本科毕业设计开 题 报 告

本科毕业设计（论文）开题报告题 目5A06铝合金剪切旋压件疲劳性能研究指导教师院（系、部）材料科学与工程学院专业班级学号姓名日期教务处印制一、选题的目的、意义和研究现状对旋压技术的传统定义为：旋压是借助于旋轮等工具的进给运动，加压于待成形的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形而成为所需空心零件的一种少、无切削的先进制造工艺。旋压通常分两类，以改变形状而基本不改变壁厚的旋压称为普通旋压，它的典型制件为封头、压力容器等，工艺方式有拉深旋压、缩颈旋压、扩径旋压、卷边旋压和压槽、精整等，通过改变壁厚来获得所需形状的旋压称为强力旋压，它的典型制品为锥形罩壳、圆筒形件等。旋压综合着锻、挤、滚、轧及拉伸等工艺的特点1-2。由于剪切旋压工艺的实用性、经济性和先进性，且该工艺具有变形力小，节约原材料等特点。近三十年，特别是航空、航天和导弹技术的发展大大推动了旋压技术和设备的发展与完善。在日本旋压件品种已占机械零件37%，国内旋压技术应用面很窄仅限于军工，而设备品种、功能、精度上与发达国家有着较大，差距要原因之一是人们对旋压技术和工艺不甚了解。其实旋压制件的产品范围很广，就尺寸而言直径可从几毫米到数米壁厚可0.20毫米到几十毫米,长度从几十毫米到数米。就材质的适应性而曰，一般的延性金属（包括加热可获得延性）到钦、镍、钨及至稀有金属，就制件的形状而言，凡是一般的空心回转件都可以，主要取决于技术上的可行性以及经济效益的评估3。由于剪切旋压技术受多种因素控制，研究其对产品的疲劳性能影响是非常必要的。铝合金具有较高强度、耐腐蚀稳定性及良好的成形性能等优点，是航空、航天、船舶制造和汽车制造业等很多工业领域中应用最为广泛的一类金属结构材料。5A06铝合金是Al-Mg系防锈铝，该合金属于形变强化铝合金，具有较高的强度，在挤压态和退火态能保持很好的塑性，综合力学性能和成形性能较好。在飞机制造业中，5A06铝合金大量应用到复杂曲面薄壁构件。复杂曲面薄壁构件，即飞行器上长宽尺寸很大，厚度较小，包含复杂曲面的一大类构件。随着整体制造技术的快速发展和应用，我国新型的装备以及航空航天构件对含有复杂曲面的大型薄壁构件有日益强烈的需求。5A06铝合金剪切旋压件在航空航天中有重要的应用，例如在航空航天中5A06铝合金锥体喷管是应用于航天火箭发动机的重要零部件。由于其超薄壁和高精度的要求，机械加工不易实现。而板料旋压成形则是 种高效、经济的加工方法5。剪切旋压技术是局部连续塑性加工成形工艺，是综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环压、和滚压等工艺特点的少无切削加工的先进工艺旋压塑性变形，切该工艺变形力小，具有节省材料，提高产品尺寸精度和表面质量并且能够充分细化晶粒组织，提高产品的强塑性，在成形壁薄、质轻、高强度、高精度、良好的抗疲劳性能的回转体零部件上的工艺优 势是不可替代的，近年来被广泛用于卫星、导弹、航空、军械等工业部门。旋压产品的大 规模生产对旋压机床的精度、功能性、可靠性及自动化程度提出了更高的要求，强力旋 压技术在未来将会越来越重要6。剪切旋压工艺受进给比、半锥角和变形温度等多种参数控制，国内很多学者对工艺参 数对剪切旋压件的性能影响进行了研究，大连理工大学田辉等采用三维有限元法分析了 TC4钛合金筒形件正、反旋压方式下的旋压力和贴模情况，探讨主要工艺参数对旋压力和 工件质量的影响。西北工业大学韩冬7等建立了锥体旋压有限元力学模型，确定了剪切旋 压的边界条件。模拟结果揭示了剪切旋压的变形机理。通过分析剪切旋压过程中等效应力、 应变和壁厚的分布情况，确定了相对合理的工艺参数。由于旋压成形机理复杂，在制定旋压工艺和稳定旋压件质量的过程中仍然会出现各种 不足。表现为工艺参数如转速、进给比、道次压下量、旋轮半径、运动轨迹等相互制约， 如何优化是一个经验性很强的工作。同时，工件变形后往往出现各种加工缺陷，其产生原 因有待明确8。产品成形后其应力、应变分布不均匀，对旋压件疲劳性能产生不利影响。 