鋁合金半固態(tài)二次加熱和觸變成形數(shù)值模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化.pdf

1、隨著全球化經(jīng)濟(jì)競爭的加劇，開發(fā)新型的凈加工成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、清潔、敏捷生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今制造業(yè)發(fā)展趨勢。半固態(tài)技術(shù)正是適應(yīng)這一趨勢而出現(xiàn)的一種新型的凈成形工藝。自從美國麻省理工學(xué)院D.B.Spencer等學(xué)者發(fā)現(xiàn)錫鉛合金半固態(tài)觸變性能之后，立刻引起了國內(nèi)外學(xué)者及企業(yè)界的極大興趣，半固態(tài)技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展。 半固態(tài)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：充型平穩(wěn)，無湍流和噴濺，加工產(chǎn)品質(zhì)量高，兼具傳統(tǒng)鑄造和鍛造成形之優(yōu)點(diǎn)；

2、與鑄造相比，減輕了對模具的熱沖擊，大幅度提高了模具壽命；成形件表面質(zhì)量高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，氣孔、偏析缺陷少，力學(xué)性能高等。適用于輕合金材料、難加工材料以及外觀復(fù)雜產(chǎn)品的凈加工成形。 但由于人們對半固態(tài)加工認(rèn)識時間尚短，且該技術(shù)涉及多學(xué)科交叉，目前與半固態(tài)相關(guān)基礎(chǔ)理論及其在工業(yè)應(yīng)用的研究還不夠完善，有待進(jìn)一步探索和創(chuàng)新。本文通過對半固態(tài)鋁合金二次加熱的理論及實(shí)驗(yàn)研究，揭示了半固態(tài)二次加熱組織演變之規(guī)律，建立了半固態(tài)材料模型、流動應(yīng)力

3、模型及數(shù)值仿真模型，不僅對于半固態(tài)觸變成形基礎(chǔ)理論和計(jì)算機(jī)模擬仿真有重要的理論意義，而且對于優(yōu)化半固態(tài)生產(chǎn)工藝也具有重要的指導(dǎo)意義。具體研究內(nèi)容如下： 實(shí)驗(yàn)研究了加熱溫度、保溫時間和加熱速度對半固態(tài)組織的影響。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到了ZL101合金半固態(tài)體積分?jǐn)?shù)與加熱溫度之間的關(guān)系式。 對ZL101 鋁合金試樣在各種不同工藝參數(shù)下的感應(yīng)加熱溫度及溫度均勻性進(jìn)行了研究。運(yùn)用CAE技術(shù)模擬了加熱頻率、加熱時間、線圈電流強(qiáng)度

4、、線圈尺寸、加熱后停留時間等參數(shù)對坯料溫度場的影響；在此基礎(chǔ)上探討了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在半固態(tài)二次加熱中的應(yīng)用，對ZL101鋁合金試樣感應(yīng)加熱過程中電磁場、溫度場等耦合場進(jìn)行了模擬和多學(xué)科參數(shù)優(yōu)化，得到了加熱頻率、加熱時間、電流等參數(shù)的最優(yōu)組合，以及二次加熱中獲得均勻溫度場的所需的工藝條件和參數(shù)。 對ZL101鋁合金半固態(tài)流動特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對半固態(tài)變形過程的變形機(jī)制及組織演變機(jī)理的研究，建立了ZL

5、101流動應(yīng)力三段模型，進(jìn)一步指導(dǎo)數(shù)值模擬仿真的研究。 進(jìn)行了鋁合金半固態(tài)觸變成形熱力耦合有限元模擬及實(shí)驗(yàn)研究，在deform平臺上，通過自定義材料庫和數(shù)學(xué)模型，分別對半固態(tài)鐓粗過程和擠出成形過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究，得到了變形力－行程曲線，應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場和網(wǎng)格變形信息。為預(yù)測半固態(tài)材料成形過程的流動行為、控制和預(yù)防成形缺陷、優(yōu)化工藝參數(shù)和指導(dǎo)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。 最后對模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，證實(shí)了本文研究的可靠