鎂合金筋條式壁板壓彎成形研究

王忠堂，楊 念，陳佳鑫，楊君寶，梁海成

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

由于國(guó)外對(duì)鎂及鎂合金的研究應(yīng)用工作起步較早，因此他們?cè)谶@些領(lǐng)域取得了一些先進(jìn)的研究成果。Sanjari[1]研究發(fā)現(xiàn)鎂合金在高應(yīng)變速率(1200s-1)變形時(shí)，晶界原位跟蹤與壓縮孿晶和二次孿晶有關(guān)，增加軋制應(yīng)變和壓縮應(yīng)變，可以增大壓縮孿晶和二次孿晶的激活能。隨著應(yīng)變速率的增大，再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)明顯增加，可能導(dǎo)致孿生誘發(fā)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的增加。Biswas等[2]通過(guò)VPSC模型對(duì)鎂合金AM30擠壓后形成的微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)進(jìn)行了模擬研究，盡管忽略了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響，仍然可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鎂合金形成的織構(gòu)。Bhattacharya等[3]研究了AZ31鎂合金在熱加工條件下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系，建立了熱變形條件下的本構(gòu)方程，對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸進(jìn)行了定量分析。Ciccarelli等[4]研究了ZK60鎂合金的流動(dòng)應(yīng)力與組織演變規(guī)律，提出了一個(gè)考慮晶界滑動(dòng)和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的新的本構(gòu)方程形式。在壁板成形方面，edek等[5]研究了某型號(hào)整體表面縱梁翼板的破壞形式，分析了某型通勤飛機(jī)飛行載荷作用下的裂紋擴(kuò)展，討論了整體壁板的裂紋擴(kuò)展和原始數(shù)據(jù)。Iuspa[6]提出了一種特殊的快速生成和參數(shù)化方法，設(shè)計(jì)了具有自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的薄壁結(jié)構(gòu)。該方法利用由專用骨架為基礎(chǔ)的積分軟目標(biāo)照射的整個(gè)勢(shì)場(chǎng)，重新排列任意形狀結(jié)構(gòu)域的有限元表面，生成無(wú)拓?fù)浼s束的自動(dòng)混合肋和凸點(diǎn)。Fossati等[7]應(yīng)用數(shù)值方法來(lái)評(píng)估在裂紋擴(kuò)展情況下整體加工的蒙皮縱梁板的性能，分析循環(huán)對(duì)裂紋擴(kuò)展和剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)的整體結(jié)構(gòu)。

在壁板成形方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了很多工作，彭艷敏等[8]研究了大型飛機(jī)機(jī)翼整體壁板噴丸成形延展性問(wèn)題，從影響整體壁板噴丸延展變形的因素出發(fā)，得出整體壁板噴丸成形加工環(huán)節(jié)的延展變形規(guī)律。陽(yáng)波等[9]分析了大型機(jī)翼整體壁板結(jié)構(gòu)特征及成型工藝方法，開展了機(jī)翼壁板的展開建模重構(gòu)工作，提出一種局部區(qū)域不展的方法進(jìn)行展開計(jì)算。王永軍等[10]分析了大型機(jī)翼整體壁板在噴丸成形及強(qiáng)化過(guò)程中產(chǎn)生延展變形的機(jī)理，采用Avrami覆蓋率計(jì)算模型，通過(guò)多彈丸撞擊長(zhǎng)方體胞元的有限元模擬方法，得到彈丸撞擊后靶材的表層誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，建立了預(yù)測(cè)噴丸成形及強(qiáng)化延展變形的有限元模擬方法。陳同祥等[11]分析了天宮一號(hào)長(zhǎng)壽命載人密封艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)約束條件，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)形式的比較，提出了密封艙采用整體壁板結(jié)構(gòu)。李衛(wèi)東等[12]對(duì)筋條在內(nèi)弧的對(duì)稱、非對(duì)稱形狀截面的結(jié)構(gòu)特征，利用解析法得到了壓彎過(guò)程中彎曲中性層的平移量和轉(zhuǎn)動(dòng)量，建立了回彈的計(jì)算模型，得出上模下壓量與回彈量的關(guān)系表達(dá)式。錢炳蕓[13]運(yùn)用Deform-3D有限元軟件對(duì)AZ31鎂合金板材的V型彎曲過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了板材在彎曲過(guò)程中的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及速度場(chǎng)分布規(guī)律。宋剛等[14]研究了復(fù)合材料加筋板翼面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題，分析了加筋板在壓縮和剪切等載荷作用下的穩(wěn)定性。并給出復(fù)合材料層合板在復(fù)雜載荷下的屈曲及后屈曲安全裕度的計(jì)算準(zhǔn)則。

