大型铝合金梁框模锻件成形工艺仿真与实验研究

论文摘要

大型铝合金梁框模锻件是飞机上重要的承力构件,其成形压力巨大,质量要求严格,如何在现有设备能力不足的情况下锻造出大型模锻件,并且保证成形质量,是大型模锻件成形制造过程面临的一个重要的课题,本文针对某大型梁框模锻件的成形制造需要,采用理论分析与数值仿真相结合的方法开展了预锻件设计与成形工艺模拟,提出了局部加载成形工艺方案,并且开展了缩比锻件的实验研究,取得了如下成果：(1)通过有限元仿真分析,优化了梁框模锻件预锻件的形状。基于锻造工艺学与实际锻件形状,开展了典型梁框模锻件的模具型腔设计,并进行了成形过程镦粗、充填、保压三个阶段的仿真分析。仿真结果表明：在相同工艺参数情况下,工字型截面的最大成形载荷比方形截面的载荷降低21.8%。优化后的预锻件能有效地避免穿筋等缺陷的产生,保证锻件的成形质量。(2)研究了在等温锻造条件下,梁框模锻件整体锻造工艺,结果表明,锻件材料在加载速度1mm/s以下时,受回复和动态再结晶的影响较大,塑性增大,但是变形不充分；而加载速度在1mm/s以上时加工硬化明显,成形载荷增大,故加载速度取1mm/s比较适合；在800MN压机上成形时摩擦因子应保证在0.1左右；适当提高锻件温度可以有效地提高锻件塑性和降低成形压力,在800MN压机上成形时应采取等温锻造工艺,锻造温度为450℃C。(3)针对大型梁框模锻件成形载荷巨大,常规锻造无法精确成形的难题,研究了分段局部加载工艺,提出了在上述等温加载参数下的分区加载方案。结果表明,合理的分区能提高锻件质量,降低成形载荷,当锻件分为三个加载区,两个道次加载时,第一道次变形量取40%,第二道次15%,加载过程中每个上模的载荷均未超过300MN,可以保证在现有的300MN压机上成形。(4)用铅作为实验材料,进行了缩比锻件实验。实验结果表明：经预成形设计的锻件,金属均匀流动、锻件填充情况较好、飞边均匀；未经预成形设计的锻件,变形不均匀性显著,锻件各部位阻力差异较大,飞边较多且沿轮廓不均匀分布；阻力仓的作用明显,在实际锻造中应设置阻力仓,以保证良好的充填和组织的致密,实验结果与仿真结果具有较好的一致性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 大型梁框类锻件成形特点、方法以及研究现状
• 1.2.1 大型梁框类锻件成形特点与方法
• 1.2.2 国外大型铝合金研究状
• 1.2.3 国内铝合金锻件的研究现状
• 1.3 数值模拟的应用
• 1.4 本课题来源以及论文研究内容
• 第二章 大型铝合金梁框模锻件预成形设计
• 2.1 预成形设计基本理论和方法
• 2.1.1 预成形设计基本理论
• 2.1.2 预锻模膛设计方法
• 2.2 预成形设计软件的介绍和材料模型
• 2.2.1 预成形设计软件介绍
• 2.2.2 软件各模块及主要功能
• 2.2.3 材料模型
• 2.3 大型梁框锻件的预成形设计
• 2.3.1 锻件的设计
• 2.3.2 预锻件的设计
• 2.4 预成形件数值模拟
• 2.4.1 有限元模型的建立
• 2.4.2 结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 大型梁框模锻件成形工艺仿真
• 3.1 刚粘塑性有限元理论
• 3.1.1 基本方程、变分原理和迭代过程
• 3.1.2 传热问题及摩擦模型
• 3.2 整体式加载方案
• 3.2.1 整体式加载工艺仿真
• 3.2.2 模具温度的影响
• 3.2.3 摩擦系数的影响
• 3.2.4 加载速度的影响
• 3.3 局部加载工艺仿真
• 3.3.1 局部加载方案的确定
• 3.3.2 变形量的分配
• 3.3.3 分段局部加载分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 梁框缩比锻件成形工艺实验
• 4.1 物理模拟方法
• 4.1.1 物理模拟的原理、原则、相似准则
• 4.1.2 物理模拟所使用的材料和性能
• 4.2 实验条件和实验结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果