熱擠壓畢業(yè)論文-5a06鋁合金薄板高筋構(gòu)件擠壓成形缺陷分析及工藝優(yōu)化

1、<p>　　分類號：TG376 單位代碼：10110</p><p>　　學(xué) 號：s12003036</p><p><b>　　中 北 大 學(xué)</b></p><p>　　碩 士 學(xué) 位 論 文</p><p>　　5A06鋁合金薄板高

2、筋構(gòu)件擠壓成形缺陷分析及工藝優(yōu)化</p><p>　　碩士研究生 劉翠俠 </p><p>　　指導(dǎo)教師 張治民 教授 </p><p>　　學(xué)科專業(yè) 材料加工工程 </p><p><b>　　–</b></p><p

3、>　　2015 年 月 日</p><p>　　圖書分類號 TG376 密級 非密 </p><p>　　UDC 注1 </

4、p><p>　　碩 士 學(xué) 位 論 文</p><p>　　5A06鋁合金薄板高筋構(gòu)件擠壓成形缺陷分析</p><p><b>　　及工藝優(yōu)化</b></p><p><b>　　劉翠俠</b></p><p><b>　　(作者姓名)</b>&l

5、t;/p><p>　　指導(dǎo)教師(姓名、職稱) 張治民 教授 </p><p>　　申請學(xué)位級別 工學(xué)碩士 </p><p>　　專業(yè)名稱 材料加工工程

6、 </p><p>　　論文提交日期 2015 年 月 日</p><p>　　論文答辯日期 2015 年 月 日</p><p>　　學(xué)位授予日期 2015 年 月 日</p><p>　　論文評閱人 教授

7、 副教授 </p><p>　　答辯委員會(huì)主席 教授 </p><p>　　2015 年 月 日</p><p>　　注1：注明《國際十進(jìn)分類法UDC》的分類</p><p><b>　　原 創(chuàng) 性 聲 明</b>&

8、lt;/p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。</p><p>　　論文作者簽名： 日期：

9、 </p><p>　　關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明</p><p>　　本人完全了解中北大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括：①學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；②學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；③學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；④學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；⑤學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容(保密學(xué)位論文在解密后遵

10、守此規(guī)定)。</p><p>　　簽 名： 日期： </p><p>　　導(dǎo)師簽名： 日期： </p><p>　　5A06鋁合金薄板高筋構(gòu)件擠壓成形缺陷分析</p><p><b&g

11、t;　　及工藝優(yōu)化</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文所研究的鋁合金大型薄板高筋零件是某產(chǎn)品上的重要部件，該零件屬于形狀復(fù)雜、體積分配不均勻且截面積不對稱的構(gòu)件。在室溫和高溫條件下，其尺寸精度及機(jī)械性能均要求較高。對此類零件，目前國內(nèi)常采用對預(yù)變形的毛坯直接進(jìn)行機(jī)械加工的方式制造。但這種方式材料利用率低、生產(chǎn)周期長

12、、投入成本高、良品率比較低。而鍛造可以改善工件的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高材料利用率，同時(shí)提高工件的機(jī)械性能，針對此薄板高筋零件的特殊服役環(huán)境，本文采用等溫?cái)D壓成形方法實(shí)現(xiàn)其整體成形。</p><p>　?。?）結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其擠壓成形性進(jìn)行分析并確定合理的擠壓件圖。初步制定其等溫?cái)D壓成形工藝方案，本文采用UG軟件建立幾何模型，然后將其轉(zhuǎn)化為模擬過程中的剛塑性有限元模型，運(yùn)用有限元模擬軟件MSC/ superfor

13、m對其進(jìn)行研究。</p><p>　?。?）通過運(yùn)用有限元模擬軟件對初步制定的成形工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明擠壓件在成形過程中出現(xiàn)了折疊、縮孔及充填不滿的缺陷，然后對擠壓件缺陷的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)合缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，提出了通過模具結(jié)構(gòu)的逐步優(yōu)化克服各類缺陷以得到最佳成形工藝方案，針對各方案出現(xiàn)的不同的問題提出了不同的解決方法，并通過有限元模擬加以驗(yàn)證，最終獲得合理的成形工藝方案。</p>

14、<p>　?。?）對得到的最佳等溫?cái)D壓成形工藝方案，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)的優(yōu)化。所優(yōu)化的工藝參數(shù)包括擠壓溫度、擠壓速度及摩擦系數(shù)。通過有限元模擬，得出各個(gè)參數(shù)對成形載荷、等效應(yīng)力及等效應(yīng)變的影響規(guī)律，以此為判據(jù)，最終確定最佳工藝參數(shù)。</p><p>　?。?）根據(jù)上述的研究，對5A06鋁合金薄板高筋構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究。</p><p>　　本文通過對此5A06鋁合金大型薄板

15、高筋構(gòu)件的等溫?cái)D壓成形工藝方案的研究，制定了合理的成形工藝方案，可以大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，同時(shí)達(dá)到了提高材料利用率、提高零件的綜合性能、降低成本的目的。對此類零件的成形工藝方案的制定具有一定的參考作用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鋁合金，薄板高筋構(gòu)件，等溫?cái)D壓成形，數(shù)值模擬</p><p>　　The extrusion defects analysis and process opt

16、imization of the parts with high web and thin plate of 5A06 aluminum alloy</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The aluminum alloy large part with high web and thin plate researched in

17、this paper is an important part of a certain product, whose characteristic includes the complex shape, size distribution non-uniform and asymmetric cross-sectional area. But there are strict and high requiremen

18、ts on its size precision mechanical properties at room temperature or high temperature conditions. At present, these parts are often obtained through machining of the pre-deformation roughs directly in domestic, but t<

19、;/p><p>　?。?）Combined with the structural characteristics of the part, the extrusion formability was analyzed and a reasonable extrusion part figure was developed. The initial isothermal extrusion forming proce

20、ss program was developed. In this paper, the three-dimensional modeling tool UG was used to establish geometric models, which were converted to rigid-plastic finite element model of simulation process. The finite element

21、 simulation software MSC / superform was also adopted to do the research.</p><p>　?。?）The simulation of the initial forming process program by the finite element simulation software showed that there were fo

22、lded, shrinkage and filling discontent defects occurring in the extrusion part during the forming process. Then the generating mechanism of defects were analysed in detail. Combined with the generating mechanism of def

23、ects, the mold of overcoming the defects by optimizing the die structure gradually was proposed to achieve the best forming process program of this part. Di</p><p>　?。?）The mold was designed and the process

24、parameters which included extrusion temperature, extrusion speed and friction coefficient were optimized for the obtained isothermal extrusion program. By finite element simulation, the influence of each parameter on for

