基于板锻造技术的轻型材料实心凸起成形新工艺及其机理

In sheet metal forming process, the local structure of boss characteristic plays an important role such as fix, fasten and strengthen in modern lightweight products, which is widely used in automobile, instrumentation and electronic industries. At present, the traditional boss forming process of back-extrusion method reveals many problems such as high forming force and dimple defect, and developing a novel forming process for boss structure will be an important forming trend for solving the weakness of traditional boss forming process. In present project, based on the plate forging technology, our project aims to make an in-depth study on the deformation mechanism of the novel boss forming process (named drawing-extrusion process) with A5052 according to synthesis methods such as hot compression process, dimensional analysis, derivation of theoretical model, FEM numerical simulation and re-programming with FORTRAN software. Besides, the corresponding models such as constitutive model, analytic model of composite deformation mode, stress gradient model of separation flow surface and dimensionless model of failure mechanism diagram will be established to demonstrate the shape control and performance control mechanism of boss forming process, which will provide an important scientific basis and guiding significance for modern engineering practice.

在钣金成形中，以凸起为特征的局部结构在现代轻量化产品中扮演着定位、固 定、加强等角色，并广泛应用于汽车、仪器仪表、电子电器等产品生产领域。目前，传统的反挤压工艺成形金属板材实心凸起结构存在加工载荷大、凸起底部缩孔缺陷严重等问题，开发凸起成形新工艺以解决传统成形工艺的不足是塑性加工行业的重要发展趋势。本项目基于板锻造复合成形技术，以轻型材料A5052为研究对象，采用拉深-镦挤工艺成形圆筒形件底部中心凸起结构，综合运用热模拟压缩实验、量纲分析、力学模型推导、有限元数值模拟及FORTRAN二次开发等手段，对轻型材料实心凸起成形新工艺及其变形机理进行深入、系统的研究，建立A5052热变形时的本构模型、凸起结构复合变形模式分析模型、分流界面特征应力梯度模型及无量纲凸起失效机制图，探明板锻造复合技术成形凸起结构的控形、控性机制，为现代工程实践提供重要的科学依据及指导意义。

现代高性能零件向材料轻质化和结构形式立体化方向发展，但同时对塑性成形工艺发展提出新的挑战。传统的反挤压工艺成形实心凸起特征时存在加工载荷大、凸起底部缩孔严重等问题。为此，本项目提出采用板锻造技术实现实心凸起的成形，并基于弹塑性力学、物理实验和有限元数值模拟及分析测试技术相结合的方法，围绕轻质材料实心凸起板锻造成形工艺、变形机理、金属流动特性及失效机制进行了系统深入的研究。. 通过解析法获取了实心凸起板锻造成形各变形区的应力分布规律，探明了实心凸起底部板料失稳机制，推导出凸起底部断裂极限厚度函数式和分流半径的理论计算公式。. 对比分析了实心凸起板锻造和反挤压成形模具载荷分布特征，发现成形同一凸起高度时，反挤压成形载荷约为板锻造成形载荷的2倍。板锻造成形过程中，底部分流面位置先内移后趋于稳定；而在反挤压成形过程中，底部分流面位置先趋于稳定后外移；与反挤压成形相比，板锻造成形时近中心区域和近筒壁侧间较大的流动速度差利于实心凸起底部材料补给，即有利于抑制缩孔缺陷的形成。. 详细讨论了实心凸起板锻造成形的主要失效形式：凸模根部圆角断裂和凸模底部缩孔缺陷，检验了凸模根部圆角断裂预测方法的可靠性；实验证实了采用板料上表面与凸模间的单面润滑，可有效防止缩孔缺陷的产生。. 基于热拉伸实验研究了5052铝合金流变行为，构建了考虑应变补偿的Arrhenius本构模型；实现了实心凸起板锻造成形的力热耦合的数值模拟，分析了模具结构、摩擦系数等参数对板锻造实心凸起成形性能的影响规律，揭示了热拉伸本构模型可用于预测实心凸起板锻造成形中的金属流动。. 此外，本课题进一步的研究了不等厚复杂金属件板锻造成形技术。针对底部复杂特征零件的成形，开发了底部增厚金属构件和底部带双向凸起的金属构件的板锻造成形方法及模具；以筒形件法兰的成形为例，研究了切削锻造的塑性变形机理，明晰了主要缺陷形式：屈曲和裂纹，解决了复杂特征成形时加工载荷大的难题。