（材料加工工程专业论文）az31镁合金弹簧支架挤压成形工艺及产品性能研究.pdf

中北大学学位论文 a z 3 1 镁合金弹簧支架挤压成形工艺及产品性能研究 摘要 针对目前某载重车刹车零件弹簧支架生产中存在的表面缺陷多、产品性能不高等问 题，在现有的a z 3 i 镁合金变形规律和成形工艺研究成果的基础上，利用本校精密塑性成 形工程中心的实验条件，进一步研究了a z 3 l 镁合金弹簧支架的挤压成形工艺及其产品的 组织性能。 应用有限元数值模拟技术，分析了工艺参数及摩擦系数对挤压成形过程的影响规 律，着重讨论了不同变形温度、变形速度和摩擦条件对变形过程中的等效应交、等效应 力以及挤压力的影响，为优化镁合金弹簧支架挤压成形工艺提供理论依据和技术支持。 模拟结果显示变形温度对镁合金的塑性变形影响较大，在一定的挤压速度范围内变 形速度对挤压力影响不大，摩擦对变形具有不利影响。综合分析得出：在变形温度为4 0 0 ，变形速率为1 0 岫s 的条件下该变形最为有利。在变形过程中，选取油基石墨作为润 滑剂，以减小摩擦对变形的影响。 在以上研究的基础上，制定了挤压工艺，设计了模具结构，采用了不等厚坯料的设 计、挤压坯料偏置和挤压凹模侧向孔销的设置等成形新技术，并进行了工艺实验验证。 由成形结果可知，优化改进后的成形工艺及模具结构合理适用，金属具有良好的流动性 和低的变形抗力，充填效果好，并且无氧化和燃烧现象产生，得到的成形工件尺寸精度 高，表面质量好。 对挤压成形产品进行了组织性能的测试分析，得知挤压件完全消除了铸件表面缩 松、缩孔等缺陷，其综合力学性能也明显高于铸件。研究表明：挤压成形的镁合金弹簧 支架质量好，性能高，能更好地满足实际工作的需要，达到了预期的目的。 关键词：镁合金，弹簧支架，挤压，数值模拟，组织性能 中北大学学位论文 s t u d yo ne x t r u s i o nf o r m i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o y a z 3 1 s p r i n g p l a n ka n dp r o p e r t i e so fp r o d u c t a b s t r a c t a i m i n g a tt h eq u e s t i o n st h a tt h ec a rs p r i n gp l a n ke x i s t sa tp r e s e n t ，w eu t i l i z et h ee x i s t i n g p r o d u c t i o nw h i c hi sa b o u tt h ed e f o r m a e o nr u l ea n dt h ef o r m i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u m a l l o ya z 3 1a n dt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n so ft h ep r e c i s i o nf o r m i n gr e s e a r c he n t e r , a n d f u r ( h e l s t u d yt h ee x t r u s i o nt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o ya z 3 1s p r i n gp l a n ka n dt h e s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fp r o d u c t t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d 但e 呻，t h ee f f e c tr e g u l a r i t i e so f t e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t si nt h ee x t r u s i o np r o c e s sa r ea n a l y z e d , a n dt h e e f f e c to fd i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n ds p e e da n df r i c t i o no nt h ee q u i v a l e n ts t r a i n , s t r e s sa n de x t r u s i o nf o r c ei sd i s c u s s e de m p h a t i c a l l y at h e o r ya n dt e c h n o l o g ys u s t a i ni s s u p p l i e df o ro p t i m i z i n ge x t r u s i o nf o r m i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o ys p r i n gp h n