25、ming load, equivalent stress and equivalent strain was obtained, which was as a criterion to determine the best process parameters.</p><p>　?。?）According to the study above, the experimental trial for 5A06 a

26、luminum part with high web and thin plate was conducted.</p><p>　　Through the research on isothermal extrusion program of the this large 5A06 aluminum part with high web and thin plate, the reasonable i

27、sothermal extrusion process program was obtained at last, which could greatly short the product development cycle, improve material utilization, improve the comprehensive properties of the parts and reduce cost and also

28、had a certain reference on development of the forming process of such parts.</p><p>　　Keywords：aluminum alloy, parts with high web and thin plate, isothermal extrusion, numerical simulation</p><p&

29、gt;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景1</p><p>　　1.2 鋁合金特性及研究進(jìn)展2</p><p>　　1.2.1 鋁及鋁合金的特性及分類編號2</p><p>　　

30、1.2.2 鋁合金的國外研究進(jìn)展5</p><p>　　1.2.3 鋁合金的國內(nèi)研究進(jìn)展6</p><p>　　1.3 鋁合金精密成形技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀7</p><p>　　1.3.1 精密成形技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢7</p><p>　　1.3.2 鋁合金擠壓技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀9</p><p>　　

31、1.4 鋁合金筋板成形工藝研究現(xiàn)狀11</p><p>　　1.5 課題研究目的及意義13</p><p>　　1.6 本課題主要研究內(nèi)容13</p><p>　　第二章 薄板高筋零件擠壓成形性分析15</p><p><b>　　2.1 引言15</b></p><p>　　2.2 5

32、A06 鋁合金材料的介紹15</p><p>　　2.3 薄板高筋零件結(jié)構(gòu)難度的擠壓性分析16</p><p>　　2.4 成形工藝方案的初步確定17</p><p>　　2.4.1 工藝方案的制定17</p><p>　　2.4.2 擠壓件圖的制定18</p><p>　　2.5本章小結(jié)19</p&

33、gt;<p>　　第三章 薄板高筋零件初步成形工藝方案的數(shù)值模擬20</p><p>　　3.1 有限元模擬技術(shù)的發(fā)展概況20</p><p>　　3.1.1 有限元法的基本原理及分析步驟21</p><p>　　3.1.2 有限元模擬技術(shù)在塑性成形中的應(yīng)用22</p><p>　　3.1.3 有限元模擬軟件MSC/su

34、perform簡介23</p><p>　　3.2 初步成形工藝方案的數(shù)值模擬24</p><p>　　3.2.1 三維造型及有限元模型的建立24</p><p>　　3.2.2 成形方案模擬結(jié)果與分析26</p><p>　　3.3 缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析30</p><p>　　3.3.1 縮孔缺陷分析30&

35、lt;/p><p>　　3.3.2 充填不滿缺陷31</p><p>　　3.3.3 折疊缺陷31</p><p>　　3.4 優(yōu)化方案的確定32</p><p>　　3.4.1 優(yōu)化方案的提出32</p><p>　　3.4.2 優(yōu)化方案的對比選擇33</p><p>　　3.5 本章小

36、結(jié)34</p><p>　　第四章 零件優(yōu)化成形方案的數(shù)值模擬35</p><p>　　4.1 模具優(yōu)化設(shè)計(jì)思路的提出35</p><p>　　4.2 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路的模擬驗(yàn)證36</p><p>　　4.2.1 具體優(yōu)化方案的制定36</p><p>　　4.2.2 優(yōu)化方案的模擬驗(yàn)證36</

37、p><p>　　4.3 成形方案的進(jìn)一步優(yōu)化37</p><p>　　4.3.1 方案三的制定及數(shù)值模擬37</p><p>　　4.3.2 方案四的制定及數(shù)值模擬40</p><p>　　4.4 成形方案的最終優(yōu)化42</p><p>　　4.4.1 方案五的制定42</p><p>　

38、　4.4.2 坯料體積和尺寸的確定42</p><p>　　4.4.3 方案五的模擬結(jié)果及分析43</p><p>　　4.5 本章小結(jié)44</p><p>　　第五章 工藝參數(shù)的優(yōu)化及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)46</p><p>　　5.1 擠壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化46</p><p>　　5.1.1 擠壓溫度的優(yōu)化46

39、</p><p>　　5.1.2 擠壓速度的優(yōu)化50</p><p>　　5.1.3 摩擦系數(shù)的優(yōu)化52</p><p>　　5.2 模具設(shè)計(jì)55</p><p><b>　　5.3 小結(jié)58</b></p><p>　　第六章 薄板高筋零件等溫?cái)D壓成形試驗(yàn)研究59</p>

40、<p>　　6.1 試驗(yàn)條件59</p><p>　　6.1.1 試驗(yàn)材料59</p><p>　　6.1.2 試驗(yàn)設(shè)備59</p><p>　　6.1.3 加熱條件60</p><p>　　6.1.4 試驗(yàn)用潤滑劑60</p><p>　　6.2 實(shí)驗(yàn)過程60</p><p

41、>　　6.2.1 下料60</p><p>　　6.2.2 等溫?cái)D壓成形過程61</p><p>　　6.3 成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果61</p><p>　　6.4 本章小結(jié)62</p><p><b>　　結(jié)論63</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)64</b&

42、gt;</p><p>　　攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文68</p><p><b>　　致 謝1</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景 </p><p>　　近年來，在我國制造業(yè)尤其是機(jī)械工業(yè)得到了迅速的發(fā)

43、展。在機(jī)械、兵器、航空及航天等各個(gè)領(lǐng)域，大部分零件不僅工作條件苛刻而且受力情況比較復(fù)雜，除尺寸精度要求高外，更要求具備良好的機(jī)械性能，不能存在裂紋、夾雜物、氣孔等缺陷。這為近凈成形技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展平臺。面對日益激烈的國際化競爭，如何在較低成本、低能耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備及其零部件的設(shè)計(jì)與制造，并且仍然保持較高的精度與性能，己成為我國工業(yè)化發(fā)展的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工方式，不僅材料利用率和生產(chǎn)效率低，而且機(jī)械性能也由于金屬流線在

44、機(jī)加過程中被破壞而受到影響。塑性加工技術(shù)的不斷革新使得精密塑性成形技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，而塑性加工理論的逐步完善和工藝裝備技術(shù)的不斷更新，為該技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[1]。</p><p>　　隨著能源和環(huán)境問題的日益尖銳，環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約受到人們越來越多的重視與關(guān)注，二十一世紀(jì)的塑性加工產(chǎn)品逐漸向著輕量化、高強(qiáng)度、高精度、低消耗的研究方向發(fā)展。鋁合金憑借其自身優(yōu)越性越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)

