AL-SI-S4铝锂合金拉形过程橘皮缺陷产生机制及其成形极限研究

摘要

拉伸成形技术是航空航天制造技术领域中比较常见的板材成形方法，广泛应用于飞机气动外形的大型蒙皮零部件的生产。蒙皮拉形过程表面缺陷的产生会严重影响了蒙皮的使用寿命，往往成为零件报废的主要原因。因此，针对蒙皮表面质量的研究成为近年来材料/构件成形研究领域的热点之一。
　　本文以第三代Al-Li-S4-T8态铝锂合金为研究对象，系统的研究了拉形过程中应变速率、应变量等工艺参数对拉形件表面橘皮缺陷的影响规律，得到了临界橘皮现象产生的判据标准，利用不同应变路径建立了针对橘皮现象的成形极限图，并在此基础上研究了电脉冲对改善材料拉形质量的作用效果，最后将所建立的成形极限图运用到Al-Li-S4铝合金典型蒙皮构件的拉形仿真模拟中，为制定最佳拉形工艺提供理论参考。主要的研究内容和成果如下:
　　(1)构建了基于万能试验机与非接触式光学应变仪相结合的拉形工艺与表面缺陷检测同步试验系统，对比分析不同拉伸速率对Al-Li-S4铝锂合金表面橘皮缺陷的影响规律，获得了最佳应变速率。
　　(2)对比分析在在最佳应变速率下，应变量对Al-Li-S4铝锂合金拉形件表面形貌变化的影响规律，分析得到了临界橘皮状态下合金的表面形貌。
　　(3)基于光学粗糙度测试仪，分析了试样表面粗糙度随应变量的变化规律，提出了将粗糙度作为表征临界橘皮状态的一个判据，实现了临界橘皮状态的准确数学表征。
　　(4)通过分析合金的微观金相组织，查明了Al-Li-S4-T8态铝锂合金易产生橘皮现象的原因，并对橘皮缺陷的产生机制进行了分析研究。
　　(5)开展了不同缺口试样设计，获取了不同的应变路径，并通过实验，建立了Al-Li-S4铝锂合金产生橘皮缺陷的成形极限曲线方程。在此基础上，为了改善材料的拉形性能，提高拉形件的表面质量，提出了电脉冲辅助拉伸成形新方法，实验发现脉冲电流的施加对材料橘皮现象的产生起到一定的延缓作用。并通过原有的方法建立了拉形过程施加脉冲电流的成形极限图及相应的成形极限曲线方程。
　　(6)基于MARC软件，建立了Al-Li-S4铝锂合金典型蒙皮件的拉伸过程有限元分析模型。通过将成形极限图引入拉形仿真分析过程，研究了不同拉形工艺对其成形性能的影响，从而为改进拉形工艺提供理论参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 铝锂合金的研究现状

1．2．1 铝锂合金在国外的研究现状

1．2．2 铝锂合金在国内的研究

1．2．3 铝锂合金在工业上的应用

1．2．4 Al-Li-S4铝锂合金的研究现状

1．3 飞机大型蒙皮的拉伸成形技术

1．3．1 拉伸成形技术

1．3．2 传统拉伸成形工艺简介

1．3．3 传统拉形技术的发展

1．3．4 拉形仿真研究的发展

1．4 蒙皮拉伸成形过程中的橘皮组织缺陷

1．5 金属板材成形极限的概念及其研究现状

1．5．1 板料成形失败的表现形式

1．5．2 成形极限图的概念

1．5．3 成形极限图的研究进展

1．6 本课题的研究内容和意义

1．6．1 本课题的研究内容

1．6．2 本课题的研究意义

1．7 本章小结

2 Al-Li-S4铝锂合金拉形过程表面橘皮现象研究

2．1 实验材料和实验方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验设备和实验方法

2．1．3 材料表面及微观组织检测方法

2．2 拉形速率对Al-Li-S4-T8态铝锂合金板材表面橘皮现象的影响

2．2．1 实验试样制备

2．2．2 实验方案设计

2．2．2 实验结果和讨论

2．3 变形量对Al-Li-S4-T8态铝锂合金板材表面橘皮现象的影响

2．3．1 试验试样制备

2．3．1 实验方案设计

2．3．2 试验结果与分析

2．3．3 橘皮现象临界状态分析

2．4 Al-Li-S4铝锂合金橘皮组织机理分析

2．5 本章小结

3 Al-Li-S4-T8态铝锂合金成形极限图的建立

3．1 应变路径的获取方法

3．2 Al-Li-S4-T8态铝锂合金在不同应变路径下的拉伸成形试验

3．2．1 实验试样制备及方法

3．2．2 实验结果与讨论

3．2．3 Al-Li-S4-T8铝锂合金FLD的建立

3．3 脉冲电流对Al-Li-S4-T8态铝锂合金成形极限的影响

3．3．1 脉冲电流改善试样拉伸性能的机理分析

3．3．2 脉冲电流对Al-Li-S4-T8态铝锂合金拉形过程橘皮现象的影响

3．3．3 脉冲电流对Al-Li-S4-T8态铝锂合金成形极限图的影响

3．4 本章小结

4 Al-Li-S4铝锂合金拉形过程模拟仿真

4．1 MSC．Marc软件简介

4．1．1 MSC．Marc软件功能简介

4．1．2 Mentat与Marc程序的关系

4．2 壳单元理论

4．3 初始板料的确定

4．4 回弹

4．5 模型的建立

4．5．1 几何模型

4．5．2 材料模型

4．5．3 加载方式

4．6 拉形工艺的数值分析

4．6．1 一次拉形工艺仿真及结果分析

4．6．2 模具修正及仿真结果分析

4．6．3 拉形工艺改善及仿真结果分析

4．7 本章小结

5 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的主要学术成果

致谢