l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no fm a g n e s i u ma l l o yi ss e n s i t i v e t ot h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e a n dt h ee x t r u s i o nf o r c ei sn o ts e n s i t i v et ot h ed e f o r m a t i o n s p e e du n d e rs t a t e de x t r u s i o ns p e e d , a n dt h ef r i c t i o nh a san e g a t i v ee f f e c to nt h ed e f o r m a t i o n t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fe x t r u s i o np r o c e s s ，w ek n o wt h a tt h eb e s tf o r m i n g c o n d i t i o ni sa tt e m p e r a t u r e4 0 0 ca n da td e f o r m a t i o nr a t e1 0m m ，s i nt h ef o r m i n gp r o c e s s , o n b a s eg r a p h i t ei ss e l e c t e da st h el u b r i c a n tw h i c hc o u l dd i m i n i s ht h ee f f e c to ff r i c t i o no n d e f o r m a t i o n b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h t h ee x t r u s i o nt e c h n o l o g ya n dt h em o l ds t r u c t u r ea r e d e s i g n e d ，a n ds o m ef o r m i n gn e wm e t h o d sa l ea d o p t e d ，a n dt h ee x p e r i m e n to fe x t r u s i o n t e c h n o l o g yi sa l s oc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h ef o r m i n gr e s u l t ，w ek n o wt h a tt h ef o r m i n g t e c h n o l o g ya n dt h em o l ds t r u c t u r ea r ed e s i g n e df e a s i b l y t h em a g n e s i u ma l l o yh a sv e r yg o o d f l u i da n d l o wd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c e ，t h ee f f e c to ff i l l si sg o o d ，a n dt h e r ei sn oo x i d ea n db u r n 中北大学学位论文 p h e n o m e n o n t h ep r o d u c t h a sg o o dd i m e n s i o na c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t y t h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h ee x t r u s i o np r o d u c ta 化a n a l y z e d t h ed e f e c to fc a s t i n g i se l i m i n a t e dc o m p l e t e l y , a n dt h ee x t r u s i o np r o d u c th a sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e s t u d ys h o w st h a tm a g n e s i u ma l l o ys p r i n gp l a n kw h i c hi sp r o d u c e db y e x t r u s i o nf o r m i n gh a s g o o dq u a l i t ya n dp r o p e r t i e s , c o u l dw e l ls a t i s f yt h e n e e do fw o r k , a n da c h i e v e st h ea n t i c i p a t e d 9 0 a 1 k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ，s p r i n gp l a n k , e x t r u s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： ：f 墓盎 日期： 上! 