内环筋直筒件旋转挤压成形损伤开裂机制研究

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镁合金内环筋直筒件作为典型轻质轻体结构件,广泛用于航天、航空领域,该类构件通常采用传统焊接、铸造、切削加工等方法,但这些制造方法存在力学性能低、筋部承载能力差、废品率高等缺点。因此,针对该类构件提出了旋转挤压技术以实现其整体塑性成形。然而旋转挤压成形中,损伤开裂直接决定工艺成败和构件成形质量,是该工艺重要的研究方向之一,所以将准确描述旋转挤压成形中损伤开裂情况作为本课题研究目标。本文以AZ31镁合金为实验材料,研究该材料在旋转挤压成形中的损伤演变规律,研究内容主要有以下四个方面:  采用热扭转Gleeble3500试验机和Deform-3D模拟软件,进行相应的物理试验和数值分析,确定Normalized C&L韧性断裂准则适用AZ31镁合金旋转挤压成形中损伤情况,经过有效试验和预测结果对比,在变形温度320℃~400℃、应变速率0.01~1s-1条件下,材料的临界损伤值在1.659~2.289范围内变化。  利用Deform-3D有限元分析软件,构建数值分析模型,选定摩擦系数、轴向挤压速度、径向挤压速度、转速、挤压温度五个因素,设计正交试验共25组,对AZ31镁合金内环筋直筒件在旋转挤压成形过程进行研究。旋转挤压过程中,内环筋直简件筋部区域损伤分布不均匀,且内环筋部上端损伤因子较大;薄壁内侧与内环筋上等效应变量大,有利于该区域的金属晶粒细化,构件整体性能得到了提升;根据渐开式凸模分模直角面结构,在凹模旋转过程可能产生飞边。  通过有限元模拟对裂纹缺陷进行分析,确定裂纹损伤源位置,裂纹缺陷分布于内环筋壳体筋部上端,且损伤源位置位于坯料内侧。分析多参数对旋转挤压损伤分布及等效应变的影响规律,并结合实际情况,对影响因素进行显著性排序,并确定最优工艺参数。根据影响因素显著性排序,分析径向旋转挤压成形对构件的损伤影响不大,并重点讨论轴向挤压速度Vz和凸模圆角半径R对损伤演变的影响规律,建立了内环筋直筒件旋转挤压成形极限图。结果表明:凸模圆角R较小时,对材料塑性变形影响较大,损伤因子较高;在Vz=5mm/s、凸模圆角半径R=8mm时,AZ31合金内环筋直筒件旋转挤压成形性能较好,满足旋转挤压成形要求。  在上述研究基础上,对AZ31合金内环筋直筒件进行旋转挤压试验,对挤压构件部分区域进行显微组织观察和性能测试。结果表明:筋部区域晶粒得到明显细化,通过压弯实验,得到旋转挤压内环筋直筒件筋部性能优于机加构件筋部性能;内环筋部分区域出现裂纹,数值分析结果得到证实,为旋转挤压成形裂纹分析提供了帮助。
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