半固态灵活触变挤压成形机理及流动前沿质量控制技术研究

半固态加工技术是介于普通铸造（纯液态）和锻造（纯固态）之间的一种短流程近终形成形方法。针对触变成形过程中流动前沿开裂、不封闭等质量问题，以触变挤压成形具有封闭流动前沿的高质量复杂零件为目标，通过模具巧妙设计和活动凹模控制移动来改变半固态浆料流动前沿应力状态进而提高成形件的质量。研究内容：半固态浆料多相流建模与模拟仿真、浆料制备与加热、灵活触变挤压成形模具设计与控制成形研究。关键技术及创新点：①提出半固态灵活触变挤压成形流动前沿控制成形工艺并建立其实验平台模型，使用该技术可触变挤压成形高质量复杂零件；②将活动凹模技术和"渐近"成形技术（Incremental metal forming）运用到半固态触变挤压成形中，通过在成形中使用带弹簧活动凹模实现半固态浆料流动具有封闭流动前沿。开展本项原创性技术研究可以使我国在半固态成形技术和挤压成形工艺研究上处于国际领先地位，在实践上成为创新型国家。

现代科学技术的进步对材料加工技术的要求日益提高，研制新型高性能复杂形状结构件以及其先进短流程加工技术已经成为汽车、航空航天、电子通讯等领域迫切需求。目前，高精密高质量复杂形状结构件通常使用多工步锻造或机械加工的方法制造，然而此种加工方法存在着加工周期长、生产成本高等缺点。长期以来探索用短流程、近终形方法成形高质量复杂形状结构件、并能从实验上制备出高质量结构件以及研究其性能已成为一种迫切的需要。.针对上述问题，本项目在结合半固态触变成形技术、灵活挤压技术的基础上，提出了“灵活触变挤压”的技术，该方法解决了传统触变成形中浆料流动前沿开裂、折叠的问题。主要从三个方面对“灵活触变挤压”进行了研究: 1. 灵活触变挤压模具的设计及成形机理研究；2.半固态坯料制备及灵活触变挤压成形过程研究；3. 半固态灵活触变挤压流动的数学模型研究。.在模具设计中，设置了一个活动凹模以及随凹模移动而压缩的弹簧装置，活动凹模的移动由挤压速度及弹簧装置控制。这样保证活动凹模内表面对浆料流动前沿有一个反作用力，使流动前沿始终处于三向压应力状态，得到具有封闭流动前沿的成形件。项目通过机械搅拌方法制备了A356铝合金半固态坯料。将经过二次加热的半固态坯料放入经过预热的灵活触变挤压模具中，在压力机的作用下进行半固态触变成形，最终得到所需的零件。此方法的突出优点是可以成形三维变截面复杂形状零件，生产效率高，模具寿命长，不需要后续加工。结合数值模拟的方法研究了挤压过程中模具的预热温度、挤压速度、挤压温度以及弹簧刚度对成形结果的影响规律，得出了最佳的成形工艺参数。项目还对成形过程中温度场、应力应变场、速度场进行了研究，揭示了半固态坯料在成形中的变形规律。最后，本项目针对流动前沿的流动特征，建立了描述其流动的数学模型，并与试验结果进行对比，结果吻合性较好。.经过本项目研究，得出以下结论：.1. 适于灵活触变成形的A356半固态坯料为：平均晶粒为30-50μm，固相率为65-70%。.2. 优化后的成形工艺参数：挤压速度为80mm/s，模具预热温度为300℃，初始挤压温度为580℃，弹簧的刚度为3000N/m。.3. 灵活触变挤压时，半固态浆料在型腔内的流动呈现典型的触变特性，充型过程平稳，没有产生紊流。这表明，此方法克服了传统触变成形中流动前沿的开裂问题，使得成形件的质量得到有效的提升.