霉鲤。厶 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文：学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：i 鳖盘 日期： 圆：生： 导师签名：碰丝鱼日期；型：竺! 中北大学学位论文 第一章绪论 弹簧支架是汽车的刹车零件之一，直接影响其行驶的安全性，属典型的功能结构件， 可靠性要求高。目前，此零件多采用铝合金铸造生产，废品率高，可靠性差，且强韧性 难以满足工作要求。镁是比铝更轻的金属结构材料，在轻量化的驱动下，镁舍金材料越来 越广泛地应用于汽车零件的生产。目前镁合金产品主要以铸件，特别是压铸件居多，塑 性加工产品极少。然而，铸件的力学性能不够理想，产品形状尺寸存在一定的局限性且 容易产生组织缺陷，导致镁合金的使用性能和应用范围受到很大限制。因此，变形镁合 金的研究已成为世界镁工业发展中的重要方向，并已经取得了很多重要的成果。本课题 将对a z 3 1 镁合金挤压成形弹簧支架及其产品性能进行分析研究。 1 1 镁合金在汽车工业中的应用 1 1 1 汽车制造材料的轻量化发展趋势 近二十年来，世界汽车工业面临着越来越严竣的三大问题，即能源、公害和安全。 汽车技术的发展主要是围绕着这三大问题进行的，各国政府也先后制订了能源保护、废 气排放、降低噪音和安全保障的法规“1 。其中能源问题最为突出，节能成为汽车工业发 展的核心问题。因此近年来世界各大主要汽车公司从争夺汽车市场的战略考虑，在注重 外形美观的同时，致力于提高汽车的经济性、降低燃油消耗的目标，这样可以缓和能源 需求的紧张状况，减轻环境污染，降低综合费用，这是现代世界汽车工业的发展趋势嘲。 研究发现，汽车重量每降低l o o k g ，每百公里油耗可减少0 7 l ；汽车自重每降低1 0 ， 燃油效率可以提高5 5 。发达国家不断加强对汽车等交通工具能源消耗和废气污染的限 制，促使汽车制造厂重视汽车的轻量化发展伽。中国汽车产品的结构调整的方向也是轿车 占汽车总量的比重增加，低排放、低污染、节能的绿色环保汽车替代非环保汽车“1 。轻量 化已成为汽车选材的主要发展方向 1 1 2 镁合金的应用 中北大学学位论文 镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性 好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等优点，而 广泛应用于汽车、电子、通讯等行业，被誉为“2 l 世纪的绿色工程材料”嘲。到目前为止， 在汽车上共有6 0 多个零部件采用了镁合金，其中仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、发 动机阀盖、变速箱壳、进气歧管、汽车车身等7 个部件镁合金的使用率最高。就其使用 部位性质的不同，可分为壳类和架类两类零件。壳类零件采用高塑性的镁合金不仅可以 减轻重量，而且由于镁合金的阻尼衰减能力强，还可以提高汽车抗振动及耐碰撞性能， 降低汽车运行时噪音；主要包括汽缸盖、离合器壳、变速器壳、滤油器壳、空气滤清器 壳、分动器壳、增压器壳、灯罩等。架类零件包括方向盘、仪表盘、风扇架、挡泥板架、 踏板托架、转向支架、刹车支架、灯托架、座椅架、轮毂等。 北美是汽车用镁量最大的地区，其次是欧洲、日本和韩国。在北美一些车型上，镁 合金用量大约为5 8 2 6 3 k g 辆，美国通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司用镁量均 呈逐年增长趋势。在欧洲一些车型上，镁合金用量大约为9 3 2 0 3 k g 辆。就镁合金在 汽车零部件上的应用而言，日本要落后于欧美等国，到目前为止，日本只在汽车变速 箱、气缸盖、座椅架以及仪表盘等零部件上采用了镁合金。总体上看，镁合金在汽车上 的应用，多以压铸件形式存在，约占全球镁合金压铸件产量的8 0 左右，主要用来取代 铸铁、铝合金、塑料和钢制冲压焊装组合件等。 我国研究者通过在a z 系合金中加入钙、硅、锑、锡、铋、稀土等元素，成功研制了 一系列新型高温抗蠕变镁合金。通过以上这些合金元素的微合金化作用，使a z 9 1 d 合金 从原来只应用于汽车的结构部件( 阀套、离合器壳体、方向盘轴、凸轮罩、刹车托板支 架等) 扩大到高温部件( 齿轮箱、曲轴箱、发动机壳体、油盘等) 。上汽、一汽、二汽以 及长安汽车公司在研究和开发镁合金在汽车领域应用发挥了重要作用。上汽在国内最早 将镁合金应用在汽车上。目前桑塔纳轿车镁合金变速器外壳年用镁量达2 0 0 0 t 以上，镁 合金汽车压铸件生产和应用技术已经十分成熟，镁合金踏板支架压铸件已经开始批量 生产供货。一汽开发了抗蠕变镁合金，可用于制造高温负载条件下汽车动力系统部件， 并获得了3 类有应用前景的m g - a 卜s i c a 、m g a 1 一r e ( 富c e 混合稀土) - c a 以及 m g a 卜r e ( y 、n d ) 系新型压铸镁合金。