45、的各個(gè)領(lǐng)域，塑性精密成形技術(shù)生產(chǎn)出的產(chǎn)品精度高，生產(chǎn)周期短。這既節(jié)省了原材料，又得到了性能優(yōu)異符合二十一世紀(jì)對塑性加工要求的產(chǎn)品。目前生產(chǎn)的發(fā)展，除了滿足上述要求外，更迫切地是要解決復(fù)雜形狀工件的成形問題，對于不同形狀的工件其加工方法也有所不同。近年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)以及其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，塑性加工工業(yè)也獲得了空前的發(fā)展，一些新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備相繼得到開發(fā)。隨著各種新型方法的應(yīng)用，鋁合金工件在當(dāng)代制造業(yè)中將發(fā)揮越來越大的作用[2]-

46、[3]。</p><p>　　薄板高筋類構(gòu)件作為一類典型的形狀復(fù)雜構(gòu)件，在飛機(jī)、雷達(dá)衛(wèi)星及導(dǎo)彈等裝備中具有廣泛的應(yīng)用，但由于筋板件往往都具有高筋、薄壁等特點(diǎn)，這使其加工存在較多的困難。目前，此類零件的常見加工方法是先經(jīng)過鍛造或軋制生產(chǎn)出毛坯，再對毛坯進(jìn)行機(jī)械加工來生產(chǎn)。但機(jī)械加工時(shí)筋板件上最關(guān)鍵的凸臺區(qū)域成形往往是分層銑削出來的，因而金屬流線在機(jī)械加工過程中被切斷，這大大降低了零件的使用性能。而采用傳統(tǒng)的鍛造成形

47、工藝，坯料很可能會(huì)產(chǎn)生充填不滿、金屬流線折斷、穿筋等諸多的缺陷，對設(shè)備噸位的要求很高，這使得其生產(chǎn)成本高。</p><p>　　本文以5A06鋁合金薄板高筋構(gòu)件為研究對象，該零件是非軸對稱的筋板類結(jié)構(gòu)件，且其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文結(jié)合其外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其等溫?cái)D壓成形工藝方案進(jìn)行了研究。針對該零件在成形過程中存在的缺陷，通過對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終制定出了合理的成形工藝方案。此外，本文對其進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)及成形工藝參數(shù)優(yōu)

48、化，并對此薄板高筋構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究。</p><p>　　1.2 鋁合金特性及研究進(jìn)展</p><p>　　1.2.1 鋁及鋁合金的特性及分類編號</p><p>　　鋁，作為一種輕型金屬，在地殼的分布十分廣泛，平均含量為8.8%，是鋼鐵蘊(yùn)藏量的一倍多。鋁元素最開始是由1825年丹麥的物理學(xué)家H.C.奧爾斯德（H.C.Oersted）發(fā)現(xiàn)的，他在使用鉀汞齊與氯化鋁相

49、互作用獲得了鋁汞齊，之后再用蒸餾法去掉汞，他第一次制得了金屬鋁[4-5]。純鋁的最大特點(diǎn)是密度很小，僅為 2.72g/cm3，熔點(diǎn)低（660℃），強(qiáng)度低（σb=80MPa），塑性高（ψ=80%），沸點(diǎn)為 2327 ℃。鋁具有面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，且沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，有較高的可塑性，純鋁相對很軟，強(qiáng)度不是很大，具有優(yōu)越的延展性，用壓力加工時(shí)容易成形，此外還具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。鋁在潮濕空氣中能自己形成一層性能穩(wěn)定的氧化膜，可以防止金屬腐蝕

50、，因而鋁在空氣以及其他介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性能，而且其純度越高耐蝕性能就越好。鋁粉在空氣中加熱時(shí)，可以猛烈地燃燒。鋁還易溶于一些酸和堿的溶液，但不溶于水[5]。</p><p>　　由于純鋁的強(qiáng)度和硬度都比較低，不能用來制造具有承載作用的主要機(jī)械零件，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對零件強(qiáng)度的要求不斷提高，純性鋁也就越發(fā)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，于是人們逐漸尋求其他方法來強(qiáng)化鋁，逐漸開發(fā)了鋁合金，即向鋁中加入某

51、些元素后就構(gòu)成鋁合金。常用于加入鋁中來構(gòu)成鋁合金的合金元素主要有Si、Mg、Cu、Mn、Zn等。這些元素在Al中不僅可以形成Al基有限固溶體，而且其中大部分可以與Al形成二元或三元共晶類型相圖。通過這種方法獲得的鋁合金既可以保持純鋁的各類優(yōu)點(diǎn)，又能夠獲得較高的強(qiáng)度。除此之外，鋁合金還具備了良好的彈性、抗沖擊及耐磨性能、高導(dǎo)電導(dǎo)熱、以及較高的回收再生性能等[6]。</p><p>　　依據(jù)鋁合金的成分、組織及工藝等

52、方面的特點(diǎn)，能夠?qū)X合金分為鑄造鋁合金、變形鋁合金兩大類。它們的理論分界線即為共晶溫度下飽和固溶體的極限溶解度。所謂鑄造鋁合金即為熔融的合金通過直接澆鑄而成為形狀復(fù)雜、甚至是薄壁的成形件，其對合金的要求較高，要求合金要具備良好的流動(dòng)性。而變形鋁合金則是將鋁合金鑄錠通過壓力加工，將鋁合金鑄錠制成半成品或模鍛件，所以它對鋁合金的要求是鋁合金要具備良好的塑性變形能力。當(dāng)變形鋁合金受熱時(shí)，將呈現(xiàn)單相固溶體狀態(tài)，此時(shí)合金不僅塑性好，而且更適合壓力

53、加工。此外，通過冷變形和熱處理，可以使鋁合金的強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提高。變形鋁合金還可分為可熱處理強(qiáng)化鋁合金及不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，它們的理論分界線即為室溫下飽和固溶體的極限溶解度，變形鋁合金、鑄造鋁合金及熱處理可強(qiáng)化合金在相圖上的成分范圍如圖1.1所示[7]。</p><p>　　圖1.1 鋁合金分類示意圖</p><p>　　Fig.1.1 The schematic diagram of

54、 aluminum classification</p><p>　　依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16474-1996的相關(guān)規(guī)定，變形鋁及鋁合金能夠直接引用國際四位數(shù)字體系的牌號。未命名為國際四位數(shù)字體系牌號的變形鋁及鋁合金，可以采用四位數(shù)字符牌號命名。兩種編號方法的第一位都是阿拉伯?dāng)?shù)字，其代表鋁與鋁合金的組別。1表示鋁含量達(dá)到99.00% 及以上的純鋁；2、3、4、5分別代表組成元素以Cu、Mn、Si、Mg為主的鋁合金

