镁合金过渡车钩超塑性成型模具设计

摘要

　　变形镇合金由于其重量轻、比强度和比刚度高、阻尼性能好等优点,在交通运输装备制造领域得到广泛运用。然而,仆合金由于其塑性加工成型温度范围窄、应变速度敏感的特性,使用常规塑性成型方法只能成型结构简单的零件,且成型时发生脆裂或过烧损。超塑性成型方法作为先进的塑性成型方法,可UJI对复杂零件进行一次性塑性成型,从而缩短工艺流程、减少机加工量,从而实现近净成型。

　　本文针对结构复杂的密接式过渡车钩,提出了超塑性模锻成型的工艺进行车钩成型,并选用了　AZ80M镶合金作为车钩材料,进行了超塑性模锻成型工艺和实验研巧。主要研巧工作如下:

　　根据车钩的尺寸和结构特征,对其进行了锻件化化设计,确定其成型方法为超塑性精密模锻成型;设计了成型模具;模具设计为分体式,即将成型模具分成若干模块,通过外模桶将模块组合固定在一起,有效的降低了模具成本。同时,对于无法直接超塑性精密成型的复杂零件,通过模具的合理分块,可实现超塑性精密成型。

　　根据上述本构方程,结合DEF0RM-3D塑性仿真软件,对车钩成型工艺进行了仿真和工艺参数优化,发现成型载荷随温度的升高而降低,但温度对成型载荷的影响逐渐减弱。

　　根据仿真优化结果,设许的车钩成型的最佳实现了镇合金复杂结构件的近净塑性成型。缩短了成型时间,提高了成型效率。对车钩实施热处理工艺,将热处理后的过渡车钩进巧了现场500KN拉伸测试和550KN压缩测试,发现车钩未发生明显变形和损伤,顺利通过了应用检测。结果表明,采用本文所设计的工艺方案成型的镜合金车钩力学性能符合现有车钩力学性能要求。

　　关键词：AZ80M镑合金;过渡车钩;超塑性成型;数值模拟;本构方程

Abstract

　　The wrought magnesiiim alloy has been widely used in the field of transportationequipment because of its light weighty high specific strength and specific rigidity,andgood damping performance. However, magnesium alloy because of its plasticprocessing molding temperature range is narrow, strain-sensitive characteristics, theuse of conventional plastic molding method can only shape the simple parts, and thefiDimation of brittle or overburden. As an advanced plastic forming method,superplastic serming method is able to carry out disposable plastic mol出ng ofcomplex parts, thus shortening the process flow and reducing the machining capacity,so as to realize the near net forming.

　　In tins paper, a superplastic die forging process was proposed for the complexlycoupled transition coupler,and the AZ80M magnesium alloy was used as the couplermaterial. The superplastic die forging process and experimental study were carried outThe main work as follows:

　　According to the size and structural characteristics of the coupler, the forgingoptimization design is carried out,and the forming method is determined as thesuperplastic precision die forging. Design of tiie mold: mold design for the split, thatis, forming a mold into several modviles, through the outer mold barrel to combinationmodules together, effectively reducing the cost of the mold. At the same time, for thecomplex parts can not be directly flirough the superplastic precision molding, throughthe mold of atasonable block, you can achieve superplastic precision molding.

　　According to the constitutive equation and the DEFORM-3D plastic simulationsoftware, the simulation and optimization of the process parameters of the coupler arecarried out It is found that tiie molding load decreases with the increase oftemperature, but the influence of temperature on the forming load is weakened.

　　According to the simulation results, the optimiam process of the coupler moldingprocess has been designed. Successfully produced to number of smoot surface andcomplete filling coupler samples. Hie Ksiilts show the the forming process canrealize the near-net plastic fonning of the magnesium alloy complex parts^ andshorten the molding time and improve the forming efficiency.

　　The heat treatment process is applied to the transition coupler,and ten carriedout on-site 5G0KN tensile tSt and 550KN compression tests found that the couplerwas not significantly deformed and damaged, so successftilly passed the applicationt:esting. The results show that the mechanical properties of the magnesium alloycouplings molded by the process scheme designed in this paper are in accordancewith the mechanical properties of the existing couplers.

