5052鋁合金板材磁脈沖輔助沖壓成形變形行為及機(jī)理研究.pdf

1、近年來，節(jié)能和環(huán)保的要求使得以鋁合金為代表的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在先進(jìn)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金的室溫成形性差，采用傳統(tǒng)沖壓工藝很難直接成形形狀復(fù)雜的零件。磁脈沖輔助沖壓成形（Electromagnetically assisted sheet metal stamping, EMAS）把高速率磁脈沖成形（EMF）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合到準(zhǔn)靜態(tài)沖壓成形中，為以鋁合金為代表的輕質(zhì)、難成形板材復(fù)雜形狀零件的室溫成形提供了新的加

2、工途徑。由于該工藝尚處于初步工藝實(shí)現(xiàn)階段，其變形機(jī)理還沒被系統(tǒng)研究過。本文采用理論分析、耦合場(chǎng)數(shù)值模擬、工藝試驗(yàn)及微觀分析相結(jié)合的方法對(duì)5052鋁合金板材磁脈沖輔助沖壓成形的變形行為和機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　基于多物理場(chǎng)有限元分析軟件 ANSYS，結(jié)合磁脈沖輔助沖壓成形中板坯變形的基本特點(diǎn)，給出了準(zhǔn)靜態(tài)沖壓成形—高速率磁脈沖成形順序耦合求解的有限元理論基礎(chǔ)，包括板料沖壓成形彈塑性理論、磁脈沖成形的電磁場(chǎng)基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)場(chǎng)的彈塑性理

3、論和電磁-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)理論等，并在理論分析的基礎(chǔ)上提出了基于ANSYS分析平臺(tái)ANSYS Multiphysics/LS-DYNA分析模塊的“多工步”松散耦合的磁脈沖輔助沖壓成形有限元分析方案及流程，通過編制用戶子程序?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變形過程的動(dòng)態(tài)連接。
　　針對(duì)磁脈沖輔助沖壓成形中板坯的準(zhǔn)靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)復(fù)合變形特點(diǎn)，建立了典型應(yīng)變狀態(tài)（單向拉伸、平面應(yīng)變和雙等拉伸）下的準(zhǔn)靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)復(fù)合成形極限試驗(yàn)方案，并對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)復(fù)合加載下材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

4、進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：準(zhǔn)靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)復(fù)合加載下，5052鋁合金板材表現(xiàn)出顯著高于準(zhǔn)靜態(tài)成形而略高于動(dòng)態(tài)成形的塑性水平。復(fù)合成形過程塑性的提高歸因于動(dòng)態(tài)變形過程，且隨著準(zhǔn)靜態(tài)預(yù)變形水平增加，動(dòng)態(tài)變形過程的增塑效果增強(qiáng)。
　　采用理論分析和微觀分析相結(jié)合的方法對(duì)磁脈沖輔助沖壓成形中動(dòng)態(tài)變形行為和塑性失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)變形中，慣性力的影響起主要作用。慣性力對(duì)板坯的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)具有抑制作用，從而使板坯的塑性提高并產(chǎn)生分散失穩(wěn)

5、。微觀機(jī)制表明：5052鋁合金動(dòng)態(tài)變形和準(zhǔn)靜態(tài)變形表現(xiàn)出相似的變形性質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生特殊的組織結(jié)構(gòu)，塑性變形微觀機(jī)制均為位錯(cuò)滑移機(jī)制。準(zhǔn)靜態(tài)變形以均勻單系位錯(cuò)滑移為主，斷裂伴隨著位錯(cuò)的纏結(jié)和攀移；而動(dòng)態(tài)變形位錯(cuò)滑移趨于多系開動(dòng)，在大面積區(qū)域出現(xiàn)明顯的交滑移現(xiàn)象，且滑移帶較準(zhǔn)靜態(tài)成形時(shí)窄且密，位錯(cuò)組態(tài)更均勻。動(dòng)態(tài)變形的多系滑移和位錯(cuò)均化作用可在比準(zhǔn)靜態(tài)變形高的多的塑性應(yīng)變水平下形成，從而使材料具有較高的塑性和強(qiáng)度。
　　針對(duì)筒形件傳統(tǒng)拉

6、深成形中存在的成形極限問題（底部圓角處破裂）進(jìn)行了分析，建立了筒形件磁脈沖輔助拉深成形方案。采用提出的有限元分析方案對(duì)筒形件磁脈沖輔助拉深成形進(jìn)行了仿真，分析了板坯的復(fù)合變形行為和規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)研究和驗(yàn)證了磁脈沖輔助沖壓成形在改善板材成形性方面的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。結(jié)果表明：提出的磁脈沖輔助沖壓成形有限元分析方案，能成功實(shí)現(xiàn)磁脈沖輔助沖壓成形中板坯復(fù)合變形行為的描述，變形規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。磁脈沖輔助沖壓成形的思想能充分發(fā)揮磁脈沖成形在改

7、善板材成形性方面的優(yōu)勢(shì)，并能實(shí)現(xiàn)與普通沖壓成形工藝的有機(jī)結(jié)合。板坯變形過程中，高速變形的慣性效應(yīng)和板坯與模具沖擊作用顯著，能抑制失效，分散變形。
　　基于磁脈沖輔助沖壓成形的思想，建立了 U形件磁脈沖輔助彎曲成形工藝試驗(yàn)，分析了脈沖磁場(chǎng)力對(duì)彎曲回彈控制的作用，結(jié)果表明：將脈沖磁場(chǎng)力應(yīng)用到彎曲角部能有效減小回彈。脈沖力的回彈控制作用主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：脈沖力改善彎曲角部位應(yīng)力應(yīng)變分布的作用和脈沖力作用下形成的板坯與模具的沖擊作用。兩