55、；6代表組成元素以Mg和Si為主，并以Mg2Si相為強(qiáng)化相的鋁合金；7表示組成元素以Zn為主的鋁合金。兩種編號方法的第二位均表示原始合金的改型情況，其中國際四位數(shù)體系牌號的第二位為阿拉伯?dāng)?shù)字，0表示原始合金；四位字符牌號的第二位為大寫的英文字母，A則表示原始合金。兩種編號方法的最后兩位也都為阿拉伯?dāng)?shù)字，沒有什么特別的意義，只是用來區(qū)分同一組中的不同鋁合金。例如，5A06表示6號Al-Mg系變形鋁合金，2A14表示14號Al-Cu系變形鋁

56、合金。</p><p>　　依據(jù)被加入的主要合金元素的不同，鑄造鋁合金又被分為Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四大類，其代號分別用ZL1、ZL2、ZL3和ZL4加兩位數(shù)字的順序號來表示，其中ZL分別為“鑄”“鋁”拼音的首字母。如ZL101代表的是1號鋁硅系的鑄造合金，ZL202代表的是2號鋁銅系的鑄造鋁合金，以此類推[7]。表1.1為鋁合金的分類及性能特點(diǎn)。</p><p

57、>　　表1.1 鋁合金的分類及性能特點(diǎn)</p><p>　　Table 1.1 The classification and performance characteristics of aluminum alloy </p><p>　　注：括號內(nèi)的牌號為舊牌號</p><p>　　1.2.2 鋁合金的國外研究進(jìn)展</p><p>　

58、　近年來，面對資源約束越來越緊張及能源供應(yīng)約束的嚴(yán)峻形勢，隨著人們對鋁合金研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)了鋁合金重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、良好的加工性及適合通過焊接、壓制、鍛造的加工工藝處理等特點(diǎn)。鋁合金由于具有以上的優(yōu)良性能，已成為減輕武器裝備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化并提高武器裝備各項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)性能的理想結(jié)構(gòu)材料。而經(jīng)過擠壓、鍛造、軋制等方法加工而成的鋁合金產(chǎn)品具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的機(jī)械性能[8][9]。因此，鋁合金材料非常適用于軍事、民用工

59、業(yè)以及航空航天領(lǐng)域，且得到越來越廣泛的開發(fā)與應(yīng)用。</p><p>　　多年來，在西方發(fā)達(dá)國家，與鋁合金相關(guān)的研究工作獲得了很大程度的重視與投入。隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，材料的靜態(tài)力學(xué)性能不能滿足航天航空事業(yè)的發(fā)展需求。因而，鋁合金強(qiáng)度和韌性的提高和改善逐漸成為了其研究的重點(diǎn)，它們大體朝著強(qiáng)度高、韌性高的方向發(fā)展，并且在這基礎(chǔ)上盡最大可能的提高鋁合金的耐腐蝕性、斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度。此外，在合金性能方

60、面，鋁合金的合金化程度也在不斷完善，對某些對鋁合金組織和性能不利的雜質(zhì)及微量元素的控制逐步趨于合理化，使得合組織結(jié)構(gòu)得到更好的改善。為了實(shí)現(xiàn)在提高鋁合金強(qiáng)度和韌性的同時(shí)有保證其具有良好的綜合性能這一目標(biāo)，人們不斷探索新的熱處理工藝及新成形技術(shù)[10]。</p><p>　　關(guān)于熱處理工藝方面的研究：在八十年代末期，美國一家金屬公司探究出第一種雙級時(shí)效熱處理工藝，此工藝通過控制晶界上所析出相的尺寸、分布情況及PFZ

61、的寬度來實(shí)現(xiàn)降低合金SCC敏感性，不過合金的強(qiáng)度也會(huì)下降10~15%。1974年，以色列飛機(jī)公司的Cina[11]提出了一種三級時(shí)效工藝，即RRA(Retrogression and Re-Ageing)處理。此處理工藝使5A06合金在具有峰時(shí)效強(qiáng)度的同時(shí)，還具備較高的抗應(yīng)力腐蝕能力。此外，還發(fā)現(xiàn)RRA處理不僅適用于5A06鋁合金，還適合其他高鋅鋁合金使用。這為人們繼續(xù)開發(fā)更高強(qiáng)度的鋁合金指明了一條新的途徑。19世紀(jì)90年代初，日本的一

62、家公司通過某種特殊的工藝研發(fā)出了抗拉強(qiáng)度在700 MPa以上的超高強(qiáng)鋁合金，雖然此工藝還僅僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，但此合金的問世已把鋁合金的強(qiáng)度性能指標(biāo)推向了新的高峰。二十世紀(jì)九十年代初，以噴射成形技術(shù)為代表的新一代RS/PM工藝在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，噴射成形技術(shù)在應(yīng)用的過程中，合金從熔煉到鑄件的成型均能夠連續(xù)進(jìn)行且都是在真空中進(jìn)行的，這減少了合金元素的氧化。噴射成形技術(shù)的誕生，使高強(qiáng)鋁合金的跨越式發(fā)展成為可能。90年</p>

63、<p>　　可見，國外對超高強(qiáng)鋁合金的研究較早，基本工藝路線也已相對成熟，形成了較為全面的理論體系，并且在以后的研究中，也主要是沿著高純、高強(qiáng)度、高韌性和高耐蝕的方向發(fā)展。</p><p>　　1.2.3 鋁合金的國內(nèi)研究進(jìn)展</p><p>　　我國是資源豐富的國家，鋁合金的蘊(yùn)含量也比較豐富。但是與西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國關(guān)于鋁合金及其相關(guān)行業(yè)的研究工作起步較晚，進(jìn)而使得我

64、國鋁合金的開發(fā)利用率較低。我國已將鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)列為國防科技關(guān)鍵技術(shù)及重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，同時(shí)，在鋁合金的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)方面做了大量的開拓性工作[13]。</p><p>　　隨著對鋁合金的認(rèn)識及了解的不斷加深，我國越來越看中鋁合金的研發(fā)工作，并不斷在加大投入力度。在我國的高度重視與支持下，我國先后研制開發(fā)出了多種新型超高強(qiáng)鋁合金。例如，我國通過利用半連續(xù)鑄造法成功研制出了超高強(qiáng)鋁合金，并且還在鋁合金其它相

65、關(guān)產(chǎn)業(yè)，通過利用先進(jìn)的工藝方法研發(fā)出了各種高性能鋁合金制品及型材[10]。但是直到20世紀(jì)80年代初期，我國才開始進(jìn)行關(guān)于Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)高韌鋁合金的開發(fā)研究。到20年代90年代中期，北京航空材料研究所通過借鑒其它國家的合金牌號，成功研發(fā)出了7A55超高強(qiáng)鋁合金，后來又研制出了強(qiáng)度更高的7A60合金[14]。從20世紀(jì)90年代末開始，重慶大學(xué)與西南鋁業(yè)有限公司合作一起在超高強(qiáng)度鋁合金上開展了大量的研發(fā)工作，在強(qiáng)制固溶、析出控