本文将针对5A06铝合金剪切旋压件研究进给比、半锥角和变形温度对工件残余应力和疲 劳性能的影响。剪切旋压件断口形貌对疲劳强度影响机理的研究概况疲劳源即疲劳裂纹的萌生标志 铝合金设备疲劳损伤过程的开始，疲劳源是材料微观组织永久损伤的核心，裂纹萌生后， 逐渐长大并与其他裂纹合并然后形成宏观主裂纹，萌生阶段结束；接下来进入了裂纹扩展 阶段，经过一段稳定扩展后，裂纹达到了一个临界尺寸，随着下一次应力、应变的作用， 构件无法承受，裂纹突然失稳扩展，构件瞬间断裂。用三个阶段描述该过程：疲劳裂纹萌 生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂阶段。裂纹萌生疲劳裂纹往往由于应力集中首先起源于物体 内部微观组织结构的薄弱部位或高应力区，起始阶段，裂纹长度大致在0.050.1mm以内 或更小，被定义为疲劳裂纹核。随着疲劳过程的进行，微观裂纹便会发展成为宏观裂纹9。铝合金材料疲劳裂纹萌生部位主要有滑移带、晶界、相界面三种。裂纹扩展疲劳裂纹 萌生阶段结束，之后进入裂纹扩展的两个阶段，第一阶段是沿主滑移系，以纯剪切方式向 内扩展，扩展速率极低，其延伸范围在几个晶粒长度之间，随即疲劳裂纹扩展进入第二阶 段，在晶界的阻碍作用下，使扩展方向逐渐垂直于主应力即拉应力方向，并形成疲劳条纹 或称为疲劳辉纹，一条辉纹就是一次循环的结果1。第一阶段的裂纹扩展速度慢，长度小，所以该阶段的形貌特征并不明显。而第二阶段的穿晶扩展，其扩展速率随循环周次增加而 增大，扩展程度也较为明显，多数材料的第二阶段可用电子显微镜观察到疲劳条纹，有些 甚至能用肉眼观察到。不同材料的疲劳条纹各不相同，形貌也是种类繁多，有与裂纹扩展 方向垂直略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，有断口比较平滑而且分布有贝纹或海滩花 样，有时则呈现以源区为中心的放射线，疲劳条纹是疲劳断口最有代表性的特征。一般情 况下，疲劳裂纹扩展区在整个断口所占面积较大。疲劳裂纹扩展阶段是材料整个疲劳寿命 的主要组成部分。不同铝合金材料裂纹扩展的两个阶段也有不同的寿命，在材料表面光滑 试件中，第一阶段的扩展时间占整个疲劳寿命的绝大部分；而在有缺口的试件中，第一阶 段几乎可以忽略，第二阶段的传播是整个疲劳裂纹扩展的寿命11。在断口形貌方面国内很多学者也做了大量研究北京航空材料研究院铝镁合金研究室 刘铭10等采用旋转弯曲疲劳试验、轴向加载疲劳试验、疲劳裂纹扩展速率试验等疲劳性能 测试方法，研究了 7475- T 7351铝合金厚板的疲劳性能，并通过透射电镜(T E M )和扫描 电镜(S EM)分析了该合金的显微组织和疲劳断口形貌。中北大学材料科学与工程学院刘 胜濠11 等对C919铝合金进行了金相电镜试验，对在不同温度挤压变形后的组织进行观察， 分析了它们的分布特征、形貌及影响，用扫描电镜观察了铝合金的拉伸断口形貌。中南大 学材料科学与工程学院刘岗等研究了铝合金在不同应力下的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速 率，采用投射电镜和扫描电镜观察了铝合金微观组织和断口形貌特征，研究认为裂纹萌生 一般位于试样表面残余应力集中处或不同类型的缺陷补位12剪切旋压件残余应力对疲劳强度影响机理的研究概况金属构件在冷、热加工过程中产 生残余应力，其大小甚至可以接近材料的屈服极限。构件里的残余应力大多是有害的，如 降低构件的实际强度、疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂；另外，残余应力的释放尤其 是机械加工诱导的重新分布会使工件产生形变影响精度。多数情况下，构件表面存在拉伸 残余应力，人们首先考虑的是如何调整应力分布来提高疲劳寿命13。实际上，残余应力对 疲劳的影响因环境的不同而改变，它与残余应力的分布规律和量值、材料的弹性性能、外 来作用的状态等因素有关。