　　Key words; AZ80M magnesium alloy, transition coupler, superplastic forming,numerical simulation, constitutive equation

　　随着物流交通运输需求的日益増加,轨道交通运输装备高速化、智能化、轻量化的趋势不可避免。在1964年日本开通了全世界第一条商业运营的高速铁路后,世界各国也开始修建了自己的高速铁路系统,法国于1976年开始修建了自己的第一条高速铁路;英国于2003年开通了　CTRI(英吉利海峡隧道铁路),用高速铁路连接了英国和欧洲大陆;2004年韩国汉城-盖山最高运行速度300km/h的高速新线的开通,使韩国成为第二个拥有高速铁路的亚洲国家。

　　但相对于国内经济的高速发展和国民收入的提高,铁路的提速仍无法满足国内日益增长的运输需要。高速铁路的主要载体为动车组,动车组因其速度、运输能力等方面的优势,使得人们出行时更倾向于选择高铁。因此我国铁路也提出了客运高速、货运重载的跨越式的发展思路。

　　韵缓装置是列车的十项配套技术之一,是轨道列车连接的核屯部件。车钩不仅耍承受列车匀速运动时较小的恒定牵引力,还要承受列车在启动加速出场及减速进场时产生的瞬时极端载荷,因此其为重耍的安全结构件。过渡车钩为动车姐编组时使用的牵引车钩,其需要不停地安装与拆卸,而这些都为人工操作。现有车钩普遍采用铸钢件,重量大,在使用的时候搬运和对准困难。虽有比铸钢件轻的钢制焊接件,但由于焊接曲线较多,加工难度大,易产生缺陷,其可靠性得不到保证;且钢制焊接过渡车钩重量也较大,人工搬运安装困难。因此,过渡车钩对轻量化对提升王人王作环境,减轻工人工作强度具有重要意义。而现有的轻量化过渡车钩主要为德国福伊特公司的碳纤维过渡车钩,虽然其满足过渡车钩的轻量化要求,但其售价过高,且对国内技术垄断。开发国内自主的高强度轻量化过渡车钩,不仅能打破国外技术垄断,而且我们将从材料及成型设计方面实现技术创新,得到中国创造的高铁产品。因此自主开发高强度轻量化过渡车钩具有重要的技术进步意义。进入新世纪来,环保问题日益严峻,人们对环保的要求也越来越高,车钩在满足轻量化设计的同时,必须兼顾生产时节能降耗、使用时无污染且能回收利用,而作为21世纪了绿色工程材料的镑合金材料,成为车钩的首选材料。�嵔�入新世纪来,随着交通运输的快速发展,全球能源消耗日趋增大,对交通运输装备轻量化要求与日俱増。镇合金由于其独特的材料性能优势可广泛运用于交通运输装备行业。

　　在汽车工业方面,镇合金主要用于车内构件(如仪表盘,方向虫,座椅支架等)、车体构件(如口框,行李箱盖等)、发动机及传动系统(如阀盖,变速箱壳等)及底盘系统(轮谷,引擎巧架等)的零件上;在轨道交通工具方面,镑合金主要应用于仪表盘支架梁、密封结构件、滤气器、行李架等需要减震减噪的零部件上;在船舶工业中,镇合金铸件主要用在减震器和消音器等零件上;在摩托车工业上,读合金主要用在曲轴盖、箱盖和轮谷等零件上,实现摩巧赛车的控量化。在自行车工业方面,镇合金应用在轮谷、车架、踏板及前叉等零件上,实现自行车的轻量化,使自行车具有更好的化速性能、爬坡性能,及更好的操控性能。

　　本课题的研巧内容包括镇合金车钩超塑性成型锻件、远料和模具的设计,建立镑合金车钩超塑性成型的数值模型,通过优化工艺参数,实现车钩的工业生产;

　　(1)对AZ80M模合金进行热压缩实验,得到其应力-应变曲线,并建立AZ80M的DEFORM数值模拟的材料模型;

　　(2)利用UG软件对镜合金过渡车钩进行锻件、还料和模具设汁;