66、制以及控制材料純凈度等方面都有重要研究進(jìn)展[15]。近年來，關(guān)于超高強(qiáng)鋁合金方面，國內(nèi)很多其他學(xué)者也做了很多相關(guān)的研究，并已經(jīng)取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成果。</p><p>　　目前，我國所研制開發(fā)的鋁合金材料，無論在屈服強(qiáng)度方面還是在延伸率方面都已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。但是在鋁合金及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研究方面，我國還需要繼續(xù)努力，放眼未來，我國高性能鋁合金材料的研發(fā)工作必定能夠達(dá)到國際領(lǐng)先水平[16]。</p>

67、<p>　　1.3 鋁合金精密成形技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 精密成形技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　金屬塑性加工在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、用途及目的的不同出現(xiàn)了多種加工工藝，按工藝特征分為：軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓等[2]。實(shí)際生產(chǎn)中，塑性加工的基本環(huán)節(jié)如圖1.2所示。目前科學(xué)技術(shù)面臨著巨大的變革。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)

68、及其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，塑性加工工業(yè)也得到了空前的發(fā)展。</p><p>　　精密塑性成形技術(shù)是近年來隨著新材料、新設(shè)備、新工藝及計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)等技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的新型成形技術(shù)。是一種零件成形后接近或幾乎達(dá)到零件精度要求，不需要或很少需要后續(xù)加工的制造技術(shù)。這項(xiàng)新技術(shù)在節(jié)約原材料及能源的同時(shí)，又減少了后續(xù)加工及設(shè)備的投入，此外還顯著提高了零件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。精密成形技術(shù)所制造產(chǎn)品

69、同時(shí)具有合格的外形尺寸和較低表面粗糙度。精密成形技術(shù)主要包括精密鑄造、精密鍛壓、精密熱塑性成形、精密焊接與切割等。</p><p>　　圖1.2 塑性加工過程的基本環(huán)節(jié)</p><p>　　Fig.1.2 Basic segment of the plastic processing</p><p>　　精密塑性成形技術(shù)具備以下一些特點(diǎn)[18]：①使成形產(chǎn)品的金屬流

70、線恰好沿零件輪廓合理的分布，產(chǎn)品具有很好的組織結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能；②可以達(dá)到產(chǎn)品輕量化的要求，同時(shí)提高制件的安全性、可靠性及使用壽命；③節(jié)約材料和能源，同時(shí)縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，大幅度降低成本；④能夠生產(chǎn)形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供有力的技術(shù)支持與保障；⑤與傳統(tǒng)成形工藝相比，能夠改善產(chǎn)品的生產(chǎn)條件，減少對環(huán)境的污染，已經(jīng)發(fā)展成為了一種清潔生產(chǎn)技術(shù)，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展開創(chuàng)了廣闊的平臺。</p><p>　　精密

71、塑性成形技術(shù)作為一種先進(jìn)的高科技制造技術(shù)，已得到了迅猛的發(fā)展，并且被廣泛地用在了工業(yè)制造領(lǐng)域。發(fā)展并有效地應(yīng)用這種技術(shù)是節(jié)約能源、節(jié)約材料、提高材料利用率的一個(gè)重要途徑。隨著航空航天、國防建設(shè)以及交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，人們越來越重視新型輕合金材料的研發(fā)。鋁合金由于其自身的優(yōu)越性而被廣泛用于這些領(lǐng)域之中。鋁合金的使用可以大大降低車輛、武器等的自重，進(jìn)而大大減小燃油量，也伴隨著提高其動(dòng)力學(xué)特性，很大程度上增加軍事設(shè)備的作戰(zhàn)距離。同時(shí)達(dá)到了

72、改善設(shè)備使用性能及節(jié)能環(huán)保的目的。故世界各國近年來不斷增加人力物力的投入，重點(diǎn)加強(qiáng)研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化精密塑性成形技術(shù)在鋁合金材料領(lǐng)域的應(yīng)用[19]。</p><p>　　經(jīng)過多年的努力，我國的精密成形技術(shù)已取得了驕人的成績，為實(shí)現(xiàn)武器裝備、車輛等設(shè)備具有高的可靠性、長久的使用壽命以及高效能提供了強(qiáng)有力的保障。我國通過冷鍛、溫鍛成形生產(chǎn)的部分精密鍛件如圖1.3所示[20]。隨著航空航天科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，我國的

73、精密塑性成形技術(shù)也踏入了一個(gè)新的發(fā)展階段。但面對未來的發(fā)展，同樣伴隨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我國精密塑性成形技術(shù)不只是要在需求帶動(dòng)下才開展各項(xiàng)研發(fā)工作，而是要更加積極地發(fā)揮技術(shù)來推動(dòng)能動(dòng)性，這樣有針對性地不斷加強(qiáng)對精密塑性成形技術(shù)基礎(chǔ)研究，促進(jìn)其得到穩(wěn)步發(fā)展提升。</p><p>　　到目前為止，精密成形技術(shù)已走過很長的發(fā)展歷程，其中各種冷鍛、溫鍛、精密鍛造、精密沖裁等技術(shù)已在國內(nèi)外的工業(yè)、汽車行業(yè)以及航空航天等領(lǐng)域顯現(xiàn)出

74、了非常廣闊的發(fā)展前景[21-22]。國內(nèi)外的精密成形技術(shù)都將朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展：①數(shù)值模擬技術(shù)將會(huì)越來越廣泛地用于預(yù)測和優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及精密成形過程；②由近凈成形逐漸朝著凈成形的方向發(fā)展，盡可能地減少工藝流程并且不斷提高材料利用率；③促進(jìn)超大形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件的整體精密成形更加低成本化；④促使智能技術(shù)、納米技術(shù)與精密塑性成形技術(shù)有效地結(jié)合在一起，為材料的成形提供更為全新的技術(shù)。著眼未來，精密成形技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展一定會(huì)推動(dòng)未來探月工程以及深空

75、探測工程所必須的新型航天器大型運(yùn)載火箭等航天產(chǎn)品及型號的研制生產(chǎn)[23]。</p><p>　　圖1.3 各種冷鍛、溫鍛精密鍛件</p><p>　　Fig.1.3 The precision forgings of cold or warm forging</p><p>　　1.3.2 鋁合金擠壓技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 </p><p>

