲铆接静力学性能的影响,制作了具有自冲铆接、胶接和胶铆复合3种连接方式,且搭接距离分别为15、20、25、30和35 mm的接头,进行拉伸试验和失效形式分析。结果表明:对比自冲铆接接头和胶接接头,胶铆复合接头铆钉成形质量优于铆接接头,胶铆复合接头胶层厚度小于胶接接头。在相同搭接距离下,胶铆复合接头的力学性能优于铆接接头和胶接接头。搭接距离为20 mm时,拉剪强度增幅为15.3%,静强度增幅为30.1%。搭接距离超过20 mm时,随着搭接距离增加,胶铆复合接头拉伸强度提高,拉剪强度降低且胶铆复合接头与胶接接头的能量吸收差值逐渐减小,表明胶铆复合接头中胶层承受了主要载荷,铆接对胶铆复合接头强度的影响逐渐减小。胶铆复合接头的失效形式为铆钉的拉脱、胶层的内聚失效和界面失效。
基于CaBa2004拉压不对称性屈服准则,从弹塑性力学角度对AZ31B镁合金板材矫直过程进行了分析,推导出AZ31B镁合金板材在矫直过程中中性层偏移量计算公式。该公式表明中性层偏移量与弹区比和板厚密切相关。通过与数值模拟结果对比,分析了理论值和数值模拟结果的误差及造成误差的原因。说明了AZ31B镁合金板材在矫直过程中存在中性层偏移现象。受拉压不对称性的影响,镁合金板材在受载过程中,中性层向受拉方向偏移。运用理论推导和数值模拟计算分析,得出了不同压下量下的镁合金板材的中性层偏移量大小,确定了镁合金板材在矫直过程中中性层偏移规律。
为探明铝基体强化对铝基复合材料强度的贡献值并确定铝基体力学性能参数,实现性能导向的铝基复合材料可控设计,针对Al_(18)B_4O_(33)w/2024Al复合材料铝基体开展纳米压痕试验,获取铝基体载荷-位移曲线,利用量纲法确定铝基体应变强化指数和初始特征应力,利用有限元迭代的反演分析法确定铝基体特征应力和特征应变。基于幂强化模型,确定铝基体屈服强度和幂函数型弹塑性应力-应变关系。基于获得的基体力学性能参数开展有限元模拟。结果表明:Al_(18)B_4O_(33)w/2024Al复合材料中铝基体弹性模量和纳米硬度分别为84.09和0.927 GPa。量纲法确定铝基体应变强化指数为0.224。反演分析法确定铝基体特征应力为396.51 MPa、特征应变为0.0301、名义屈服强度为226.47 MPa。有限元模拟获得的载荷-位移曲线与纳米压痕试验获得的载荷-位移曲线相关系数R~2为0.9972,验证了量纲法及反演分析法确定Al_(18)B_4O_(33)w/2024Al复合材料基体力学性能参数具有高可靠性。
为优化锤击介入温度,构建了电弧熔丝增材-锤击耦合有限元分析模型。总结了锤击消除控制残余应力的基本机理为锤击产生的塑性延展变形抵消了焊缝内部的残余拉伸弹性应变。重点分析了增材和不同锤击介入温度下锤击处理后残余应力场及锤击变形量分布与演变规律,并进一步寻求锤击残余应力消除控制策略及变形量协调优化策略。结果表明,在锤击介入温度为650℃时锤击消除残余应力效果最为显著。在合适的锤击介入温度下,焊缝不会遭到机械破坏,还会产生合适的变形量以抵消内部残余拉伸应变,释放残余拉应力。
研究了非理想二维声学黑洞结构对振动噪声控制的影响。建立了一种嵌入非理想二维声学黑洞结构平板的有限元和边界元仿真分析模型,从模态、频率响应、振动功率流和辐射噪声4个方面对比了这种非理想二维声学黑洞结构和理想声学黑洞结构、普通平板的动力学及声学特性,分析了非理想二维声学黑洞对结构减振降噪的影响。结果表明,非理想二维声学黑洞结构的工作频段主要集中在中高频,低频作用不明显。所设计的非理想二维声学黑洞结构具有能量聚集效应,同时改变了结构的固有频率,可避免与激励源振动频率相同而产生共振,达到减振的作用。通过粘贴阻尼片进行能量耗散,保证在结构整体质量无增加的前提下,可以达到减小结构振动、降低辐射噪声的效果。
针对铝合金的Y-U硬化模型在标定过程中参数的迭代求解特点,采用二阶振荡粒子群算法(PSO)对参数进行了反演分析求解。首先,建立参数反演的数学模型与残差目标函数;然后,基于图解法的参数近似解确定部分参数取值,对选定的5个待反演参数进行求解域标定;最后,采用具有跳出局部最优解特性的二阶振荡粒子群算法进行目标函数的优化求解。结合7075-O铝合金的拉压循环实验数据,实现了Y-U硬化模型参数的反演寻优。研究结果表明:二阶振荡粒子群算法前期渐进收敛,强化全局搜索,快速逼近最优解;后期振荡收敛,跳出局部最优,提高反演精度。
为了研究短搅拌针实施搅拌摩擦点焊的连接机理,采用DEFORM-3D软件对6061-T6铝合金搅拌摩擦点焊过程进行了数值模拟,分析了焊接过程中的温度场、应变场以及材料流动行为。结果表明:焊接进入驻留阶段后,周围材料的温度平缓升高,同时材料的塑性变形大幅提高;对短搅拌针而言,搭接界面上板与下板材料主要靠搅拌针搅拌摩擦产热形成以冶金结合为主的点焊接头;材料的塑性流动速度增大到一定幅度后开始减小,因此应对焊接驻留时间进行合理控制;通过对比分析数值模拟与试验所得的焊接接头横截面宏观形貌,发现两者吻合良好,在此基础上判断采用短搅拌针实施搅拌摩擦点焊可得到良好的接头质量。
针对6016铝合金激光焊接接头的显微组织、力学性能及耐腐蚀性能展开了研究,分析了影响双面单道多层焊接接头的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的因素。实验结果表明,接头组织分布不均匀,成分偏析严重,其中热影响区组织为粗大的柱状晶,熔合线到焊缝中心出现晶粒尺寸大小不同的等轴晶,呈粗细分层结构,熔合线附近出现明显的热裂纹,焊缝中心主要为细小的等轴晶。焊缝的抗拉强度为189.7 MPa,达到母材的75%左右,断后伸长率为4.2%,达到母材的30%左右;硬度低于母材,焊缝中心硬度分布呈倒"V"形,接头出现软化。焊接接头的腐蚀电压为-0.832 V,自腐蚀电流密度为1.772×10~(-5)A·cm~(-2),耐腐蚀性能较差。