铝合金振动拉伸和压缩过程的实验与模拟研究

摘要

振动塑性成形技术可以有效降低成形力，减小模具与工件的摩擦，提高金属材料的成形性能和工件表面质量，是一种颇具特色和发展潜力的材料成形技术。近年来，金属振动塑性成形理论与技术的研究成为国内外学者广泛关注的热点领域之一，研究振动系统的设计、振动对材料塑性行为的影响等，对于促进超声振动塑性成形技术的发展和工程应用，具有重要的理论和工程价值。
　　本文首先采用传统解析法与有限元优化法相结合的方法设计完成了用于振动拉伸和振动压缩实验的实验装置，藉此开展了6061铝合金振动拉伸和2A12铝合金振动压缩实验，研究了振动参量、加载方式、加载时间等对材料应力、应变、成形极限等性能指标的影响规律，并基于体积效应机理和表面效应机理对其加以阐释;以ABAQUS为有限元分析平台，对铝6061振动拉伸过程和2A12振动压缩过程进行模拟分析研究。
　　根据振动理论基础设计计算振动成形装置关键零部件的基本尺寸，借助ANSYSWorkbench对换能器、变幅杆、工具头进行了静力分析、模态分析与谐响应分析。在换能器设计中，基于模态分析结果采用单因素法对预应力螺栓的尺寸及施加的预紧力进行了模拟优化，确定直径为M20，长度为125mm，预紧力为40kN;变幅杆设计中，综合考虑了变幅杆实际频率与设计频率的偏差、实际节面位置与设计节面位置的偏差，以频率偏差和节面位置偏差的平方和为目标函数，以变幅杆夹持部位厚度与连接孔尺寸为设计变量，优化设计了变幅杆夹持部位厚度与连接孔尺寸。研制成功了一套工作频率为15kHz，输出振幅约为5μm的振动塑性成形装置。
　　进行了6061铝合金振动拉伸实验，根据实验所得真应力-真应变曲线上振动段的变化特征，定义了软化幅度、开始硬化峰、终止硬化峰、回复应变、回复速率等指标，借助上述量化指标定量描述了振幅、加载方式对软化效应、硬化效应的影响规律。振动拉伸过程中同时存在材料的软化与硬化作用，软化作用使应力降低，硬化作用使材料拉伸极限降低，振动在6061塑性变形中作用表现为外源性的叠加性质的驱动作用。基于ABAQUS软件建立了振动拉伸过程的有限元模型，验证了振幅、频率对拉伸过程中应力、应变的影响规律，但由于试验机数据采集间隔与模拟中计算间隔数量级不同，导致具体数值大小有差异。
　　开展了2A12干摩擦静态压缩实验、润滑静态压缩实验、干摩擦振动压缩实验与润滑振动压缩实验，揭示了摩擦条件、高径比、加载时间等对振动压缩过程的影响规律。在静态压缩中，高径比越大，摩擦对材料流动的限制作用越小，干摩擦时材料平均应力与润滑时平均应力越接近;振动压缩实验中，干摩擦振动压缩的应力比润滑振动压缩实验中应力大，但软化幅度较小，此外，由于润滑剂在接触面上起到了缓冲阻尼的作用，润滑振动压缩振动段内曲线波动较平稳（波数较少，振幅较小）。以ABAQUS为有限元分析平台，对多种条件下的压缩实验进行了模拟研究，对摩擦条件、振幅、加载时间对压缩过程材料应力、应变影响规律进行了验证及探究。