根據(jù)以上文獻(xiàn)，未發(fā)現(xiàn)關(guān)于鎂合金壁板成形方面的研究工作，因此，開展鎂合金筋條式壁板壓彎成形研究工作對(duì)于拓寬鎂合金材料應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。本文對(duì)鎂合金壁板壓彎成形進(jìn)行數(shù)值模擬研究，優(yōu)化工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以探索鎂合金筋條式壁板壓彎成形的可行性及產(chǎn)品尺寸精度等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 模擬方案及工藝參數(shù)

使用UG軟件建立了AZ31鎂合金筋條式壁板壓彎成形幾何模型。采用DEFORM軟件對(duì)鎂合金壁板壓彎過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，鎂合金壁板壓彎變形溫度為310～430℃。

鎂合金壁板及模具三維建模：使用UG軟件對(duì)AZ31鎂合金筋條式壁板以及模具進(jìn)行三維建模，如圖1所示，壁板尺寸為100mm×200mm×7mm，槽深4mm。

圖1 筋條式壁板結(jié)構(gòu)及尺寸

2 模擬結(jié)果

2.1 位移總量分析

變形溫度310℃時(shí)的筋條式壁板壓彎位移總量如圖2所示。

圖2 筋條式壁板位移總量(310℃)

由圖2可以看出，位移總量的不同會(huì)造成下表面凹凸不平，筋條式壁板壓彎后背部最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值為0.1～0.3，不同的壓彎變形溫度對(duì)位移總量有影響，隨著壁板溫度降低，位移總量隨之減少，減少的數(shù)值較小，壁板溫度從310℃到430℃，各選取點(diǎn)位移總量數(shù)值平均降低0.2mm。

2.2 破壞系數(shù)分析

不同變形溫度條件下的破壞系數(shù)分布如圖3a所示。

圖3 筋條式壁板破壞系數(shù)及溫度場(chǎng)(310℃)

結(jié)果表明，破壞系數(shù)越大，壓彎過(guò)程中壁板發(fā)生破壞的可能性越大。筋條式壁板破壞大多集中在凸起處，其破壞系數(shù)平均值達(dá)到0.202。

2.3 溫度場(chǎng)分析

不同變形溫度條件下的AZ31鎂合金壁板溫度場(chǎng)分布如圖3b所示，結(jié)果表明，壁板與上模具的接觸處溫度下降較快，下降溫度達(dá)到70～90℃。壁板與下模具的接觸處溫度下降較慢，下降溫度達(dá)到30～40℃。

2.4 應(yīng)變場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分析

不同變形溫度條件下的應(yīng)變場(chǎng)分布如圖4a所示。

結(jié)果表明，筋條式壁板應(yīng)變分布較均勻，其應(yīng)變平均值為0.195。上半部分的橫向肋板與縱向肋板接觸處應(yīng)變最大，達(dá)到0.389。

圖4 筋條式壁板應(yīng)變場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)(310℃)

不同變形溫度條件下的應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4b所示，結(jié)果表明，隨著鎂合金壁板壓彎成形溫度的增大，壁板受到的應(yīng)力逐漸減小。

鎂合金壁板受到的平均應(yīng)力以及最大應(yīng)力隨變形溫度的變化曲線如圖5所示。

圖5 筋條式壁板應(yīng)力隨溫度變化曲線

3 鎂合金壁板壓彎成形實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用3150kN萬(wàn)能液壓機(jī)，模具結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖6所示。AZ31鎂合金筋條式壁板平面尺寸為100mm×200mm×7mm，槽深4mm。鎂合金壁板的成形溫度分別為310℃、340℃、370℃、400℃、430℃。根據(jù)確定的變形工藝參數(shù)，對(duì)鎂合金壁板進(jìn)行壓彎成形實(shí)驗(yàn)，獲得了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。AZ31鎂合金壁板壓彎件如圖7所示。鎂合金筋條式壁板彎曲件的背部出現(xiàn)凹陷，如圖8a所示；鎂合金筋條式壁板成形件的形狀及弧度分布尺寸精度如圖8b所示，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，最大相對(duì)誤差小于19.1%。

圖6 壓彎模具結(jié)構(gòu)及變形尺寸(s=50mm，h=8mm)

圖7 鎂合金筋條式壁板實(shí)驗(yàn)件

圖8 鎂合金壁板壓彎背部凹陷形狀曲線

4 結(jié)論

(1)采用UG軟件建立了AZ31鎂合金筋條式壁板壓彎成形有限元數(shù)值模擬的幾何模型，采用商業(yè)軟件對(duì)AZ31鎂合金網(wǎng)格壁板壓彎成形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬研究，得到了鎂合金筋條式壁板壓彎成形中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、模具載荷、破壞系數(shù)等分布規(guī)律，優(yōu)化了變形工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)。

(3)研制了鎂合金筋條式壁板壓彎成形模具裝置，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了合格的鎂合金網(wǎng)格壁板彎曲件。

(4)分析了鎂合金筋條式壁板成形件的形狀及弧度分布尺寸精度，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，最大相對(duì)誤差小于19.1%。