【摘要】：板料漸進(jìn)成形不需要或僅需要部分模具,適用于鈑金零件的試制、個(gè)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(yīng)用,溫/熱漸進(jìn)成形成為漸進(jìn)成形領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在各種加熱方法中,利用轉(zhuǎn)動(dòng)的工具與板料間的摩擦加熱板料的攪拌摩擦漸進(jìn)成形因?yàn)椴恍枰~外的加熱裝置,方法簡(jiǎn)單,節(jié)能環(huán)保,最為引人關(guān)注。攪拌摩擦漸進(jìn)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(duì)成形中板料局部溫度升高的影響規(guī)律和影響程度,建立完整的板料漸進(jìn)成形過(guò)程溫度變化數(shù)學(xué)模型是合理制定攪拌摩擦漸進(jìn)成形工藝的基礎(chǔ)。而到目前為止,對(duì)于攪拌摩擦漸進(jìn)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(duì)板料溫度變化的影響以及成形性能的研究。本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)攪拌摩擦漸進(jìn)成形中板料溫升的作用機(jī)制,各工藝參數(shù)對(duì)板料局部溫升的影響規(guī)律和影響程度進(jìn)行分析和討論�；趥鳠釋W(xué)基本理論,將攪拌摩擦漸進(jìn)成形中板料的傳熱過(guò)程進(jìn)行合理簡(jiǎn)化和抽象,推導(dǎo)建立板料的溫度變化數(shù)學(xué)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(shí)際零件的數(shù)值模擬。用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)比討論各工藝參數(shù)對(duì)成形后零件的晶粒大小和力學(xué)性能的影響。首先,本文采用往復(fù)漸進(jìn)成形直溝槽實(shí)驗(yàn),對(duì)比不同位置的測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化規(guī)律,證明在與成形區(qū)域接近的測(cè)溫點(diǎn)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(lái)表征成形區(qū)域板料的溫度變化規(guī)律。通過(guò)單次漸進(jìn)成形直溝槽實(shí)驗(yàn)和往復(fù)漸進(jìn)成形直溝槽實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析板料局部溫升的作用機(jī)制,證實(shí)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(guò)單次漸進(jìn)成形溝槽實(shí)驗(yàn)測(cè)量板料溫度變化,分別研究各因素對(duì)攪拌摩擦漸進(jìn)成形中板料局部溫升的影響,為本文后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)提供參考。在此基礎(chǔ)上,本文采用正交實(shí)驗(yàn)與響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的方法,以AZ31B板料為實(shí)驗(yàn)材料,對(duì)各工藝參數(shù)及其交互項(xiàng)對(duì)板料局部溫升峰值的影響趨勢(shì)及其影響水平進(jìn)行更深入更全面的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和回歸分析,建立板料局部溫升峰值相對(duì)各工藝參數(shù)的回歸方程,并對(duì)其進(jìn)行回歸評(píng)價(jià)。正交實(shí)驗(yàn)、響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)與單因素分析得到的各因素對(duì)于板料局部溫度的影響趨勢(shì)均為:溫升值隨著板料厚度、層進(jìn)給深度、工具轉(zhuǎn)速和加工傾角的增加而提高,隨著進(jìn)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(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果,進(jìn)給速度和層進(jìn)給深度是影響板料局部溫升的兩個(gè)最主要的因素。然后,本文對(duì)攪拌摩擦漸進(jìn)成形中,板料的局部溫升和傳熱過(guò)程進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和假設(shè),建立板料溫升的數(shù)學(xué)模型。在傅里葉定律的基礎(chǔ)上,將攪拌摩擦漸進(jìn)成形中板料的傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化和抽象為板料在線狀連續(xù)移動(dòng)熱源作用下的溫場(chǎng)模型。本文采用中心復(fù)合響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),通過(guò)測(cè)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(jì)算板料吸收熱功率,再基于響應(yīng)面分析,建立板料吸收熱功率模型,并進(jìn)一步討論板料溫度曲線和溫場(chǎng)的變化規(guī)律。對(duì)比理論計(jì)算板料溫度變化和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,兩者吻合較好,說(shuō)明所提出的板料吸熱功率計(jì)算方法可行。此外,針對(duì)攪拌摩擦漸進(jìn)成形數(shù)值模擬中,因考慮工具轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致的計(jì)算量巨大,工程應(yīng)用難以接受的問(wèn)題,提出等效工具等效溫度法。將轉(zhuǎn)動(dòng)工具等效為一定溫度的固定工具,基于實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)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(jìn)成形數(shù)值模擬中,完成整個(gè)零件成形的模擬,并與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果證明數(shù)值模擬溫度變化曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)、波動(dòng)程度以及數(shù)值上較為吻合,證明將所提出的方法應(yīng)用于實(shí)際零件成形過(guò)程數(shù)值模擬可行。最后,本文采用正交實(shí)驗(yàn),結(jié)合拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)和金相組織的觀察,進(jìn)一步地研究各工藝參數(shù)及其交互項(xiàng)對(duì)成形后零件的晶粒大小和力學(xué)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(jìn)成形后,晶粒相對(duì)于原始板材的晶粒細(xì)化非常明顯,表明各實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的板材均發(fā)生了動(dòng)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(xiàng),是影響板料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后晶粒大小的主要因素。拉伸實(shí)驗(yàn)和硬度實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,攪拌摩擦漸進(jìn)成形后所得的各試樣的顯微硬度與抗拉強(qiáng)度相對(duì)于原始試樣均有明顯提高。表明利用摩擦攪拌漸進(jìn)成形可以促使板料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,再結(jié)晶后板料的力學(xué)性能也隨之提高,可以作為制備細(xì)晶材料的一種方法。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)、以及數(shù)值模擬的方法,從不同角度對(duì)攪拌摩擦漸進(jìn)成形中板料局部溫度升高規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性研究,為合理制定攪拌摩擦漸進(jìn)成形工藝提供設(shè)計(jì)指導(dǎo),為利用攪拌漸進(jìn)成形過(guò)程中的摩擦熱,和提高板料的漸進(jìn)成形性能提供理論基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG306

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本文編號(hào)：2389141