76、　　1.3.2.1 鋁合金擠壓技術(shù)在國外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　鋁合金具有很多自身的優(yōu)越性，鋁合金與鋼相比最為突出的優(yōu)點(diǎn)之一就是，能夠用擠壓成形的工藝方法制成某些用熱軋鍛方法不能制成的形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。鋁合金由于具有優(yōu)良的擠壓性能，而成為一種非常適合通過擠壓實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的金屬材料。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金材料擠壓成形過程的工藝以及模具種類很多。 </p><p>　　19

77、64年，美國的研究人員首次提出了鋁合金的擠壓成形工藝，并將所成形出的產(chǎn)品成功地應(yīng)用在了跑車的車輪上。自此之后，鋁合金擠壓件便開始在轎車上大范圍地推廣應(yīng)用。同時(shí)，被稱為“跑車故鄉(xiāng)”的意大利也開始在鋁合金擠壓件的成形工藝及模具的相關(guān)工作上投入大量的人力物力。他們主要研究內(nèi)容是跑車的支架以及輪轂，為了更好地降低車量的自重，同時(shí)保證車輛的安全性及生產(chǎn)的高效性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，被稱為汽車制造的大國的德國從1994年到1998年的幾年間，在汽車工業(yè)當(dāng)

78、中，鋁合金擠壓件的產(chǎn)量年平均增長已經(jīng)超過了5%，而且選用的鋁合金種類越來越多，鋁合金被廣泛地應(yīng)用在了汽車的各種零部件當(dāng)中。例如，德國辛根鋁業(yè)公司首先將2014-T6鋁合金進(jìn)行表面保護(hù)處理來提高其性能，然后再將其通過擠壓工藝，制造出汽車底盤、懸架等用來承受較高的靜負(fù)載以及動(dòng)載荷的零件，保證了所獲得的零件具有較高強(qiáng)度的同時(shí)，又能滿足耐久性。到2009年，德國汽車零件制造常采用的鋁合金已達(dá)到將近35種，基本已經(jīng)覆蓋汽車零件使用的大部分主要區(qū)域

79、[24]。在日本，鋁合金材料及相關(guān)擠壓加工工藝應(yīng)用最廣泛的是摩托車制造領(lǐng)域。由鋁合金擠壓成形制造的活塞使得摩托車發(fā)動(dòng)</p><p>　　目前，隨著新技術(shù)、新工藝的不斷問世，鋁合金擠壓成形技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了汽車領(lǐng)域、航空航天、軍工等領(lǐng)域。近年來，由于相關(guān)技術(shù)的封鎖，關(guān)于國外鋁合金的精密擠壓成形工藝非常罕見[3]。目前，鋁合金擠壓技術(shù)得到了空前的發(fā)展，所研制開發(fā)的一些連續(xù)擠壓、反擠壓及等溫?cái)D壓技術(shù)，大大地滿足了

80、軍用和民用工業(yè)的需要。</p><p>　　1.3.2.2 鋁合金擠壓技術(shù)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 </p><p>　　與發(fā)達(dá)國家相比，我國關(guān)于鋁合金擠壓技術(shù)的研究起步較晚，其發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家之間仍有較大差距。目前，我國鋁合金擠壓技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、國防軍工等領(lǐng)域。在普通民用鋁合金零件上，尤其是汽車的主要零部件上，鋁合金擠壓技術(shù)的應(yīng)用還很少。此外，我國對于形狀比較復(fù)雜的鋁合金構(gòu)件的精密擠

81、壓成形工藝的研究還很不足。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者的研究主要集中在鋁合金精密擠壓工藝的模擬和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方面。例如，張昌明[26]等人運(yùn)用Deform-3D模擬軟件對2A12鋁合金鍛造變形進(jìn)行了研究，分析了鍛件在整個(gè)鍛造成形過程中的變形規(guī)律，此外還研究了坯料溫度、應(yīng)力的變化情況，為之后成形工藝方案的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。伍太賓等人[27]對2A12鋁合金薄壁殼體的近凈成形加工技術(shù)展開了研究，他們通過溫?cái)D與溫沖復(fù)合工藝得

82、到的最終的產(chǎn)品，其表面光潔度良好，尺寸精度也比較高，同時(shí)克服了裂紋、折疊等缺陷，還大幅度提高了材料的利用率和生產(chǎn)效率。河南科技大學(xué)的方泉水[28]通過對LY12鋁合金異形件進(jìn)行冷鍛工藝試驗(yàn)，展開了對精密冷鍛成形技術(shù)的研究，最終獲得了合理的冷鍛潤滑機(jī)制，這對今后的實(shí)際生產(chǎn)具有很重要的指</p><p>　　鋁合金良好的加工性、質(zhì)輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高等特性決定了它非常適合于進(jìn)行壓力制造、焊、鍛等方式加工。鋁合金的優(yōu)異特

83、性能夠很好地滿足軍事工業(yè)、民用工業(yè)以及航天航空業(yè)對材料的要求，已成為當(dāng)今世界最具發(fā)展前景的金屬合金材料之一。所以，開發(fā)和研究高性能鋁合金，同時(shí)采用更加先進(jìn)的加工技術(shù)來發(fā)展鋁合金相關(guān)產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)前國內(nèi)外鋁合金研究工作的重點(diǎn)[10]。</p><p>　　1.4 鋁合金筋板成形工藝研究現(xiàn)狀</p><p>　　近年來，航空航天、汽車以及兵器工業(yè)得到了空前的發(fā)展，為滿足航天航空、武器裝備等產(chǎn)業(yè)對

84、材料及結(jié)構(gòu)輕量化的需求，大部分零部件都朝著大型、精密、復(fù)雜截面等方向發(fā)展。這促使輕質(zhì)合金材料（如鋁合金）的筋板類復(fù)雜形狀構(gòu)件逐漸得到更為廣泛的應(yīng)用。伴隨著高端裝備制造業(yè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，筋板件不僅要滿足形狀尺寸精度的要求，還必須滿足構(gòu)件的機(jī)械性能要求。而且，此類零件的尺寸越大，相對其性能的要求也就越高。若采用傳統(tǒng)塑性整體成形工藝加工此類大型復(fù)雜構(gòu)件，則需要很大的成形力，會(huì)對壓力設(shè)備的提出極高的要求。而且鍛件還比較容易出現(xiàn)材料充填不滿的缺

85、陷，使得鍛件達(dá)不到使用要求。這就需要國內(nèi)外不斷加大研發(fā)精確塑性成形新原理、新方法及先進(jìn)的塑性成形技術(shù)的投入力度，逐步實(shí)現(xiàn)薄板高筋類構(gòu)件的整體精密成形[30-31]。</p><p>　　筋板類構(gòu)件作為火箭、飛機(jī)等裝備上大量使用的結(jié)構(gòu)件，往往都具有形狀復(fù)雜、筋高且薄、體積分配不均勻、筋的高度不均一等特點(diǎn)，此類構(gòu)件這些特點(diǎn)提高了加工的難度。由于此類薄板高筋類構(gòu)件種類繁多、應(yīng)用范圍也比較廣，不同領(lǐng)域?qū)?gòu)件使用性能的要求