其强度、1 5 0 c 条件下的蠕变抗力、铸造性能均明 显好于a z 9 1 合金。表面涂装的耐蚀性也能完全满足要求，且其成本可控制在仅高于a z 9 1 2 中北大学学位论文 合金7 左右。此外一汽还成功开发出汽缸盖罩盏、脚踏板、方向盘、增压器壳体、传动 箱罩盖等镁合金压铸件，并已应用于生产。二汽镁合金研发体系也已形成，研发的镁合 金零部件包括- 载重汽车脚踏板、变速箱上盖、制动阀壳体、真空助力器隔板、发动机 汽室罩盖、富康轿车用的方向盘芯、缸体罩盖、进气管、门锁芯壳、转向支架等系列产 品。长安汽车生产的变速器、上下箱体延伸体和缸罩等7 种零件已通过台架试验和道路 试验，2 0 0 4 年已大批量装车进入市场销售嘲 1 2 镁合金弹簧支架的优点 目前某载重车刹车零件弹簧支架多为铝合金产品。而镁是比铝更轻的金属材料，它 可在铝减轻质量的基础上再减轻1 5 2 0 哪。镁合金弹簧支架和铝合金弹簧支架相比具 有以下优点： ( 1 ) 质量轻 镁的比重是铝的2 3 ，所以整个弹簧支架的质量能减轻i 3 ，这个结果给整车带来很 大的好处。此外，使用镁合金弹簧支架还会产生明显的节油效果。 ( 2 ) 抗振性能好 镁合金具有较高的振动阻尼容量，比铝合金更能吸收外界振动带来的能量。它的比 弹性模量与高强度合金大致相同，很能适应高低不平的路面，这是铝合金弹簧支架难以 相比的优点。 ( 3 ) 受外力退让性好 在弹性范围内，当镁合金弹簧支架受到冲击时，所吸收的能量可比铝合金弹簧支架 大一半。因弹性形变与弹性模量是成反比的关系，从这点说，镁合金弹簧支架比铝合金 弹簧支架更能承受猛烈的冲击载荷。 ( 4 ) 切削性能好，易加工 切削同样金属量所需的功率，假设镁合金为1 ，则铝合金为1 8 ，铸铁为3 5 ，低碳 钢为6 3 。由于镁的熔点低，易于再加工，使材料的再生利用率提高；采用适当的工艺 制造镁合金弹簧支架，强度可满足整车要求嘲。 ( 5 ) 效益好 3 中北大学学位论文 一般而言，镁合金具有和铝合金相当的经济性。尽管镁合金的单位质量价格比铝合 金高，但由于镁合金密度小，对相同体积的零件，镁合金用量只是铝合金的三分之二。 因此用单位体积价格来衡量镁合金零件的材料成本更为合适。镁合金具有优良的导电性 和导热性，易于机加工，其机加工( 切削、磨、钻) 能量仅为铝合金的7 0 。总体来看， 镁合金的经济性大于铝合金的经济性。 由此可见，镁合金弹簧支架具有更大的发展潜力。 1 3 国内外相关研究现状 1 3 1 变形镁合金的发展现状 美国、日本等工业发达国家对变形镁合金的研究与开发十分重视，合金牌号和产品 规格已开始向系列化和标准化方向发展。其中美国的变形镁合金材料体系最为完备，合 金系列有m g - a 1 、m g - z n 、m g - r e 、m g - l i 和m g - t h 等，产品类型有板材、棒材、型材、线 材及锻件叭删，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金以及镁基复合 材料。1 9 9 7 年，美国s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r s ，i n c ) 还专门为变形镁合 金产品制定了标准。2 0 0 3 年美国汽车材料联合体( t h eu sa u t o m o t i v em a t e r i a l s p a r t n e r s h i p ，u s a m p ) 为了开发汽车发动机和变速箱、油盘等发动机周边部件的拉深件， 组织了4 2 家公司和2 个团体( 国际镁协会和北美压铸协会) 进行共同研究。德国在1 9 9 5 年开始了s f b 3 9 0 计划，在“关于镁特定领域研究”课题支持下，由两所大学牵头，5 6 所 大学共同参加，对变形镁合金进行了重点研究。此后不久该国又在新合金系开发、原材 料制各、压铸技术、塑性加工工艺、焊接、表面处理等实用化研究方面，进行了官、产、 学相结合的研究。德国联邦教育研究部、德国学术协会以及欧洲共同体均对此项研究给 予了支持，共立项4 4 个，其中压铸镁合金和变形镁合金在汽车领域的应用研究成果最为 突出。在日本，由教育部、科技部、体育部和文化部共同组织实施了“先进镁合金科学 与技术平台”( p l a t f o r ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u ma l l o y ) 计划“”，着重研究镁的新合金、新工艺，开发超高强变形镁合金材料和可冷压加工的 镁合金板材。英国开发出m g - a i b 挤压镁合金用j ：m a g n o x 核反应堆燃料罐“”。以色列也 研制出用在航天飞行器上、兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金“”。荷兰d e l f t 4 中北大学学位论文 科技大学x c a z 3 1 、a z 6 1 、a z 8 0 以及含c a 和s r 元素的高温镁合金咏1 1 5 3 等的均匀化处理、 等温挤压工艺及表面处理技术进行了全面系统的研究，并开发出了一系列适合航空用的 镁合金型材。