本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開 題 報 告

1、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開 題 報 告 題 目 5A06鋁合金剪切旋壓件疲勞性能研究指 導(dǎo) 教 師 院（系、部） 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 日 期 教務(wù)處印制7 1、 選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀對旋壓技術(shù)的傳統(tǒng)定義為：旋壓是借助于旋輪等工具的進給運動，加壓于待成形的金屬毛坯，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成為所需空心零件的一種少、無切削的先進制造工藝。旋壓通常分兩類，以改變形狀而基本不改變壁厚的旋壓稱為普通旋壓，它的典型制件為封頭、壓力容器等，工藝方式有拉深旋壓、縮頸旋壓、擴徑旋壓、卷邊旋壓和壓槽、精整等，通過改變壁厚來獲得所需形狀的旋壓稱為強力旋壓，它的典型制品為錐形罩

2、殼、圓筒形件等。旋壓綜合著鍛、擠、滾、軋及拉伸等工藝的特點1-2。由于剪切旋壓工藝的實用性、經(jīng)濟性和先進性，且該工藝具有變形力小，節(jié)約原材料等特點。近三十年，特別是航空、航天和導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展大大推動了旋壓技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展與完善。在日本旋壓件品種已占機械零件37%，國內(nèi)旋壓技術(shù)應(yīng)用面很窄僅限于軍工，而設(shè)備品種、功能、精度上與發(fā)達國家有著較大，差距要原因之一是人們對旋壓技術(shù)和工藝不甚了解。其實旋壓制件的產(chǎn)品范圍很廣，就尺寸而言直徑可從幾毫米到數(shù)米壁厚可0.20毫米到幾十毫米,長度從幾十毫米到數(shù)米。就材質(zhì)的適應(yīng)性而言，一般的延性金屬 (包括加熱可獲得延性) 到欽、鎳、鎢及至稀有金屬，就制件的形狀而言

3、，凡是一般的空心回轉(zhuǎn)件都可以，主要取決于技術(shù)上的可行性以及經(jīng)濟效益的評估3。由于剪切旋壓技術(shù)受多種因素控制，研究其對產(chǎn)品的疲勞性能影響是非常必要的。鋁合金具有較高強度、耐腐蝕穩(wěn)定性及良好的成形性能等優(yōu)點，是航空、航天、船舶制造和汽車制造業(yè)等很多工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一類金屬結(jié)構(gòu)材料。5A06 鋁合金是 Al-Mg 系防銹鋁，該合金屬于形變強化鋁合金，具有較高的強度，在擠壓態(tài)和退火態(tài)能保持很好的塑性，綜合力學(xué)性能和成形性能較好。在飛機制造業(yè)中，5A06 鋁合金大量應(yīng)用到復(fù)雜曲面薄壁構(gòu)件。復(fù)雜曲面薄壁構(gòu)件，即飛行器上長寬尺寸很大，厚度較小，包含復(fù)雜曲面的一大類構(gòu)件。隨著整體制造技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)

4、用，我國新型的裝備以及航空航天構(gòu)件對含有復(fù)雜曲面的大型薄壁構(gòu)件有日益強烈的需求4。5A06鋁合金剪切旋壓件在航空航天中有重要的應(yīng)用，例如在航空航天中5A06鋁合金錐體噴管是應(yīng)用于航天火箭發(fā)動機的重要零部件。由于其超薄壁和高精度的要求，機械加工不易實現(xiàn) 。而板料旋壓成形則是一種高效、 經(jīng)濟的加工方法5。剪切旋壓技術(shù)是局部連續(xù)塑性加工成形工藝，是綜合了鍛造、 擠壓、 拉伸、 彎曲、環(huán)壓、和滾壓等工藝特點的少無切削加工的先進工藝旋壓塑性變形5，切該工藝變形力小，具有節(jié)省材料，提高產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量并且能夠充分細化晶粒組織，提高產(chǎn)品的強塑性,在成形壁薄、質(zhì)輕、高強度、高精度、良好的抗疲勞性能的回轉(zhuǎn)

