轿车高强度铝合金零件精密模锻关键技术的研究

论文摘要

随着能源和环境问题的日益突出以及人们对轿车的安全性、可靠性、舒适性等要求的提高,各大汽车制造商努力从改善汽车的结构设计和寻找新的替代材料两个方面减轻汽车的重量;不断改进和采用新的零件制造工艺提高产品的质量。铝合金具有一系列优良性能,如密度小、比强度和比刚度高、抗冲击性良好、耐腐蚀、耐磨及高的再生性等,被认为是实现轿车轻量化的首选材料。近年来,铝合金零部件在轿车中所占的比重不断增加,具有很大的开发潜力。本文首先综述了高强度铝合金塑性成形加工工艺的国内外发展概况以及存在的问题,围绕轿车零件7075（LC4）高强度铝合金多层杯筒形零件和中高硅铝合金SC100-T6活塞尾的精密塑性成形新工艺的研究,采用塑性成形理论、有限元模拟和工艺试验相结合的方法,做了一系列的工作,成功地开发了安全气囊关键零件的流动控制成形工艺和活塞尾精密热模锻工艺。分析了轿车安全气囊气体发生器关键零件的结构和形状特征,设计了两种闭式反挤压成形工艺,并分析了它们的异同;提出了以闭式挤压为变形特点的流动控制成形时金属最后充满模腔部位的判据、流动控制成形力的计算模型,并建立了成形力的计算公式;对壳体锻件流动控制成形过程进行了刚塑性有限元模拟,分析了成形过程中的应力场、应变场、速度场的分布及力-行程曲线的变化,提出了两种挤压凸模设计方案;在理论研究的基础上,对壳体和压盖进行了工艺试验,得到了优质精密锻件。对于中高硅铝合金零件,传统的方法是采用压铸工艺生产。近年来,随着轿车性能的不断提高,要求采用塑性成形工艺制造。为了实现这一目的,作者应用Gleeble-1500热力学模拟试验机对不同的温度和变形速率下的铝合金SC100-T6进行等温压缩试验,得到了合金的流动应力与成形温度、应变速率的变化规律,并应用最小二乘法建立了该种合金的本构方程。分析了活塞尾锻件的结构和形状特征,设计了两种预锻毛坯方案;采用刚黏塑性与热力耦合的有限元模型,对两种预锻成形及其相对应的终锻成形进行了数值模拟,对成形过程中的应力场、应变场、速度场及温度场的分布进行了分析和对比,指出优化的“V”形毛坯有利于终锻成形;根据模拟的结果,设计了预锻模、终锻模和切边模,并进行了工艺试验,锻造出了高质量的精密锻件。最后,对铝合金材料SC100-T6进行了金相组织观测,材料锻造前成块状的初晶硅零散分布α?Al中,在锻造后呈细小颗粒状均匀分布。这充分体现了通过精密模锻可显著提高锻件的综合机械性能效果。气体发生器精密锻件经太原山西锦恒汽车部件有限公司的水爆试验,其技术指标达到了美国的技术标准;该项成果已被温州市科技局列为产业化开发项目。活塞尾精密锻件超过日本同类锻件的水平,日本用户已向温岭市立华仪表厂（该项成果的委托开发方）签订大批量供货合同。这表明,这两项成果已达到了实用化水平,并将创造出显著的技术经济效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 变形铝合金的塑性成形技术
• 1.3 铝合金在轿车上的应用
• 1.4 国内外铝合金精锻技术的发展概况
• 1.5 课题的来源、目的和意义
• 1.6 本文主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 2 热耦合有限元模拟基本理论
• 2.1 金属塑性成形有限元模拟的动态
• 2.2 刚塑性有限元理论
• 2.3 刚黏塑性有限元理论
• 2.4 耦合热变形分析
• 2.5 Deform 软件简介
• 2.6 本章小结
• 3 高强度铝合金流变性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 铝合金SC100-T6 的化学成分
• 3.3 铝合金SC100-T6 的热力学压缩试验
• 3.4 铝合金SC100-T6 的本构方程建立
• 3.5 高强度铝合金7075（LC4）的热力学流动应力特征
• 3.6 本章小结
• 4 轿车零件精密模锻工艺分析
• 4.1 壳体零件流动控制成形工艺分析与成形力的计算
• 4.2 活塞尾精密模锻成形工艺分析与成形力的计算
• 4.3 本章小结
• 5 轿车零件精密模锻过程的有限元模拟
• 5.1 安全气囊壳体零件流动控制成形过程的有限元模拟
• 5.2 活塞尾锻件模锻成形过程的有限元模拟
• 5.3 本章小结
• 6 高强度铝合金精密模锻成形工艺及模具的试验研究
• 6.1 壳体、压盖的流动控制成形工艺及模具的试验研究
• 6.2 活塞尾模锻成形工艺及模具的试验研究
• 6.3 小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 作者在攻读学位期间发表论文及成果
• 附录2 金属挤压模锻成形模具专利证书