法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极薄板材料 我国在变形镁合金的研制和开发领域仍处于起步阶段，商业化的交形镁合金产品很 少。近年来，国家和各级地方政府对镁合金，特别是变形镁合金的研究、开发和产业化 等相当重视。我国已将“镁合金应用与开发”列为国家纪委和科技部联合下发的“十五” 国家科技发展规划材料领域的重点任务，最终目标是充分发挥我国的镁资源优势，通过 建立镁合金技术创新体系，建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群，将镁的资源 优势转化为经济优势。目前国内一大批高等院校和科研单位投入到相关领域的研究。并 取得了可喜的成果。吕炎教授“”等采用等温锻造工艺成功地成形了飞机上形状复杂的镁 合金机匣，是目前我国最大的镁合金模锻件，投影面积达0 4 m 。陈振华“”等人对镁合金 变形机理进行了深入研究，并己成功地研制出不同牌号合金的薄壁空心和分流模型材、 厚度为0 3 m 的板材以及不同形状、规格的冲压件。山西省精密成形工程中心在镁合金 铸一挤结合复合成形方面进行了一系列研究，并成功试制出某型号弹体“”。 1 3 2 弹簧支架的发展现状 弹簧支架属于汽车的保安件之一，是其必须具备的零件，结构较复杂，需求量大， 产品性能要求高。目前该零件主要采用铝合金铸造生产。但由于压铸设备昂贵，产品性 能低，生产中废品率居高不下，造成资源的浪费，生产的综合成本高；新兴的触变铸造 成形，由于生产成本高，又难以推广应用。锻造的弹簧支架韧性好，强度与精度均较高， 表面质量也相当好，但缺点是生产工序多，成本也比铸造的高，所以并没有广泛应用于 实际生产。为了克服目前弹簧支架生产所面临的问题，同时满足汽车减重的需要，适应 当前节约能源的新潮流，寻求该零件生产的新材料和新工艺就成为发展的必然。 1 3 3 挤压成形技术的发展现状“1 圳 挤压成形技术出现较晚。约在1 7 9 7 年，英国人布拉曼设计了世界上第一台用于铅 挤压的机械式挤压机，并取得了专利。1 8 2 0 年英国人托马斯首先设计制造了液压式铅管 5 中北大学学位论文 挤压机，这台挤压机具有现代管材挤压机的基本组成部分；挤压筒、可更换挤压模、装 有垫片的挤压轴和通过螺纹连接在轴上的随动挤压针。从此，管材挤压得到了较快发展。 1 8 7 0 年，英国人h a i n e s 发明了铅管反向挤压法。1 8 7 9 年法国的b o r e l 、德国的w e s s l a u 先后开发了铅包覆电缆生产工艺，成为世界上采用挤压法制备复合材料的历史开端。大 约在1 8 9 3 年，英国人j r o b e r t s o n 发明了静液挤压法，但当时没有发现这种方法有何 工业应用价值，直到2 0 世纪5 0 年代才开始得以实用化。1 9 0 3 年和1 9 0 6 年美国人g w l e e 申请并公布了铝、黄铜的冷挤压专利。1 9 2 7 年出现了可移动挤压筒，并采用了电感应加 热技术。1 9 3 0 年欧洲出现了钢的热挤压。1 9 4 1 年美国人h h s t o u t 报道了铜粉末直接 挤压的实验结果。1 9 6 5 年，德国人r s c h n e r d e r 发表了等温挤压实验研究结果，英国的 j m s a b r o f f 等人申请并公布了半连续静液挤压专利。1 9 7 1 年英国人d g r e e n 申请了 c o n f o r m 连续挤压专利之后，挤压生产的连续化受到极大重视，于2 0 世纪8 0 年代初实 现了工业化应用。 由此可知，挤压技术的前期发展过程是从软金属到硬金属，从手工化到机械化、半 连续化，进一步发展到连续化的过程。而从2 0 世纪5 0 年代后期至2 0 世纪8 0 年代初期， 欧美、日本等先进国家对建筑、运输、电力、电子电器用铝合金挤压型材需要量的急剧 增长，近2 0 年来高速发展的工业技术对挤压制品断面形状复杂化、尺寸大范围化( 向 小型化与大型化两个方向发展) 与高精度化、性能均匀化等的要求，以及厂家对高效率 化生产和高剩余价值产品的追求，促进了挤压技术的迅速发展，具体表现为：小断面 超精密型材与大型或超大型型材( 如大型整体壁板) 的挤压、等温挤压、水封挤压、冷 却模挤压、高速挤压等正向挤压技术的发展与进步；反向挤压、静液挤压技术应用范 围的扩大； 以c o n f o r m 为代表的连续挤压技术的实用化；各种特殊挤压技术，如粉 末挤压，以铝包刚线和低温超电导材料为代表的层状复合材料挤压技术的广泛应用； 半固态金属挤压、多坯料挤压等新方法的开发研究等。从应用范围看，从大尺寸金属铸 锭的热挤压开坯至小型精密零件的冷挤压成形，从以粉末、颗粒料为原料的直接挤压成 形到金属问化合物、超导材料等难加工材料的挤压加工，现代挤压技术得到了极为广泛 的开发与应用。 1 3 4 铸造挤压工艺的发展现状 6 中北大学学位论文 到目前为止，国内铸造工艺和挤压工艺仍是两个相互独立的工艺过程，大多数高等 院校分别设置成两门独立的课程，在材料科学飞速发展的今天，这两个古老而又传统的 工艺，有明显的相互结合、渗透的趋势。 日本m i t s u g um o t o m u r a 教授认为“对，将铸造材料作为原材料进行挤压的工艺d q 铸 造挤压工艺。