5、體零部件上的工藝優(yōu)勢是不可替代的，近年來被廣泛用于衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航空、軍械等工業(yè)部門。旋壓產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)對旋壓機床的精度、 功能性、可靠性及自動化程度提出了更高的要求，強力旋壓技術(shù)在未來將會越來越重要6。剪切旋壓工藝受進給比、半錐角和變形溫度等多種參數(shù)控制，國內(nèi)很多學(xué)者對工藝參數(shù)對剪切旋壓件的性能影響進行了研究，大連理工大學(xué)田輝等采用三維有限元法分析了 TC4 鈦合金筒形件正、反旋壓方式下的旋壓力和貼模情況，探討主要工藝參數(shù)對旋壓力和工件質(zhì)量的影響。西北工業(yè)大學(xué)韓冬7等建立了錐體旋壓有限元力學(xué)模型，確定了剪切旋壓的邊界條件。模擬結(jié)果揭示了剪切旋壓的變形機理。通過分析剪切旋壓過程中等效應(yīng)力、應(yīng)變

6、和壁厚的分布情況，確定了相對合理的工藝參數(shù)。由于旋壓成形機理復(fù)雜，在制定旋壓工藝和穩(wěn)定旋壓件質(zhì)量的過程中仍然會出現(xiàn)各種不足。表現(xiàn)為工藝參數(shù)如轉(zhuǎn)速、進給比、道次壓下量、旋輪半徑、運動軌跡等相互制約，如何優(yōu)化是一個經(jīng)驗性很強的工作。同時，工件變形后往往出現(xiàn)各種加工缺陷，其產(chǎn)生原因有待明確8。產(chǎn)品成形后其應(yīng)力、應(yīng)變分布不均勻, 對旋壓件疲勞性能產(chǎn)生不利影響。本文將針對5A06鋁合金剪切旋壓件研究進給比、半錐角和變形溫度對工件殘余應(yīng)力和疲勞性能的影響。剪切旋壓件斷口形貌對疲勞強度影響機理的研究概況疲勞源即疲勞裂紋的萌生標(biāo)志鋁合金設(shè)備疲勞損傷過程的開始，疲勞源是材料微觀組織永久損傷的核心，裂紋萌生后，逐

7、漸長大并與其他裂紋合并然后形成宏觀主裂紋，萌生階段結(jié)束；接下來進入了裂紋擴展階段，經(jīng)過一段穩(wěn)定擴展后，裂紋達到了一個臨界尺寸，隨著下一次應(yīng)力、應(yīng)變的作用，構(gòu)件無法承受，裂紋突然失穩(wěn)擴展，構(gòu)件瞬間斷裂。用三個階段描述該過程：疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴展和失穩(wěn)斷裂階段。裂紋萌生疲勞裂紋往往由于應(yīng)力集中首先起源于物體內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的薄弱部位或高應(yīng)力區(qū)，起始階段，裂紋長度大致在0.050.1mm以內(nèi)或更小，被定義為疲勞裂紋核。隨著疲勞過程的進行，微觀裂紋便會發(fā)展成為宏觀裂紋9。鋁合金材料疲勞裂紋萌生部位主要有滑移帶、晶界、相界面三種。裂紋擴展疲勞裂紋萌生階段結(jié)束，之后進入裂紋擴展的兩個階段，第一階段是

