5083铝合金力学性能及超塑性成形数值模拟与实验研究

摘要

随着环境污染和能源短缺问题的日益尖锐,各大交通运输工具制造商都加快对交通工具轻量化的研究与开发,而铝合金作为飞机、航天器以及汽车轻量化的理想材料,已成为当前航空航天工业、汽车工业开发研究的热点,但其常温下难以加工成形,制约了铝合金的应用。而在超塑性状态下成形是目前解决铝合金成形最为有效的方法之一。为此,本文开展了铝合金力学性能与超塑性成形工艺的研究。首先,采用恒应变速率单向拉伸法,研究了材料在不同温度、不同应变速率下的塑性、超塑性性能,确定了材料最佳成形参数,并建立了随温度变化的本构模型；其后,进行了超塑胀形有限元模拟,改进了气压加载方式,分析了单元类型、摩擦对模拟结果的影响；同时,首次模拟了超塑性差温拉深,详细研究了毛坯几何形状、压边间隙、温度差、摩擦系数对板料差温拉深性能的影响；最后,在模拟的基础上设计了三套实验模具及成形工艺,分别对AIRBUS支架件进行胀形、差温拉深及恒温拉深实验,并将实验结果分别与模拟结果比较。
　　 通过恒应变速率单向拉伸实验,首次研究了AA5083合金在温度为100～535℃、应变速率为0.013～0.00005s-1范围内的力学性能,获得最大延伸率为525℃、0.0002s-1应变速率下的397％。结果表明:200℃温度以下,AA5083材料延伸率较低,且随着应变速率的提高而减小,无超塑性；250℃温度以上,AA5083合金呈现超塑性,各试样延伸率随温度的升高而提高,并具有应变速率敏感性。各拉伸曲线流变应力随温度的升高而减小、随应变速率的增大而增大:基本呈现应变硬化、应变硬化与应变软化动态平衡的稳态流变和应变软化三种现象,各种现象表现程度随温度、应变速率不同而相异。分析了应变、应变速率对应变速率敏感性指数的影响。采用Hollomon经验公式拟合真应力.应变曲线中的应变硬化阶段,测定了n值。建立了AA5083合金在100～525℃温度、0.013～0.008s-1应变速率范围内修正的粘塑性本构模型,结果表明:该模型的预测值与实验值吻合良好。
　　 改进了MARC软件默认的压力加载算法,对AA5083支架件进行了超塑性胀形模拟。结果表明:零件的几何模型对材料成形的厚度分布影响显著,设计零件时应尽量避免小圆角半径、大深宽比及形状突变；优化的加载方式控制了变形集中区域的变形速度,改善了板料的成形性能,厚度分布更均匀。分析讨论了实体单元、壳单元及膜单元模拟,对板料超塑胀形厚度分布、压力.时间曲线的影响。结果表明:壳单元最适合模拟板料成形。此外,改善超塑性胀形中的润滑条件,亦可提高板料流动性能。
　　 改变了AA5083支架工件模型及模具,采用二次开发MARC软件,首次成功模拟了该材料超塑性差温拉深。分析了零件的拉深比,表明应用常规拉深无法一次成形该工件。而采用凹模为525℃、凸模为150℃差温拉深,1.05～1.1倍板厚刚性压边间隙、优化的毛坯及0.1mm/s的拉深速度,成形了厚度分布均匀、高度满足要求、减薄率明显低于超塑性胀形的工件。分析了压边间隙对工件材料流动、压边力及拉深力的影响；并且研究了凸、凹模温度差、摩擦对提高拉深性能的重要作用。
　　 在超塑性胀形及差温拉深模拟的基础上,对AIRBUS支架件进行了实验研究。采用胀形模拟获得的优化及默认加载曲线,控制实验中气体压力加载。结果表明:默认的加载曲线,压力加载速度过快,致使工件变形速度太大,厚度减薄严重而破裂；优化的加载曲线,成功成形了AA5083支架件,且其模拟与实验结果吻合良好,但工件整体变薄严重,厚度分布不均匀。依据模拟获得的参数,进行了超塑性差温拉深实验,结果表明:差温拉深工艺、形状优化的毛坯、无凸缘及形状突变的模型设计,均改善了拉深工件的成形性能；工件成形厚度分布均匀,且其结果与模拟结果吻合。最后,比较了超塑性胀形、差温拉深及恒温拉深成形工件厚度分布。