辅助加热AZ91D挤压螺纹变形区力学模型及强化机制
镁合金由于其重量轻、阻尼减震性好、尺寸稳定性高、电磁屏蔽性能优异等优点，被广泛应用于航空航天、交通运输、电子产品等领域。随着内螺纹加工方法向高效、高速和低成本的方向发展，内螺纹冷挤压净成形工艺在航空航天和高速列车领域具有广阔的应用前景。由于镁元素的晶格特性，镁合金AZ91D在室温下塑性较差，无法进行冷挤压内螺纹加工，本文提出一种利用电磁感应加热辅助挤压成形铸造镁合金AZ91D内螺纹的新工艺，对镁合金内螺纹制造技术具有很好的工程应用价值。 本文应用理论分析、数值模拟和试验研究的方法，研究了辅助加热挤压内螺纹的变形机理，通过建立挤压螺纹挤压变形区的力学模型和扭矩模型，获得工艺参数(辅助加热温度、底孔直径和机床转速)对镁合金AZ91D挤压内螺纹成形过程的影响规律，并进行试验验证。在此基础上从宏观塑性力学和微观晶体塑性理论解释辅助加热挤压内螺纹的成形机理及强化机制。本文完成的主要工作如下： 建立辅助加热挤压内螺纹挤压变形区的力学模型和扭矩模型。根据挤压内螺纹的成形特点，将挤压丝锥棱齿对工件的作用看成是一种“劈一扩一挤”的复合作用，依据螺纹牙型形貌和加工过程中材料流动状态的不同将成形过程分为三个阶段：即劈入阶段、成形阶段和整形阶段。基于滑移线场和速度场理论对挤压变形区的材料流动情况进行分析，得到不同成形阶段下的滑移线场和速度场。对挤压丝锥棱齿及过渡区棱齿进行受力分析，建立辅助加热挤压内螺纹挤压变形区的力学模型和扭矩模型，为进一步研究内螺纹挤压过程中的微观结构特征、工艺参数优化和螺纹成形质量控制等提供理论依据。 利用DEFORM软件建立电磁感应辅助加热挤压成形内螺纹的有限元分析模型，对其成形过程进行数值模拟。分析成形过程中的应力应变场分布云图、温度场及扭矩的变化规律，得到应力场和温度场最大的区域主要发生在丝锥的挤压锥部和校正部分的过渡棱齿处，此处会产生挤压过程中的最大扭矩，同时也是挤压丝锥的磨损位置。研究挤压成形过程中的金属流动规律，得到劈入阶段、成形阶段和整形阶段的速度矢量图，三个阶段的金属流动规律与滑移线场相吻合，同时整形阶段的金属流动规律与螺纹牙型的金属流线方向趋于一致。对比成形过程中工艺参数对扭矩影响的仿真值和试验值，二者的一致性表明电磁感应辅助加热挤压成形内螺纹有限元模型的有效性，为内螺纹辅助加热挤压工艺的实际应用提供了数据支持。 研究辅助加热挤压内螺纹成形的工艺参数对螺纹微观组织和力学性能的影响，并利用响应面法建立工艺参数与扭矩、螺纹牙高率和最大拉拔力之间的回归模型，优化工艺参数。结果表明：综合考虑在满足螺纹质量、螺纹使用性能和挤压丝锥使用寿命的基础上，尽量降低辅助加热温度，增大工件底孔直径，减小机床转速。温度在200℃时，位错密度达到最大，第二相粒子均匀分布于基体，起到了强化作用，螺纹力学性能最好。底孔直径的增加会使位错密度迅速增大，加工硬化现象更明显，同时会增大成形过程中的扭矩，增加挤压丝锥断裂的风险。当机床转速在200r/min时，螺纹力学性能最好，机床转速对加工硬化影响程度与相对温度有密切关系。 通过研究切削内螺纹与辅助加热挤压成形内螺纹的微观组织和力学性能，阐明了辅助加热挤压成形内螺纹的微观成形机理及强化机制。结果表明：辅助加热挤压内螺纹成形后，材料具有流向结构，呈明显的沿挤压丝锥棱齿间齿槽的流动方向弯曲的纤维状，有效提高了螺纹表层的显微硬度。成形过程中产生了明显的滑移带和大量位错，在晶界处产生位错塞积和缠结群，同时固溶原子及Mg17Al12相在晶内析出对位错起到钉扎作用，有利于成形过程中累积更高的位错密度。晶内第二类析出相垂直于镁合金基面，可以更好地防止镁合金基面滑动，具有更好的强化效果，有利于提高挤压螺纹的强度。挤压螺纹的牙型表层硬度和最大拉拔力都明显高于切削螺纹，说明电磁感应辅助加热挤压加工方法将改变金属内部的组织结构，出现加工硬化现象，使挤压螺纹的强度、硬度增加。对挤压螺纹强度和硬度提升贡献较大的是细晶强化机制和加工硬化机制。
AZ91D挤压螺纹变形区;滑移线场;显微组织;强化机制
哈尔滨理工大学
博士
材料学
吉泽升
2022
中文
TG146.22
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）