　　(3)利用DEF0RM-3D软件对镇合金车钩超塑性成型工艺进行数值模拟分析,研究不同成型参数对镑合金车钩成型的影响,进而优化其成型工艺;

　　(4)使用优化后的成型工艺,对车钩进行成型实验,检验成型工艺的合理性;对成型后车钩进行试验测试,检验车钩宏观力学性能。

　　镁合金过渡车钩超塑性成型模具演示：

车钩钩体几何模型

材料流动尔意图

车钩初次成型模拟结果

车钩成型时材料流动

点在巧料上的位置

不同温度下不同部位的等效应变变化

不同摩擦系数下车钩的等效应变场分布

目录

　　第一章 绪论��
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 镁合金介绍
　　　　　　1.2.1 镁合金的主要特点
　　　　　　1.2.2 镁合金的分类
　　　　　　1.2.3 镁合金的应用
　　　　1.3 变形镁合金
　　　　　　1.3.1 镁合金塑性变形特征
　　　　　　1.3.2 变形镁合金塑性成型方法
　　　　1.4 镁合金超塑性成型
　　　　　　1.4.1 超塑性及其分类
　　　　　　1.4.2 镁合金超塑性变形机理及特点
　　　　　　1.4.3 镁合金超塑巧成型研究现状
　　　　1.5 本课题的研巧意义和内容
　　　　　　1.5.1 研巧意义
　　　　　　1.5.2 研究内容
　　第2章 AZ80M热压缩试验及流变应力模型
　　　　2.1 实验材料
　　　　2.2 实验材料的处理
　　　　2.3 高温压缩实验
　　　　2.4 AZ80M镁合金热压缩流变应力行为
　　　　　　2.4.1 热压缩应力应变关系曲线
　　　　　　2.4.2 热压缩本构方程的建立
　　　　　　2.4.3 高温压缩流变应力模型验证
　　　　2.5 本章小结
　　第3章 车钩超塑性成型有限元分析
　　　　3.1 金属塑性成型有限元法
　　　　3.2 刚塑性有限元法
　　　　　　3.2.1 刚塑性有限元法的基本方程
　　　　　　3.2.2 刚塑性有限元的变分原理
　　　　　　3.2.3 刚塑性有限元的求解步骤
　　　　3.3 数值模型在分析过程中的技术问题
　　　　　　3.3.1 初始速度场的处理
　　　　　　3.3.2 摩擦边界条件问题
　　　　　　3.3.3 刚性区的处理
　　　　　　3.3.4 迭代收敛准则
　　　　　　3.3.5 动态边界的处理
　　　　　　3.3.6 网格再划分
　　　　3.4 塑性成型过程中的热传导理论
　　　　　　3.4.1 兰维瞬态传热问题的基本方程
　　　　　　3.4.2 传热问题的初始条件和边界条件
　　　　3.5 本章小结
　　第4章 车钩超塑性成型数值模拟
　　　　4.1 数值模巧软件DEF0RM-3D
　　　　　　4.1.1 DEFORM-3D　简介
　　　　　　4.1.2 DEFORM-3D软件的模块结构
　　　　4.2 车钩有限元模型的建立与分析
　　　　　　4.2.1 车钩成型方案的确定
　　　　　　4.2.2 建立车钩成型模具有限元模型
　　　　　　4.2.3 前处理设置
　　　　4.3 车钩超塑性成型模拟结果分析
　　　　　　4.3.1 车钩超塑性成型的变形规律
　　　　　　4.3.2 成型温度对车钩成型的影响
　　　　　　4.3.3 加载速度对车钩成型的影响
　　　　　　4.3.4 摩擦系数对车钩成型的影响
　　　　4.4 分析与讨论
　　　　4.5 本章小结
　　第5章 车钩超塑性成型实验研究
　　　　5.1 车钩超塑性成型实验设备与模具
　　　　　　5.1.1 实验设备
　　　　　　5.1.2 车钩超塑性成型模具
　　　　5.2 成型实验
　　　　　　5.2.1 成型工艺
　　　　　　5.2.2 成型实验结果
　　　　5.3 车钩机械性能试验
　　　　5.4 本章小结
　　结论��
　　致谢
　　参考文献

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