该工艺诞生于1 9 6 5 年【，当时生产转向节工件时，研究人员曾试用此工 艺。在此之后，国外就开始了对铸造毛坯代替轧材进行挤压生产的基础和应用研究，其 中特别是前苏联、美国、英国等国家在此项工艺方法的研究中成果较多，应用较为广泛。 如莫斯科里哈乔夫汽车厂从1 9 7 6 年起便开始用铸造挤压复合成形工艺生产汽车零件， 包括曲轴、十字轴、变速箱齿轮、差速器盘等。美国用该方法生产了铸铁齿轮和多径凸 缘，其强度大大超过了普通铸铁件嘲。 国内铸造挤压复合成形技术的研究应用起步较晚。一些院校在8 0 年代开始着手于 该技术的基础和应用研究，取得了不少有用的成果，已经在工业机械、拖拉机、工程机 械、矿山机械等行业得到部分应用。利用铸造挤压复合成形技术生产的零件有矿用运输 机的链轮，采煤机齿轮，农机行业的护刃器、履带节等。用该技术生产的白口铸铁磨球 大大提高了磨球的冲击韧度，取得了良好的使用效果。 近年来，随着汽车轻量化的需求日益扩大，铝合金越来越多地被用于制造汽车零件。 在一些具有较高性能要求和形状复杂的铝合金零件的成形中，铸造挤压复合成形技术也 逐渐被使用并批量生产。例如一些有耐油压要求的零件和一些铝合金轮毂的生产。在日 本，铸造挤压复合成形工艺已开始应用在铝合金汽车零件和其他铸铁件的生产上脚1 ，并 广泛用于需要强度高和气密性高的地方。 目前世界各国正大力开展铸造挤压复合成形工艺的从基础到应用的广泛深入的研 究。但是采用铸造挤压镁合金复合成形技术来大幅度提高镁合金性能和扩大镁合金在实 际生产中的应用，目前还未见相关报道。 1 4 镁合金弹簧支架生产面临的主要问题和解决措施 1 ，4 1 镁合金弹簧支架生产面临的主要问题 到目前为止，镁合金弹簧支架之所以没有像铝合金弹簧支架那样得到广泛的应用， 7 中北大学学位论文 主要是因为： ( 1 ) 镁合金产品多通过铸造的方式获得。而镁合金铸造也同样存在铸造成形先天 的缩松、缩孔、废品率高及力学性能差等缺点，如a z 9 1 镁合金铸造零件，其抗拉强度 仅为1 6 0 - p a ，延伸率仅为1 5 嘲，无法满足一般承载或受力构件的使用要求。 ( 2 ) 镁属于密排六方晶体结构，滑移系少。因此镁合金在低温下塑性差，流动性 不好，塑性成形困难；而温度过高，又易产生软化，降低产品力学性能，同时镁合金在 高温下易氧化、燃烧。 1 4 2 解决措施 从微观角度来看，铸造镁合金的晶粒一般比较粗大，而变形后镁合金晶粒一般较细 小，其强度和韧性相对铸件来讲都相应提高。国际镁协会指出，虽然铸造镁合金目前占 主导地位，但经过挤压、锻造、轧制等塑性加工工艺的镁合金产品具有更高的强度、更 好的延展性和更多样化的机械性能嘲，可以满足不同场合结构件的使用要求，同时生产 成本更低。因此要大力发展镁合金的应用，必须要研究开发镁合金的塑性成形技术咖。 但是正如上面所述，镁合金在室温下塑性很低，在低温下变形，容易产生裂纹等缺 陷。要解决这个问题，主要是选择最佳的变形温度、变形速率及变形程度。国内外的许 多学者对这个问题进行了研究，提出了一些可行的方法。本课题提出了一种新的方法， 就是结合铸造和塑性变形两种生产工艺的优点，在适当的温度下，由铸坯直接进行挤压 变形的生产工艺。为了消除铸锭原始组织的不均匀性，先对铸锭进行均匀化退火，然后 直接塑性变形，既克服了铸造工艺产生的产品缺陷多、强度不足的缺点，又降低了生产 成本。 1 5 本课题的研究目的和意义 1 5 1 研究镁合金加工工艺的需要 新世纪的今天，资源的匮乏已经成为限制可持续发展的首要问题，很多传统金属材 料日趋短缺。此时，镁合金以其优良的综合性能脱颖而出，正逐步成为当前金属材料发 展的新方向。 8 中北大学学位论文 由于镁合金的塑性加工比铸造在改善产品组织、提高力学性能方面有明显的优越 性，所以镁合金的塑性加工技术越来越引起重视。但是镁合金在室温下塑性较低，限制 了镁合金的大规模应用。很多专家学者在致力于镁合金温热变形方面的研究工作，并提 出了一些方法。a z 3 1 为m g - h l z n 系合金，塑性较高，可锻性好，应力腐蚀倾向小，很适 合于塑性加工。但是关于该合金的具体加工工艺的报道却很少。有人曾对变形镁合金流 变应力及组织性能等进行分析研究陆蚓，但变形温度基本都在3 0 0 c 以上，且其强度水 平有限。为节约原材料，缩短加工工艺，本文提出了由铸坯直接成形产品的方案。一般 的铸坯都是先经过高温轧制或挤压变形，然后成形工件。而对铸坯直接成形工件，其成 形性及成形对产品性能的影响这方面的研究甚少，工艺制定上缺少参考依据。为此，本 文以h z 3 1 镁合金为研究对象，选择最佳热塑性成形方法和工艺参数，使镁合金在该条件 下，具有良好的塑性、流动性和低的变形抗力，能够由铸坯直接成形出复杂形状的零件， 避免铸造产品所形成的缺陷，改善产品的性能，同时使得产品的综合成本费用能够得到 显著降低。 i 5 2 汽车工业发展的需要 众所周知，汽车的刹车系统属于国家一级保安类汽车零件，因为它的性能好坏直接 影响到人们的生命财产安全。目前刹车零件弹簧支架的生产大都采用铸造的方式，产品 合格率低，性能可靠性不高，造成了大量的资源浪费。同时，弹簧支架的生产批量非常 大。据统计，一辆中型载重车每车就要配备4 - 8 个刹车泵，这就意味着，每车所需弹簧 支架4 _ 8 个。