8、沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴展，擴展速率極低，其延伸范圍在幾個晶粒長度之間，隨即疲勞裂紋擴展進入第二階段，在晶界的阻礙作用下，使擴展方向逐漸垂直于主應(yīng)力即拉應(yīng)力方向，并形成疲勞條紋或稱為疲勞輝紋，一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果10。第一階段的裂紋擴展速度慢，長度小，所以該階段的形貌特征并不明顯。而第二階段的穿晶擴展，其擴展速率隨循環(huán)周次增加而增大，擴展程度也較為明顯，多數(shù)材料的第二階段可用電子顯微鏡觀察到疲勞條紋，有些甚至能用肉眼觀察到。不同材料的疲勞條紋各不相同，形貌也是種類繁多，有與裂紋擴展方向垂直略呈彎曲并相互平行的溝槽狀花樣， 有斷口比較平滑而且分布有貝紋或海灘花樣，有時則呈現(xiàn)以源區(qū)為中

9、心的放射線，疲勞條紋是疲勞斷口最有代表性的特征。一般情況下，疲勞裂紋擴展區(qū)在整個斷口所占面積較大。疲勞裂紋擴展階段是材料整個疲勞壽命的主要組成部分。不同鋁合金材料裂紋擴展的兩個階段也有不同的壽命，在材料表面光滑試件中，第一階段的擴展時間占整個疲勞壽命的絕大部分；而在有缺口的試件中，第一階段幾乎可以忽略，第二階段的傳播是整個疲勞裂紋擴展的壽命11。在斷口形貌方面國內(nèi)很多學(xué)者也做了大量研究北京航空材料研究院鋁鎂合金研究室劉銘10等采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗、軸向加載疲勞試驗、疲勞裂紋擴展速率試驗等疲勞性能測試方法, 研究了7475- T 7351鋁合金厚板的疲勞性能, 并通過透射電鏡( T E M )

10、和掃描電鏡( S E M ) 分析了該合金的顯微組織和疲勞斷口形貌。中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉勝濠11等對C919 鋁合金進行了金相電鏡試驗，對在不同溫度擠壓變形后的組織進行觀察，分析了它們的分布特征、形貌及影響，用掃描電鏡觀察了鋁合金的拉伸斷口形貌。中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉崗等研究了鋁合金在不同應(yīng)力下的疲勞性能及疲勞裂紋擴展速率，采用投射電鏡和掃描電鏡觀察了鋁合金微觀組織和斷口形貌特征，研究認(rèn)為裂紋萌生一般位于試樣表面殘余應(yīng)力集中處或不同類型的缺陷補位12剪切旋壓件殘余應(yīng)力對疲勞強度影響機理的研究概況金屬構(gòu)件在冷、熱加工過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其大小甚至可以接近材料的屈服極限。構(gòu)件里的殘余

11、應(yīng)力大多是有害的，如降低構(gòu)件的實際強度、疲勞極限，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂；另外，殘余應(yīng)力的釋放尤其是機械加工誘導(dǎo)的重新分布會使工件產(chǎn)生形變影響精度。多數(shù)情況下，構(gòu)件表面存在拉伸殘余應(yīng)力，人們首先考慮的是如何調(diào)整應(yīng)力分布來提高疲勞壽命13。實際上，殘余應(yīng)力對疲勞的影響因環(huán)境的不同而改變，它與殘余應(yīng)力的分布規(guī)律和量值、材料的彈性性能、外來作用的狀態(tài)等因素有關(guān)。研究殘余應(yīng)力對疲勞的影響時，既要考慮宏觀殘余應(yīng)力又要考慮微觀殘余應(yīng)力的影響。宏觀殘余應(yīng)力在初期暫時與作用的交變應(yīng)力疊加，改變應(yīng)力水平，對疲勞壽命影響較大，而微觀組織的不均勻所造成的微觀殘余應(yīng)力，在應(yīng)力應(yīng)變過程中，會使微觀區(qū)域內(nèi)的塑性變形積累，

