攪拌摩擦漸進成形中板料局部溫升特性研究.pdf

1、板料漸進成形不需要或僅需要部分模具，適用于鈑金零件的試制、個性化定制和小批量生產(chǎn)，因而受到廣泛的關(guān)注和研究。隨著鎂合金、鋁合金和鈦合金等難成形輕金屬材料的廣泛應用，溫/熱漸進成形成為漸進成形領(lǐng)域的研究熱點。在各種加熱方法中，利用轉(zhuǎn)動的工具與板料間的摩擦加熱板料的攪拌摩擦漸進成形因為不需要額外的加熱裝置，方法簡單，節(jié)能環(huán)保，最為引人關(guān)注。攪拌摩擦漸進成形中，板料局部溫度升高特性是影響板料成形性能的關(guān)鍵因素，充分了解工藝參數(shù)對成形中板料局部

2、溫度升高的影響規(guī)律和影響程度，建立完整的板料漸進成形過程溫度變化數(shù)學模型是合理制定攪拌摩擦漸進成形工藝的基礎(chǔ)。而到目前為止，對于攪拌摩擦漸進成形的研究尚處于初始階段，相關(guān)研究主要集中于少數(shù)工藝參數(shù)對板料溫度變化的影響以及成形性能的研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、挪捎脤嶒炑芯康姆椒▽嚢枘Σ翝u進成形中板料溫升的作用機制，各工藝參數(shù)對板料局部溫升的影響規(guī)律和影響程度進行分析和討論?；趥鳠釋W基本理論，將攪拌摩擦漸進成形中板料的傳熱過

3、程進行合理簡化和抽象，推導建立板料的溫度變化數(shù)學模型。在數(shù)值模擬研究中，建立等效工具等效溫度和成形工藝參數(shù)間關(guān)系的數(shù)值模型，并利用其完成實際零件的數(shù)值模擬。用實驗的方法對比討論各工藝參數(shù)對成形后零件的晶粒大小和力學性能的影響。
　?、撇捎猛鶑蜐u進成形直溝槽實驗，對比不同位置的測溫點的溫度變化規(guī)律，證明在與成形區(qū)域接近的測溫點處，板料的溫度變化規(guī)律與成形處的變化規(guī)律相似，可以用來表征成形區(qū)域板料的溫度變化規(guī)律。通過單次漸進成形直溝槽

4、實驗和往復漸進成形直溝槽實驗，對比分析板料局部溫升的作用機制，證實由工具自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱是造成板料的局部溫升的主要原因。通過單次漸進成形溝槽實驗測量板料溫度變化，分別研究各因素對攪拌摩擦漸進成形中板料局部溫升的影響，為本文后續(xù)實驗研究設(shè)計提供參考。
　?、遣捎谜粚嶒炁c響應面實驗的方法，以 AZ31B板料為實驗材料，對各工藝參數(shù)及其交互項對板料局部溫升峰值的影響趨勢及其影響水平進行更深入更全面的實驗研究。通過對實驗結(jié)果進行方差分析

5、和回歸分析，建立板料局部溫升峰值相對各工藝參數(shù)的回歸方程，并對其進行回歸評價。正交實驗、響應面實驗與單因素分析得到的各因素對于板料局部溫度的影響趨勢均為：溫升值隨著板料厚度、層進給深度、工具轉(zhuǎn)速和加工傾角的增加而提高，隨著進給速度的增加而減少，隨工具直徑的增大先增加后降低。根據(jù)正交實驗的分析結(jié)果，進給速度和層進給深度是影響板料局部溫升的兩個最主要的因素。
　　⑷對攪拌摩擦漸進成形中，板料的局部溫升和傳熱過程進行合理的簡化和假設(shè)，建

6、立板料溫升的數(shù)學模型。在傅里葉定律的基礎(chǔ)上，將攪拌摩擦漸進成形中板料的傳熱過程簡化和抽象為板料在線狀連續(xù)移動熱源作用下的溫場模型。本文采用中心復合響應面實驗設(shè)計，通過測試不同工藝參數(shù)組合條件下成形截頭四棱錐零件距離棱邊一定位置處溫度變化，反向計算板料吸收熱功率，再基于響應面分析，建立板料吸收熱功率模型，并進一步討論板料溫度曲線和溫場的變化規(guī)律。對比理論計算板料溫度變化和實驗結(jié)果，兩者吻合較好，說明所提出的板料吸熱功率計算方法可行。

7、>　?、舍槍嚢枘Σ翝u進成形數(shù)值模擬中，因考慮工具轉(zhuǎn)動而導致的計算量巨大，工程應用難以接受的問題，提出等效工具等效溫度法。將轉(zhuǎn)動工具等效為一定溫度的固定工具，基于實驗和響應面方法獲得鎂合金AZ31B板料等效工具等效溫度與工藝參數(shù)的關(guān)系模型，將該模型用于棱錐盒零件的攪拌摩擦漸進成形數(shù)值模擬中，完成整個零件成形的模擬，并與實測溫度進行對比，結(jié)果證明數(shù)值模擬溫度變化曲線與實驗結(jié)果在趨勢、波動程度以及數(shù)值上較為吻合，證明將所提出的方法應用于實際

8、零件成形過程數(shù)值模擬可行。
　?、什捎谜粚嶒灒Y(jié)合拉伸實驗、硬度實驗和金相組織的觀察，進一步地研究各工藝參數(shù)及其交互項對成形后零件的晶粒大小和力學性能的影響。根據(jù)金相組織觀察的結(jié)果，在鎂合金在摩擦攪拌漸進成形后，晶粒相對于原始板材的晶粒細化非常明顯，表明各實驗所對應的板材均發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。方差分析發(fā)現(xiàn)，加工傾角，以及加工傾角與工具轉(zhuǎn)速的交互項，是影響板料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶后晶粒大小的主要因素。拉伸實驗和硬度實驗的實驗結(jié)果也表明，攪