研究残余应力对疲劳的影响时，既要考虑宏观残余应力又要考 虑微观残余应力的影响。宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加，改变应力水平， 对疲劳寿命影响较大，而微观组织的不均匀所造成的微观残余应力，在应力应变过程中， 会使微观区域内的塑性变形积累，产生应力集中，并使组织内产生裂纹。这些影响比起静 载强度的影响，在实用上更为重要US在残余应力对疲劳性能方面研究绍兴文理学院工学院张锭铨教授在轴向加载下残余 应力对金属疲劳的研究，辽宁工程技术大学材料科学与工程学院杨志15教授等应用X射线 法测定了 TC4钛合金残余应力分布，研究了剪切旋压变形温度、进给比和半锥角对残余应 力分布的影响。金属材料及强度研究所何家文16教授等采用多轴应力的Dang-Van图估算 残余应力对光滑试样高周疲劳的作用。西安市华山机械厂工艺所葛文翰17对旋压筒形件的 残余应力研究认为坯料壁厚相同，一道次旋压变形率越小轴向压应力越大。当变形率减小 到只有表层产生变形时，由于表面滚压的结果，无论轴向或切向表面均有较大的压应力。二、研究方案及预期结果1-研究内容1）旋压工艺参数的选择通过选择坯料旋压的模具半锥角来计算出坯料的减薄率和坯料直径及模具的尺寸，按 照半锥角、变形温度和进给比的不同制定9种不同的旋压工艺并进行试验。2）残余应力分析首先要对工件的厚度进行测试，某状态下X和Y方向的残余应力值。运用数据分析软 件对不同工艺参数下的疲劳性能进行分析。3）疲劳性能分析研究不同工艺参数下试件的疲劳循环次数。研究工艺参数对疲劳循环次数的影响，绘 制S-N曲线分析不同旋压工艺参数下试件的疲劳寿命。4）断口观察分析主要利用该扫描电镜对拉伸后的断口形貌进行观察分析，并对不同进给比、半锥角、变形温度下变形试样的断口形貌进行对比分析。2.实验准备与工艺流程实验材料：5A06铝合金板实验器材：SY-4旋压机，线切割机，X射线衍射仪，微机控制电子万能试验机，扫描 电镜3）工艺流程： 通过SY-4旋压机加工不同工艺参数下的铝合金剪切旋压锥形件。 对其残余应力测试，在进给比方向上选取3个测试点，并进行标注O1、O2、O3 分别测试点在X和Y方向的残余应力，取3点平均值作为工件某状态下X和Y方向的残 余应力值。 采用微机控制电子万能试验机CMT4105MTS测试每个试验件的ob和00.2。根据测 试结果选择疲劳试验三个应力加载参数。 采用Quanta200型扫描电镜扫，描电镜的加速电压为20KV，利用该扫描电镜对拉 伸后的断口形貌进行观察。5）预期结果通过本实验采用控制变量法改变旋压半锥角、变形温度和进给比加工不同铝合金锥形 件，通过过测试残余应力测试能够发现不同工艺参数下残余应力不同，对其进行疲劳测试 能够发现选择合适的旋压工艺参数，通过扫面电镜对疲劳能够发现疲劳断裂方式。三、研究进度第3周查阅质料撰写开题报告第4-5周实验方案设计及材料准备第6-8周对铝合金坯料进行切割，进行旋压实验第9-10周在旋压件上切割标准件进行残余应力测试第10-11周进行疲劳性能测试实验第11-13周进行疲劳断口观察实验第14周分析实验数据，观察断口形貌第15-17周撰写并修改论文第18周准备答辩四、主要参考文献1 杨明辉，梁佰祥，夏琴香，阮锋.旋压技术分类及应用J.机电工程技术,2004, 11: 14-16+1.2 赵琳瑜，韩冬，张立武，李增辉，王北平，杨延涛，龚军善.旋压成形技术和设备的典型应用与发展J.锻压技术,2007，06 :18-26.3 陈武照.旋压成形技术和工艺J.机械制造，1990，05:16-18.4 刘莉.5A06铝合金复杂应力状态下的变形行为和组织演变D.哈尔滨工业大学,2014.5 侯红亮，王耀奇，杨志.铝合金剪切旋压残余应力分布规律研究A.中国机械工程学会塑性工程（锻压）分会旋压学术委员会.第十一届全国旋压技术交流大会论文集C.中国机械工程学会塑性工程 （锻压）分会旋压学术委员会:,2008:3.6 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