顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、耐磨性好、導(dǎo)熱系數(shù)大等特點(diǎn),但是塑性較差,且變形過程中顯微組織的變化不易控制,加熱時(shí)間過長會導(dǎo)致晶粒粗大,容易出現(xiàn)微裂紋和界面脫粘等成形缺陷,因此對于熱加工工藝要求較高。等溫成形技術(shù)通過將模具加熱到與坯料相同的溫度,使坯料溫度始終保持在最佳的成形溫度范圍,與常規(guī)模鍛相比,坯料變形更加均勻,鍛件性能更加優(yōu)良。由于等溫成形設(shè)備通常采用電阻式加熱爐加熱,其加熱效率較低,造成生產(chǎn)效率低,限制了該技術(shù)的應(yīng)用。本文為了研究中頻感應(yīng)加熱用于等溫成形時(shí)的加熱工藝,首先以45鋼和TiB_2/7075鋁基復(fù)合材料為例,進(jìn)行了感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn),得到了不同功率下兩種材料的溫度變化規(guī)律。利用Marc軟件對感應(yīng)加熱過程中試樣的溫度變化規(guī)律進(jìn)行模擬,對影響試樣溫度的兩個(gè)因素(電流頻率和電流密度)進(jìn)行了研究。之后對兩種材料的試樣進(jìn)行了局部等溫的感應(yīng)加熱工藝研究,通過調(diào)整加熱功率和加熱時(shí)間,使試樣快速升溫并保溫一段時(shí)間,從而達(dá)到等溫的效果。在此基礎(chǔ)上,對45鋼和TiB_2/7075鋁基復(fù)合材料試樣進(jìn)行了局部等溫壓縮實(shí)驗(yàn),并在Marc中對45鋼的感應(yīng)加熱和局部等溫成形進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。利用有限元軟件Deform-3D對TiB_2/7075鋁基復(fù)合材料葉片的等溫鍛造工藝進(jìn)行了模擬,通過優(yōu)化毛坯形狀避免了折疊缺陷。針對影響該合金葉片等溫鍛成形性能的三個(gè)主要因素(成形溫度、鍛造速度和摩擦系數(shù)),對葉片的鍛造過程進(jìn)行了模擬,通過分析成形過程中葉片等效應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律和上模載荷的變化,發(fā)現(xiàn)鍛造溫度增大時(shí),葉片等效應(yīng)變分布規(guī)律基本不變,最大等效應(yīng)力和模具載荷減小;鍛造速度減小時(shí),葉片變形更加均勻,最大等效應(yīng)力與模具載荷增大;摩擦系數(shù)增大時(shí),葉片等效應(yīng)變分布規(guī)律基本不變,等效應(yīng)力在葉片不同的區(qū)域呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律,模具載荷增大。因此,通過增大鍛造溫度、減小鍛造速度和減小摩擦系數(shù),可以有效降低該合金葉片的變形抗力。從提高等溫成形的加熱速度方面出發(fā),提出了一種新型的基于中頻感應(yīng)加熱的等溫成形模具,其特點(diǎn)是加熱效率高,模具升溫速度快,間接提高了生產(chǎn)效率。同時(shí),模具使用標(biāo)準(zhǔn)的模架和可更換的成形模塊,成本較低,通用性強(qiáng)。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB331
【部分圖文】：

第二章 感應(yīng)加熱原理與有限元模型的基本原理與特點(diǎn)定律與焦耳熱效應(yīng)丹麥物理學(xué)家奧斯特（H.Oersted ）發(fā)現(xiàn)帶電導(dǎo)體的周理學(xué)家法拉第（M.farady）發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體做切割磁力線流，這就是著名的電磁感應(yīng)定律。奧斯特和法拉第的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。1840 年，英國物理學(xué)家焦耳（J.J部分轉(zhuǎn)化為熱能，這即是焦耳—楞次定律。電磁感構(gòu)成了感應(yīng)加熱的理論基礎(chǔ)。過程中，流經(jīng)感應(yīng)線圈的交變電流在線圈周圍產(chǎn)生切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，并轉(zhuǎn)化為熱能，從而直交變磁場

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文表 2-2 空氣與線圈的材料參數(shù)Tab.2-2 Material properties for air and coil質(zhì)量密度 Kg/m3導(dǎo)熱系數(shù) W/m ℃ 比熱容 J/Kg ℃ 介電常數(shù) F/m 磁導(dǎo)率 H/m1.3 0.024 1000 8.854×10-121.25×10-6在模型的遠(yuǎn)場空氣的外邊界施加電磁邊界條件為：磁勢和電勢為 0。在試樣的外邊界施加熱輻射邊界條件，輻射率為 0.4。線圈中施加電流密度載荷為 5.3×106A/m2，頻率為 31300Hz。2.4.3 模擬結(jié)果圖 2-3 是模擬得到的模型溫度場變化圖。可以看到，由于感應(yīng)加熱具有集膚效應(yīng)，試樣靠近線圈的外表面最先開始升溫，并且端部溫度最高，符合感應(yīng)加熱的端部效應(yīng)[50]。隨著時(shí)間延長，溫度不斷向試樣右端和心部傳導(dǎo)，最終形成徑向均溫，軸向溫度線性變化的溫度場，與理論分析結(jié)果比較吻合，證明該模型具有一定的合理性。

應(yīng)加熱過程中試樣材料的熱物性（如導(dǎo)熱系數(shù)、磁導(dǎo)率等）會對加尤其是鐵磁性材料，在感應(yīng)加熱過程中磁導(dǎo)率隨著溫度變化較大，較非鐵磁性材料更為復(fù)雜。為了了解不同材料感應(yīng)加熱時(shí)的溫升規(guī)兩種磁性不同的材料，即鐵磁性材料 45 鋼和非鐵磁性材料 TiB2/707料，進(jìn)行感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)，以研究兩者在同一加熱條件下溫升曲線的時(shí)，借助非線性有限元軟件 Marc，研究感應(yīng)加熱過程中電流頻率和熱過程的影響規(guī)律，為后續(xù)研究等溫感應(yīng)加熱工藝奠定基礎(chǔ)。感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)設(shè)備為中頻感應(yīng)加熱電源，通過電纜與感應(yīng)線圈相連。感應(yīng)線圈徑為 34mm，外徑為 47mm，高度為 14.5mm。試樣材料為 45 鋼和 Ti合材料，尺寸均為Φ20×50mm。驗(yàn)前利用DHJ熱電偶焊接機(jī)將兩只K型熱電偶分別焊接在試樣的表，以測量試樣表面和中心的溫度，溫度數(shù)據(jù)由 Daqbook 2000 系列數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置和試樣測溫點(diǎn)如圖 3-1 所示。中心

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2818211