12、產(chǎn)生應(yīng)力集中，并使組織內(nèi)產(chǎn)生裂紋。這些影響比起靜載強度的影響，在實用上更為重要14。在殘余應(yīng)力對疲勞性能方面研究紹興文理學(xué)院工學(xué)院張錠銓教授在軸向加載下殘余應(yīng)力對金屬疲勞的研究，遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊志15教授等應(yīng)用X射線法測定了TC4鈦合金殘余應(yīng)力分布，研究了剪切旋壓變形溫度、進給比和半錐角對殘余應(yīng)力分布的影響。金屬材料及強度研究所何家文16教授等采用多軸應(yīng)力的Dang-Van圖估算殘余應(yīng)力對光滑試樣高周疲勞的作用。西安市華山機械廠工藝所葛文翰17對旋壓筒形件的殘余應(yīng)力研究認(rèn)為坯料壁厚相同，一道次旋壓變形率越小軸向壓應(yīng)力越大。當(dāng)變形率減小到只有表層產(chǎn)生變形時，由于表面滾壓的結(jié)果

13、，無論軸向或切向表面均有較大的壓應(yīng)力。二、研究方案及預(yù)期結(jié)果1.研究內(nèi)容1） 旋壓工藝參數(shù)的選擇通過選擇坯料旋壓的模具半錐角來計算出坯料的減薄率和坯料直徑及模具的尺寸，按照半錐角、變形溫度和進給比的不同制定9種不同的旋壓工藝并進行試驗。2） 殘余應(yīng)力分析首先要對工件的厚度進行測試，某狀態(tài)下X和Y方向的殘余應(yīng)力值。運用數(shù)據(jù)分析軟件對不同工藝參數(shù)下的疲勞性能進行分析。3）疲勞性能分析研究不同工藝參數(shù)下試件的疲勞循環(huán)次數(shù)。研究工藝參數(shù)對疲勞循環(huán)次數(shù)的影響，繪制S-N曲線分析不同旋壓工藝參數(shù)下試件的疲勞壽命。4） 斷口觀察分析主要利用該掃描電鏡對拉伸后的斷口形貌進行觀察分析，并對不同進給比、半錐角、變

14、形溫度下變形試樣的斷口形貌進行對比分析。2.實驗準(zhǔn)備與工藝流程實驗材料：5A06鋁合金板實驗器材：SY-4旋壓機，線切割機，X射線衍射儀，微機控制電子萬能試驗機，掃描電鏡3）工藝流程：通過SY-4旋壓機加工不同工藝參數(shù)下的鋁合金剪切旋壓錐形件。對其殘余應(yīng)力測試，在進給比方向上選取3個測試點，并進行標(biāo)注O 1 、O 2 、O 3分別測試點在X和Y方向的殘余應(yīng)力，取3點平均值作為工件某狀態(tài)下X和Y方向的殘余應(yīng)力值。采用微機控制電子萬能試驗機CMT4105MTS測試每個試驗件的b和0.2。根據(jù)測試結(jié)果選擇疲勞試驗三個應(yīng)力加載參數(shù)。采用Quanta200型掃描電鏡掃，描電鏡的加速電壓為20KV，利用該

15、掃描電鏡對拉伸后的斷口形貌進行觀察。5）預(yù)期結(jié)果通過本實驗采用控制變量法改變旋壓半錐角、變形溫度和進給比加工不同鋁合金錐形件，通過過測試殘余應(yīng)力測試能夠發(fā)現(xiàn)不同工藝參數(shù)下殘余應(yīng)力不同，對其進行疲勞測試能夠發(fā)現(xiàn)選擇合適的旋壓工藝參數(shù)，通過掃面電鏡對疲勞能夠發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂方式。三、研究進度第3周 查閱質(zhì)料撰寫開題報告第4-5周 實驗方案設(shè)計及材料準(zhǔn)備第6-8周 對鋁合金坯料進行切割，進行旋壓實驗第9-10周 在旋壓件上切割標(biāo)準(zhǔn)件進行殘余應(yīng)力測試第10-11周 進行疲勞性能測試實驗第11-13周 進行疲勞斷口觀察實驗第14周 分析實驗數(shù)據(jù)，觀察斷口形貌第15-17周 撰寫并修改論文第18周 準(zhǔn)備答辯4

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