基于感应加热的等温成形工艺研究与模拟

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颗粒增强铝基复合材料具有比强度和比刚度高、耐磨性好、导热系数大等特点,但是塑性较差,且变形过程中显微组织的变化不易控制,加热时间过长会导致晶粒粗大,容易出现微裂纹和界面脱粘等成形缺陷,因此对于热加工工艺要求较高。等温成形技术通过将模具加热到与坯料相同的温度,使坯料温度始终保持在最佳的成形温度范围,与常规模锻相比,坯料变形更加均匀,锻件性能更加优良。由于等温成形设备通常采用电阻式加热炉加热,其加热效率较低,造成生产效率低,限制了该技术的应用。本文为了研究中频感应加热用于等温成形时的加热工艺,首先以45钢和TiB2/7075铝基复合材料为例,进行了感应加热实验,得到了不同功率下两种材料的温度变化规律。利用Marc软件对感应加热过程中试样的温度变化规律进行模拟,对影响试样温度的两个因素(电流频率和电流密度)进行了研究。之后对两种材料的试样进行了局部等温的感应加热工艺研究,通过调整加热功率和加热时间,使试样快速升温并保温一段时间,从而达到等温的效果。在此基础上,对45钢和TiB2/7075铝基复合材料试样进行了局部等温压缩实验,并在Marc中对45钢的感应加热和局部等温成形进行了模拟,模拟结果与实验结果较吻合。利用有限元软件Deform-3D对TiB2/7075铝基复合材料叶片的等温锻造工艺进行了模拟,通过优化毛坯形状避免了折叠缺陷。针对影响该合金叶片等温锻成形性能的三个主要因素(成形温度、锻造速度和摩擦系数),对叶片的锻造过程进行了模拟,通过分析成形过程中叶片等效应力、应变的分布规律和上模载荷的变化,发现锻造温度增大时,叶片等效应变分布规律基本不变,最大等效应力和模具载荷减小;锻造速度减小时,叶片变形更加均匀,最大等效应力与模具载荷增大;摩擦系数增大时,叶片等效应变分布规律基本不变,等效应力在叶片不同的区域呈现出不同的分布规律,模具载荷增大。因此,通过增大锻造温度、减小锻造速度和减小摩擦系数,可以有效降低该合金叶片的变形抗力。从提高等温成形的加热速度方面出发,提出了一种新型的基于中频感应加热的等温成形模具,其特点是加热效率高,模具升温速度快,间接提高了生产效率。同时,模具使用标准的模架和可更换的成形模块,成本较低,通用性强。
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