按照这样的比例来计算，我国每年所需的刹车零件弹簧支架要在生产总车 的数量的基础上再翻几翻，而我国由于刹车系统故障导致的交通事故也随着汽车数量的 增加而大幅度升高。为了更好地保障人们的生命财产安全，提高刹车系统的性能就是最 好的途径之一。弹簧支架是刹车系统的核心零件，其性能的好坏将直接影响到刹车性能， 所以探寻新的弹簧支架的生产工艺，提高其性能就成为当前汽车工业发展的首要问题。 综上所述，本课题的研究目的和意义在于寻求更好的弹簧支架生产材料和工艺以适 应汽车工业的迅速发展。同时，通过对镁合金新的成形技术的研究，为建立镁合金应用 示范工程，提升镁行业的技术水平贡献一份力量，为镁合金的广泛应用奠定坚实的基础。 9 中北大学学位论文 1 6 本课题研究的主要内容 本课题在总结目前国内外研究成果的基础上，针对镁合金弹簧支架挤压成形中的主 要问题，进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 利用有限元数值模拟软件惦c s u p e r f o r m ，模拟分析镁合金弹簧支架的挤压成 形过程，研究金属的流动规律以及工艺参数对挤压成形的影响规律，为挤压工艺的制定 提供参考 ( 2 ) 根据计算机数值模拟的结果，优化制定镁合金弹簧支架挤压成形工艺，合理 地分配金属材料，选取最佳匹配的变形温度、挤压速度等工艺参数；改进模具结构，使 得金属材料得以顺利地充满整个型腔，避免金属流动过程中出现缩孔等缺陷，达到用塑 性成形的方法制造高精度镁合金弹簧支架的目的。 ( 3 ) 镁合金弹簧支架挤压成形的工艺验证。 ( 4 ) 成形产品的组织和性能分析研究。 1 0 中北大学学位论文 第二章镁合金弹簧支架挤压成形的数值模拟 随着高科技的迅猛发展，制造产品的激烈竞争，人们需要采用越来越多有效的制造 方法来降低材料的消耗量，提高生产率和减少试验时间，同时人们希望制造出来的产品 质量高，性能好。因此需要清楚地了解制造过程中变量参数与最终成品性能之间的关系。 采用有限元分析方法来做金属成形过程的计算机数值模拟，不仅克服了物理模拟资金消 耗大、实验周期长等缺点，还能够定量描述各个阶段金属的流动情况，预测变形过程中 可能出现的缺陷，从而在保证工件质量、减少消耗、提高生产效率和降低成本等方面显 示出巨大的优越性衄，。 2 1 有限元数值模拟基础 2 1 1 有限元数值模拟技术 目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元 法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性来说，主要还是有限元法。有限元法的 基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接，单元内部点的 待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于用平衡 关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成 总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解，单元划分越细，计算结果就越精 确刎。 当前，有限元数值模拟技术的应用范围已由二维扩展到三维，可以进行自适应网格 重划，可以分析形状及受力非常复杂的三维几何模型；从原来典型的简单工艺模拟扩展 到各种复杂的工艺模拟，可以对工艺参数和几何参数进行优化计算；从宏观分析发展到 微观分析，可以预测弹性回复、残余应力、加工硬化，预测工件在变形过程中的微观组 织，模拟退火、正火、淬火、回火等热处理过程中的材料组织变化：并且还能分析一些 较复杂的耦合问题( 如考虑包括塑性变形功和摩擦功的热效应在内的热力耦合以及考虑 变形和相变在内的材料组织性能演化的耦合分析等) 。 中北大学学位论文 2 1 2 有限元数值模拟的应用类型 根据金属材料非线性本构关系式的不同，三维有限元在金属成形过程模拟中的应用 主要分为两大类：弹一( 粘) 塑性和刚一( 粘) 塑性有限元咖。 ( i ) 弹一( 粘) 塑性有限元法 弹一( 粘) 塑性有限元法考虑了金属变形过程中的弹性效应，其理论基础是 p r a n d l t - m i s e s 本构方程。它可分为小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法， 前者主要分析金属成形过程中的初期情况，后者应用于变形量发生大变化的后期阶段。 它们适用于弹性变形量无法忽略的成形过程模拟，广泛应用于板料成形问题分析。采用 它来分析金属塑性成形时，不仅能按照变形的路径得到塑性区的发展状况。工件中的应 力应变、温度分布规律及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载等问题，计算残余 应力及残余应变，从而可预知并避免产品缺陷。但是，弹塑性有限元法要采用增量方式 加载，为了保证计算精度和迭代的收敛性，增量步长不可能太大，所以在计算变形问题 时，计算量大，且需要较长的时间和较多的费用，效率较低。 ( 2 ) 刚一( 粘) 塑性有限元法 这一方法忽略了金属成形过程中的弹性变形，其基本理论是m a r k o v 变分原理。刚一 ( 粘) 塑性有限元法适用于锻造、挤压以及轧制等塑性成形问题的分析。