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复杂薄壁铝合金零件冲击液压成形技术与设备研究

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1.1 复杂薄壁零件的应用及制造技术

1.1.1航空复杂薄壁零件

1.1.2液压成形的优势及存在问题

1.1.3 高应变速率成形的优势及存在问题

1.2铝合金高应变速率力学性能及成形极限

1.2.1 高应变速率力学性能

1.2.2板材成形极限测试方法

1.2.3液压成形极限测试的难题

1.3冲击液压成形固-液-固冲击传载特性

1.3.1 冲击成形的分类与判定

1.3.2单冲击体冲击传载特性

1.3.3双冲击体冲击传载特性

1.3.4液室不同位置的压力计算问题

1.4冲击液压成形技术与设备研究进展

1.4.1国外相关研究进展

1.4.2国内相关研究进展

1.4.3冲击液压成形设备的驱动问题

1.5本文主要研究思路与内容

1.5.1研究思路与内容

1.5.2冲击液压成形技术的研究意义

2 5A06铝合金高应变速率力学性能和冲击液压成形极限

2.1霍普金森拉杆实验

2.1.1霍普金斯拉杆实验原理

2.1.2板材试样霍普金森拉杆实验信号优化

2.2高应变速率力学性能

2.2.1修正型Johnson-Cook硬化模型

2.2.2高应变速率各向异性系数

2.3全区域无摩擦冲击液压成形极限

2.3.1冲击液压成形极限实验装置

2.3.2全区域无摩擦冲击液压成形极限图

2.4高应变速率成形极限理论计算

2.4.1各向异性屈服准则

2.4.2成形极限理论计算模型

2.4.3成形极限理论计算结果

2.5本章小结

3 冲击液压成形“固-液-固”冲击传载特性理论

3.1.1应力波的一般表达

3.1.2应力波的压力

3.1.3固-液冲击界面压力的理论计算

3.2液体介质压力理论分析

3.2.1压力传播守恒条件

3.2.2压力传播的数值计算

3.2.3压力传播的动态压缩算法

3.2.4液体最大压力的主要影响因素分析

3.3液-固界面压力理论分析

3.3.1压力传播粒子速度解法

3.3.2冲击速度和粒子速度关系

3.3.3液-固界面峰值压力理论分析

3.3.4液-固界面冲击压力衰减特性

3.4冲击液压成形“固-液-固”冲击传载的计算方法

3.4.1应力波三维守恒方程

3.4.2冲击液压成形“固-液-固”冲击传载三维数值计算方法

3.5 本章小结

4冲击液压成形“固-液-固”冲击传载特性实验研究

4.1 “固-液-固”冲击传载特性实验装置设计

4.2 PVDF动态压力采集

4.2.1 PVDF压电薄膜及其应用

4.2.2 PVDF动态压力传感器的制作

4.2.3 PVDF动态压力传感器的使用

4.3冲击液压成形“固-液-固”冲击传载空间特性

4.3.1 “固-液-固”冲击压力传播过程

4.3.2 “固-液-固”冲击压力三维分布

4.3.3 “固-液-固”冲击压力时程曲线

4.3.4 “固-液-固”冲击压力传播空间特性的影响因素

4.4液-固界面压力时间特性

4.4.1液-固界面压力倍增系数计算

4.4.2液-固界面压力衰减时间常数

4.4.3液-固界面压力能量特性

4.5本章小结

5冲击液压成形设备设计及航空复杂薄壁零件冲击液压成形

5.1冲击液压成形设备设计

5.1.1整体结构设计

5.1.2冲击体质量和速度设计

5.1.3气-液组合驱动技术

5.1.4油路设计

5.1.5液-固界面压力分析

5.1.6设备性能参数

5.2 典型航空复杂薄壁钣金零件冲击液压成形分析

5.2.1成形工艺性分析

5.2.2一道次成形过程分析

5.2.3两道次成形过程分析

5.3 典型航空复杂薄壁钣金零件冲击液压成形实验

5.3.1一道次成形实验

5.3.2两道次成形实验

5.3.3厚向应变分析

5.3.4中间热处理对两道次成形过程的影响

5.3.5低塑性2B06铝合金冲击液压成形

5.3.6冲击液压成形冲孔和冲裁功能

5.4冲击液压成形技术指标分析

5.5本章小结

6结论与展望

6.1 结论

6.2创新点

6.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

