带筋薄壁构件成形制造技术的发展与展望

作为空天和武器等高端装备关键结构的带筋薄壁构件,其整体化成形制造是实现装备轻质化并提升其性能的有效途径。根据带筋薄壁构件的发展,对其进行分类,以壁板类与筒/环类构件为出发点,归纳了2类带筋构件成形制造工艺与研究进展。针对筋板类构件,概述了传统制造技术、整体加载近净塑性成形技术和局部加载近净塑性成形技术的发展历程,进一步从加工原理、技术和工装等方面对3类技术进行了综述,并对比了几种主要成形工艺的特点与构件性能的差异。对筋筒/环类构件,综述了挤压、旋压、包络成形等典型塑性成形制造工艺的最新进展,并对比了各类工艺的技术特色与拓展潜力。基于研究进展分析,总结了带筋薄壁构件成形制造技术的发展趋势与所面临的挑战。     

旋转挤压过程中凸模高径比和进给速度对成形精度的影响

以某型号镁合金内筋壳体的旋转挤压成形过程为研究对象,针对旋转挤压中坯料的实际形变无法与设备控制的进给量同步的问题,利用刚塑性有限元法对镁合金内环筋壳体旋转挤压成形过程进行了数值模拟。对比分析了不同凸模高径比、不同进给速度对内环筋壳体凹槽成形精度的独立影响和复合影响。最终得出了这两个因素对凹槽成形精度影响的函数关系式。确定了能保证成形精度的成形方案,即凸模高径比为1、进给速度为0.5 mm·s-1时,可以将凸模位移偏差量控制在较低水平。在中北大学自行研制的6300 k N-13.5 k N·m多向加载旋转挤压实验机上进行物理实验验证,得到的实验结果与模拟结果基本吻合。     

旋转挤压裂纹萌生趋势的数值模拟

针对旋转挤压成形易产生裂纹的问题,利用Deform-3D有限元软件对AZ31镁合金旋转挤压过程进行了裂纹萌生的模拟,研究凸模在轴向-周向加载和径向-周向加载过程中,凸模圆角半径与摩擦系数对试样裂纹损伤分布的影响。结果显示,摩擦系数越大,裂纹损伤因子越大;凸模圆角半径越大,裂纹损伤因子越小,虽然凸模圆角半径R大于8 mm时裂纹损伤因子仍在减小,但是考虑工艺及材料利用,凸模圆角半径R为8 mm时最佳。通过单独径向、周向旋转挤压数值模拟,并与实验结果对比验证,得到轴向-周向加载下,筋部上区域损伤最大;径向-周向加载对试样的损伤影响较小。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]集成计算材料工程在精确塑性成形中的应用现状与发展趋势

集成计算材料工程通过模型化与计算实现对材料制备、加工和服役等过程的定量描述，成为实现力、热、电、磁、声场等单一／耦合外场作用下高性能构件精确塑性成形先进而有效的研究手段，近年来在精确塑性成形领域得到越来越广泛的应用。对集成计算材料工程在塑性成形过程多尺度建模、起皱和破裂两类缺陷预测方面的相关研究现状、主要进展及未来发展趋势进行了综述。首先论述了宏观、细观和微观三个尺度的模型在精确塑性成形领域中的应用现状，并分析了不同尺度模型间信息的传递方式；在此基础上讨论了利用集成计算材料工程研究制约精确塑性成形的起皱和破裂两类典型缺陷的预测方法，对比分析了目前主要的失稳起皱与损伤断裂模型的准确性；最后对集成计算材料工程在精确塑性成形中的未来发展趋势进行了展望。