刚塑性有限元 法通常只适用于冷加工，而对于热加工要用到刚一( 粘) 塑性有限元法。由于冈一( 粘) 塑性有限元法是一种基于变分原理的有限元法，使计算的增量步长可以取得大一些，并 且该方法可以用小变形的计算方法处理大变形问题，所以刚一( 粘) 塑性有限元法克服 了弹一( 粘) 塑性有限元法中计算量大、运算时间长、效率低等不足，使计算程序大大 减化，达到了较高的计算效率。但该法由于忽略了金属成形中的弹性效应，所以该方法 不能求解弹性问题，也不能进行残余应力计算。目前，刚一( 粘) 塑性有限元法已成为 金属体积成形的主要数值模拟方法。 2 ，1 3 有限元数值模拟在精密塑性成形中的应用 用计算机来模拟精密塑性成形的全过程主要是基于2 0 世纪7 0 年代发展起来的有限 单元数值计算方法。通过模拟，不仅能获得精密塑性成形过程中工件和模具的位移场、 1 2 中北大学学位论文 速度场、应变场、应力场和温度场，还能预测工件细观组织和性能的变化，如织构的演 化，细观损伤的形核、长大和聚合的过程，热加工中的再结晶晶粒度等。同时利用计算 机图形技术将这些分析结果直观地呈现在研究设计人员面前，使他们能通过模拟的精 密塑性成形过程检验工件的最终形状、尺寸是否符合设计要求，是否会产生折叠等外部 缺陷、疏松和裂纹等内部缺陷，根据细观组织的变化预测产品的使用性能：还能根据模 具的受力校核其强度、刚度，预测模具的磨损，确定压力机压下量的补偿值等。采用精 密塑性成形过程的模拟，能在加工工艺设计和模具设计初步方案完成后立即对其进行 检验，并提供修改方案所需的详尽资料。经模拟检验后，再完成详细设计并进行模具制 造。 精密塑性成形过程模拟在工业发达国家已进入实用阶段，如美国三大汽车公司在 汽车覆盖件模具设计制造中，都要求在设计完成后必须经过计算机模拟检验，才能投 入试验软模的制造。这样可以大大节省制造试验软模的昂贵费用和试验周期，其经济效 益非常明显。 俄罗斯q u n t o r 公司的b i h a 等用数值模拟方法优化锻模，达到了提高模具寿命、改善 零件精度的目的。具体方法是用数值模拟结果优化模具参数，如改变圆角半径以减少应 力集中，采用收缩环和镶块。美国m i t 的s o c r a t e 和b o y c e 借助有限元模拟进行模具设计。 对板材多点成形法通过计算机控制模具形状( p i n 位置) ，用模拟结果优化设计。韩国 y e u n g n a n 大学的s h i m 和s o n 用敏感性法确定初始板料形状。通过p a m - s t a m p 有限元模拟确 定形状敏感性，可以达到优化任意形状板材零件拉伸成形工艺设计。美国c o r n e l 大学的 s r i k a n t h 和z a b a r a s 用梯度优化法对单道次和多道次金属成形工艺进行敏感性分析，建 立弱敏感性平衡方程，从而可以优化成形工艺啪1 。日本京都大学的t a k u d a 等对镁合金 a z 3 1 板料的变形过程进行了有限元数值模拟。在模拟过程中采用了非平面各向异性的 具有轻微压缩的塑性变形的轴对称屈服模型，该模型是对h i l l 屈服准则进行改进得到 的。通过模拟成功预测了形变破裂的位置，并用该模型模拟了不锈钢奥氏体热拉伸的变 形过程，成功预测了成形极限及起皱位置。 在国内，学者采用上限法对管材连铸挤压工艺进行分析。把铸造与锻压相结合，可 以一次性成形管型零件，并采用数值模拟进行计算分析。另外清华大学把数值模拟技术 用于冷挤压缺陷的预测，也取得了较好的效果。 1 3 中北大学学位论文 盒形零件的传统生产工艺主要靠机械加工，材料利用率不到原材料的5 0 ，且耗工 时，生产成本高，改用精密复合挤压工艺后，材料利用率可高达9 0 以上。与轴对称的 杯一杆复合挤压及其他挤压工艺相比，盒形件复合挤压时金属流动状况更为复杂，属于 典型的三维流动情况。周明智等人采用大变形弹塑性有限单元法对工件整个成形过程进 行数值模拟，获得了金属流动过程中的各种信息，从而验证复合挤压工艺成形盒形件的 可行性，同时为模具设计和设备选用提供可靠的依据。 清华大学的胡中等人采用弹塑性材料模型，运用热一机耦合的方法用a n s y s 软件对薄 壁杯件的热拉伸过程进行了有限元数值模拟，通过模拟得到了工件与模具的应力、应变 以及温度分布，预测了发生破裂的位置，并进行了实验验证d 目 中科院金属研究所的张士宏等人在不考虑板料与模具之间热传导的状态下模拟了 a z 3 1 镁合金的热拉伸成形过程和板料起皱、变薄、各向异性造成的成形边缘不均匀的现 象。 张德丰，陆建生等人采用弹塑性大变形热力耦合有限元法研究板材热轧过程m 1 。利 用有限元理论建立了板材热轧模型；应用m s c 肌r c 软件进行计算，重点分析了轧制过程 和变形区中轧件的温度场分布和变化、金属的流动、应力应变的变化趋势，以及轧制力 的变化情况。实验结果与模拟结果相吻合，表明有限元理论可以实现对板材热轧过程的 数值模拟。 2 1 4 有限元数值模拟软件m s c s u p e r f o r m 简介 目前，国外软件在图形处理、用户界面、数据结构以及前后处理等许多方面较国内 产品都有很大优势。美国开发的m s c s u p e r f o r m 软件不仅能够很清楚地反映金属变形流 动规律和应变场、应力场、温度场的分布情况，而且可以很方便地修改工艺