86、也就不同，這使得其加工方法和工藝也存在較大差別[32]，但一般都要求其具有較高的形狀尺寸精度及機(jī)械性能。目前，此類構(gòu)件的加工方法主要包括以下幾種[31]： </p><p><b>　?。?）機(jī)械加工 </b></p><p>　　機(jī)械加工是指在經(jīng)過鍛造或軋制獲得簡單形狀的毛坯后，再利用數(shù)控加工的方法將構(gòu)件的高筋和薄壁在毛坯上逐個(gè)加工出來。這種方法的材料利用率以及生

87、產(chǎn)效率極低，很容易造成環(huán)境污染。最重要的是在數(shù)控加工過程中主要部位的金屬流線被切斷，這使得構(gòu)件的強(qiáng)度和機(jī)械性能大幅度降低。對于大型框、梁類結(jié)構(gòu)件若通過機(jī)械加工制造，其經(jīng)過銑削后，翹曲變形量往往比較大，通常需要后續(xù)的校形處理，而在校形后的結(jié)構(gòu)件中又不可避免地存在新產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這樣就會(huì)大幅度地縮短工件的使用壽命，從而降低其工作的可靠性。 </p><p><b>　?。?）精密鑄造 </b>

88、</p><p>　　對使用性能要求不是很高的筋板類構(gòu)件，使用精密鑄造的方法加工，成形效果很好，可以避免出現(xiàn)機(jī)加過程中金屬流線被切斷的現(xiàn)象，而且高筋處的材料充填效果也好。對于使用性能要求相對較高的大型薄腹高筋類構(gòu)件，美國、俄羅斯等國家基本也都采用精密鑄造的方法[33]進(jìn)行加工。目前，在美國、日本等技術(shù)較為先進(jìn)的國家，大批量生產(chǎn)出來的鈦合金精密鑄件的直徑已經(jīng)達(dá)到1300 mm左右，其中直徑最大可達(dá)2000 mm，腹

89、板的壁厚基本在1mm～2mm之間，其中最薄的壁厚僅為0.15mm。鋁合金精密鑄件所達(dá)到的水平更高，精鑄件的成品率可達(dá)80%以上，材料的利用已經(jīng)率達(dá)80%～90%。</p><p>　　我國的精密鑄造技術(shù)與國外先進(jìn)國家相比還存在較大的差距，所生產(chǎn)出的筋板類鑄件存在的缺陷較多，組織相對不夠致密。精密鑄件的廢品率有的高達(dá)70%～80%，可材料利用率卻僅為20%～30%，即所投入的加工成本較高但成品率卻比較低?？傮w來說，

90、采用鑄造的方法生產(chǎn)此類工件[34]，其晶粒尺寸較為粗大、組織不夠細(xì)密，強(qiáng)度僅能達(dá)到350 MPa左右，延伸率δ≥4%～6%，但如果采用精密塑性技術(shù)，產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性均能得到明顯提高，即強(qiáng)度可以提高到450 MPa，延伸率δ≥10%，此外，良品率也能夠達(dá)到98%。</p><p><b>　?。?）攪拌摩擦焊 </b></p><p>　　攪拌摩擦焊技術(shù)在某些大型的整體

91、筋板結(jié)構(gòu)件中已經(jīng)得到了較為成功應(yīng)用。美國Eclipse飛機(jī)制造公司制造的第一架攪拌摩擦焊商用噴氣客機(jī)成功完成了首飛測試。但通過利用焊接方法得到的大型筋板類構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力往往比較大，而且疲勞強(qiáng)度比較低，這就大大降低了結(jié)構(gòu)的可靠性。目前此工藝發(fā)展的還不是很成熟，還不太能夠適用于比較復(fù)雜構(gòu)件的加工[35]。</p><p>　　（4）等溫成形技術(shù) </p><p>　　薄板高筋類構(gòu)件往往

92、都具有高筋、薄壁等特點(diǎn)，此外由于筋部截面形式不均一，造成金屬的流動(dòng)性較差。若采用鍛造成形的工藝方法，一般對所需設(shè)備的噸位要求很高，且在鍛件的高筋薄壁處容易產(chǎn)生多種缺陷，進(jìn)而大大降低模具的使用壽命，增大投入的生產(chǎn)成本。若采用等溫成形技術(shù)[36-37]，即在成形過程中，保證模具與坯料具有相近的成形溫度，這樣可以大大降低材料的變形抗力，使得金屬流動(dòng)相對容易，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜筋板構(gòu)件各部位的成形，同時(shí)也降低了對設(shè)備噸位的要求。但在等溫成形過程中，有

93、時(shí)仍存在金屬在高筋處匯聚，進(jìn)而造成高筋流線紊亂、折斷的現(xiàn)象。因而，在實(shí)驗(yàn)前可能需要對模具結(jié)構(gòu)或坯料形狀進(jìn)行優(yōu)化。對于某些技術(shù)性能要求比較高的大型薄腹高筋類的構(gòu)件，若采用等溫成形的方法制造，所得到的工件往往能滿足此類工件的使用要求。</p><p>　　1.5 課題研究目的及意義</p><p>　　某產(chǎn)品上的大型薄板高筋構(gòu)件，材料為LF6（5A06）鋁合金。該工件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總體尺寸比較

94、大，尺寸公差要求嚴(yán)格。對于此零件，目前大多利用分體制造后焊接方式進(jìn)行加工，但往往存在以下問題：①焊縫的強(qiáng)度較低，僅達(dá)到基體強(qiáng)度的60%～70%；②帶筋部位的金屬流線不完整；③對中性較差，產(chǎn)品變形量較大，難以滿足零件的高精度要求；④容易產(chǎn)生缺陷，內(nèi)部疲勞性能以及抗應(yīng)力腐蝕的性能下降明顯，使用壽命大大降低；⑤產(chǎn)品的加工周期長，材料利用率很低，所需投入成本極高。總之，目前所采用的加工方式很大程度上影響了該產(chǎn)品的綜合性能[38]。 </p

95、><p>　　本文對于此薄板高筋結(jié)構(gòu)件采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)過程中所存在的問題，對其整體等溫?cái)D壓成形工藝進(jìn)行研究。由于大型筋板件的成形過程屬于一個(gè)非常復(fù)雜的塑性變形過程，影響這個(gè)過程的因素又很多，成形條件相對比較苛刻，整個(gè)過程的金屬流動(dòng)情況很難進(jìn)行精確控制。因此，在了解此零件整體成形金屬流動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，在其成形的過程中，合理地采用有效辦法，協(xié)調(diào)控制好金屬的流動(dòng)方向，使金屬材料向著需要充填的模具型腔區(qū)域流動(dòng)，進(jìn)而合理地協(xié)調(diào)