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摘要

针对航空航天制造领域对钣金零件轻量化及整体化发展的迫切需求,具有凸台、加强筋和小圆角等特征的镁、铝、钛等低塑性轻质合金复杂薄壁零件的成形加工已成为亟待解决的重要问题。镁、铝、钛等轻质合金塑性较差,在成形过程中容易发生起皱和破裂。我国军用飞机制造厂普遍采用落压成形技术制造钣金类零件,在落压成形时需要通过锤击、垫橡胶等方式进行大量的人工辅助操作,以达到消除起皱、控制材料流动和防止破裂发生的目的,使其加工效率低、成形精度差、废品率高、劳动条件和安全性差。 冲击液压成形技术结合了液压成形和高应变速率成形技术的优势,具有回弹小、无需密封、表面质量好、有很好的小特征填充能力等特点,能够解决复杂航空钣金零件制造过程中的问题。冲击液压成形的基本原理是通过高速运动的冲击体冲击液体产生高压冲击波作用于板材使其成形。冲击液压成形应变速率在103s-1-104s-1范围内,在室温条件下即可显著提高低塑性轻质合金的成形能力。本研究对5A06铝合金在高应变速率条件下的液压成形极限、冲击液压成形固-液-固冲击传载特性以及冲击液压成形设备的设计和制造进行了研究。主要研究结果如下: 对典型航空用5A06铝合金在高应变速率条件下无摩擦全区域液压成形极限进行了研究,结果表明:高应变速率条件下5A06铝合金的延伸率增加了41.3%。利用冲击液压成形瞬时高压的特点,设计了冲击液压成形极限实验装置,解决了传统液压成形极限测试方法无法实现无基板拉压区试样变形的难题,获得了高应变速率条件下无基板无摩擦全区域液压成形极限,显著提高了5A06铝合金的成形极限。冲击液压成形的应变速率可达2.43×103s-1;冲击液压成形极限次应变范围比准静态液压成形极限增加36.39%。基于Swift、Modified Maximum Force Criterion(MMFC)、Marciniak-Kuczynski(M-K)三种成形极限理论对5A06铝合金的成形极限进行理论计算发现,M-K理论是计算高应变速率成形极限的最佳理论。 根据冲击波的产生、传播和作用的顺序进行了冲击液压成形固-液-固冲击传载特性盼理论分析。通过引入衰减系数,考虑了空气对固-液冲击界面压力的影响,建立了液体压力动态压缩算法,发现冲击体质量和速度及液室尺寸等因素都会影响液体压力。通过表达冲击波波速和粒子速度的Hugoniot关系,联立液-固界面反射波和透射波方程进行求解,发现液-固界面压力约为液体最大压力的1.87到2倍,说明冲击液压成形存在压力倍增作用。 设计并制造了冲击液压成形固-液-固冲击传载实验装置,对比了单冲击体和双冲击体两种冲击形式,并针对不同冲击体质量和冲击速度进行了研究。实验验证了冲击液压成形存在压力倍增作用。实验结果表明,大质量单冲击体的液室压力保持效果和液-固界面压力倍增系数都要大于双冲击体形式,单冲击体的能量利用率要明显高于双冲击体形式。研究发现,增加冲击体质量和冲击速度能够延缓冲击波在液-固界面的衰减过程,从而增加冲击波作用于板材的时间,将更有利于成形。 设计并制造了基于新型气-液组合高压驱动原理的冲击液压成形设备,驱动气体压力可达20MPa,实现了大质量冲击体的高速驱动。设备冲击能量可达225kJ,液室最大压力可达872MPa,液室直径250mm,能够满足工业自动化生产需求。针对5A06铝合金航空复杂薄壁口框零件进行了冲击液压成形工艺验证。通过准静态液压成形预成形,冲击液压成形终成形获得了完好零件,避免了破裂和起皱,验证了冲击液压成形技术的可行性。对冲击液压成形零件和准静态液压成形零件的关键截面的厚向应变分析发现,冲击液压成形零件的两个凹腔区域的厚度分布更均衡、而且能够承受更多的减薄。通过冲击液压成形技术,将传统落压成形8-10道次手工辅助的生产过程改进为只需2道次的自动化生产过程,加工效率提高了4倍以上。

著录项

  • 作者

    马彦;

  • 作者单位

    大连理工大学;

  • 授予单位 大连理工大学;
  • 学科 材料加工工程
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 张士宏,陈国清;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 TH1;
  • 关键词

    薄壁; 铝合金零件; 液压成形技术;

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