96、金屬材料的局部流動(dòng)與整體變形，最終實(shí)現(xiàn)此構(gòu)件筋板與腔體的整體成形。這樣才能保證工件流線的完整，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，才能克服焊接或鑄造強(qiáng)度低的缺陷，最終獲得綜合性能更高的零件，為實(shí)現(xiàn)此類零件的整體成形奠定一定的理論基礎(chǔ)。此外，實(shí)現(xiàn)此類大型薄板高筋件的整體成形，不僅能夠大幅度提高產(chǎn)品精度及機(jī)械性能，還能夠充分發(fā)揮材料的潛能，提高材料利用率，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)“綠色制造”，為促進(jìn)我國工業(yè)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)[39-40]。 </p

97、><p>　　1.6 本課題主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題對某產(chǎn)品上的大型薄板高筋件的整體等溫?cái)D壓成形技術(shù)展開研究，根據(jù)此薄板高筋件的技術(shù)性能要求，其材料為LF6（5A06）鋁合金。對此工件整體擠壓成形技術(shù)的研究是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，主要包括工件擠壓成形性分析、擠壓成形工藝方案的制定、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、模擬結(jié)果系統(tǒng)分析、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化等多方面的工作。本文結(jié)合塑性變形基本理論，利用MSC

98、/superform有限元軟件對此薄板高筋件的擠壓成形工藝過程進(jìn)行仿真模擬，從而獲得合理的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)以及成形工藝參數(shù)，最終制定出合理的成形工藝方案，主要進(jìn)行以下幾方面的工作：</p><p>　?。?）分析此大型薄板高筋零件的結(jié)構(gòu)及形狀特點(diǎn)，通過考慮材料的成形性能、材料的利用率等因素，初步確定此零件的擠壓件圖，并初步制定擠壓成形工藝方案； </p><p>　?。?）對初步擬定的工件

99、擠壓成形方案進(jìn)行數(shù)值模擬，對成形過程中金屬流動(dòng)特點(diǎn)、缺陷預(yù)測、擠壓載荷等結(jié)果進(jìn)行評價(jià)及詳細(xì)分析；</p><p>　?。?）根據(jù)所出現(xiàn)的缺陷，結(jié)合產(chǎn)生缺陷的機(jī)理分析，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，結(jié)合模擬軟件對零件的成形過程進(jìn)行模擬，通過對不同模具型腔結(jié)構(gòu)下金屬的充填情況以及成形載荷的分析，優(yōu)化出合理的模具結(jié)構(gòu)，逐漸克服缺陷，最終確定工件的擠壓成形工藝方案；</p><p>　?。?）選擇不同溫度、加載速

100、度及摩擦因子等工藝參數(shù)對薄板高筋的擠壓過程進(jìn)行多次模擬，以成形載荷、等效應(yīng)力及等效應(yīng)變?yōu)榕袚?jù)，選擇最佳的成形工藝參數(shù)，為之后此薄板高筋構(gòu)件的等溫?cái)D壓成形試驗(yàn)研究提供有效依據(jù)；</p><p>　?。?）結(jié)合上述模擬結(jié)果，完成擠壓模具各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)制造出合理的模具；</p><p>　?。?）利用已確定的工藝參數(shù)和設(shè)計(jì)的模具，進(jìn)行工件的擠壓試驗(yàn)試制，檢查零件成形質(zhì)量，對數(shù)值模擬的結(jié)果

101、與擠壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，同時(shí)驗(yàn)證成形工藝方案和模具設(shè)計(jì)的正確性及可行性。</p><p>　　第二章 薄板高筋零件擠壓成形性分析</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　薄板高筋構(gòu)件是某型航空產(chǎn)品上大量使用的結(jié)構(gòu)件。隨著高端裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，筋板件不僅要滿足結(jié)構(gòu)和形狀的要求，還要滿足構(gòu)件的機(jī)械性能要求。某產(chǎn)

102、品上的薄板高筋零件如圖2.1所示，該工件具有尺寸大、壁薄、有復(fù)雜形狀立筋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)要求，要求其具有較高的機(jī)械性能，而使用傳統(tǒng)的鑄造、焊接等加工方法，工件性能受損比較嚴(yán)重，而且材料利用率較低。目前，多采用厚板進(jìn)行機(jī)械加工的方式生產(chǎn)此類零件，但是這種方式具有生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低、同時(shí)材料利用率不高的特點(diǎn)，容易造成環(huán)境污染，不符合現(xiàn)代綠色制造的理念。因此，只有擠壓才能通過細(xì)晶強(qiáng)化的方法來實(shí)現(xiàn)工件的整體成形及其整體性能的提

103、高。工件的筋部通過擠壓成形可以減少后續(xù)加工工序，縮短了生產(chǎn)周期，而且減少了材料的浪費(fèi)，進(jìn)而提高了材料的利用率。所以，本文通過等溫?cái)D壓成形的方法來實(shí)現(xiàn)此薄板高筋零件的成形。</p><p><b>　　A-A</b></p><p>　　圖2.1 薄板高筋零件圖</p><p>　　Fig.2.1 The parts diagram of par

104、ts with high web and thin plate</p><p>　　2.2 5A06鋁合金材料的介紹</p><p>　　該產(chǎn)品技術(shù)性能要求選擇5A06鋁合金作為該零件的主體材料。5A06鋁合金屬于Al-Mg系防銹鋁，是Al-Mg系合金中的典型合金。5A06鋁合金作為一種國產(chǎn)的延性合金材料，具有較高的強(qiáng)度、良好的耐蝕性、易于成形加工、可焊性及低溫性能良好、不可熱處理強(qiáng)化等特

105、點(diǎn)，是一種綜合性能良好的新型鋁合金材料。5A06鋁合金構(gòu)件在復(fù)雜工作環(huán)境中能夠承受各種動(dòng)態(tài)載荷的作用，因而不同狀態(tài)的5A06鋁合金在航空航天、交通運(yùn)輸、船舶和汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[19]。所以，5A06鋁合金能夠很好地滿足此薄板高筋零件的服役性能要求，其合金元素成分如表2.1所示，室溫下的機(jī)械性能如表2.2所示[41]。</p><p>　　表2.1 5A06鋁合金的合金元素成分（%）</p>

106、;<p>　　Table 2.1 The chemical composition of 5A06 aluminum alloy (%)</p><p>　　表2.2 5A06鋁合金室溫的機(jī)械性能</p><p>　　Table 2.2 The mechanical properties of 5A06 aluminum alloy at room temperature&l