AZ21B镁合金等温挤压成形电池壳数值模拟及模具设计开题报告

1、哈裔或7媒大厚本科毕业设计论文开题报告题 目：AZ21B镁合金等温挤压成形电池壳数值模拟及模具设 计院系材料科学工程学院专 业材料成型及限制工程学 生王M学号 110810205班号 1108102指导教师生开题报告日期2022年1月8日哈尔滨工业大学威海材料科学与工程学院二零一三年制1 .课题背景及研究的意义1.1 课题背景自从十九世纪末以来,随着社会和经济的快速开展,人类文明的快速进步,金属材料的消耗 飞速的增加,很多金属矿产资源正逐渐趋于枯竭,如铜、锌、铅等矿藏的开采只能维持几十年, 铝、铁等矿藏也只能维持100300年.镁是地球上储量最大的元素之一,如陆地上的白云石、 湖泊中的盐湖,海

2、洋中也有大量的镁,相比其他金属材料可谓取之不尽、用之不竭 1.而且自 从21世纪以来,镁合金材料生产的本钱逐渐降低,镁合金工件的成形工艺和材料质量很大的提 高2-3,同时彳艮多国家对汽车领域的能源消耗、废气排放的限制,镁合金凭借轻量化,比强度高、 减震性能优越以及可以回收等优点从传统材料中脱颖而出,被誉为二十一世纪最具有开发和应用潜能的“绿色材料 40随着很多矿产资源的日益枯竭,镁以其资源丰富日益受到重视, 刺激了镁工业的开展.目前,镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点.目前,镁合金应 用较多的是铸造成形,而工业上应用较为成熟的主要是压铸成形.虽然镁合金具有优异的压 铸性能,但其设备本钱高,

3、原料利用率低,能源消耗多,铸型寿命较短,铸件综合力学性能 较差,且因镁遇水剧烈反响,在高温下还可能爆炸,所以对其平安性要求相当高.塑性成形 能解决压铸成形中所存在的这些问题,所以开发先进的镁合金塑性成形工艺具有很好的工程 应用价值.1.2 研究的目的及意义研究目的针对镁是密排六方结构,室温下塑性差,很难进行塑性成形,及塑性成形中的加热效率, 生产效率等问题,镁合金的密排六方结构导致镁合金的塑性变形水平差,在塑性变形过程中如果限制不好温度、挤压速度等很容易开裂,故目前大局部镁合金的成形工艺均为铸造.但是铸 造工艺成形的镁合金晶粒粗大,组织不均匀,再加上铸造的先天缺陷气孔、夹杂、缩松等 ,导致 铸

4、造镁合金的性能达不到很多零件的要求彳艮大程度上缩小了镁合金的应用范围.本课题通过 DEFORM软件对镁合金的材料性能、模具结构,加工条件等进行研究分析,利用等温挤压成 形工艺以AZ21B镁合金成形电池壳为载体,进而获得较理想的塑性成形方案及模具.研究意义进入二十一世纪以来,随着社会的快速开展以及人口增加等,人们面临着来自于环境污染、 资源枯竭、能源消耗方面的问题越来越严重.而材料作为国民经济的支柱产业,肩负着巨大的重任.在满足甚至超越之前材料的根底上,如何以更低的能耗,更少的资源来生产出性能更加优 异的新材料来替代之前的材料,或者运用各种方法来限制材料的成形工艺使得材料的性能更加优异成为现在课

5、题研究的主要方向. 我国是镁资源丰富国,居世界第一,原镁产量、出口量亦 居世界第一,但出口的镁产品80%作为初级原材料出口,国内镁及镁合金深加工应用规模及技 术相对薄弱6o国内镁产业存在的最主要表现是镁产品原创性的研究成果缺乏,目前出口的所有镁合金锭几乎全部根据国外的牌号生产,而且在镁合金产品加工制备中的关键技术和装备 大局部依靠进口.因此,如何开展镁合金产业化成套技术及装备的研制开发,对镁合金产品的生 产制备工艺进行研究,对将我国的资源优势转化为技术优势、经济优势具有重要的意义.此外塑性成形技术中,模具的投入资金都比拟大,但是一次两次实验不仅需要进行模具、坯 料的加热而且关键不能到达预期的要

6、求,这样还得改工艺,进而改良模具,对于大型模具的改良 一般都得13个月,无形的增加生产周期和生产投入.计算机的数值模拟技的位移、金属流动 方向、速度、应力应变曲线等都可以直观的呈现在设计人员眼前,挤压过程中的缺陷很容易发现进而改良.最大的挤压应力也可以模拟出来,对于复杂件来说就不用复杂的计算公式,最后再 实际生产试验,这样就无形中提升了设计的效率、节约了大量资金 11-12o本文针对变形镁合金产品生产工艺的难点,研究一种镁合金等温挤压成形的工艺方法,通过各种材料手段对成形的形状较复杂,组织性能,机械强度良好的镁合金零件的组织性能分析. 探索等温挤压成形过程中材料塑性成形机制的作用规律,为镁合金

7、塑性变形提供一定的设计依据和工艺指导.2 .国内外在该方向的研究现状及分析国内现状及分析荷兰代尔夫特理工大学在铝合金挤压过程的数值模拟方面做了较多的研究,得出了挤压速 度、挤压比、温度、挤压力分布等工艺参数之间的动态关系.同时也提出了许多实现等温挤 压的挤压速度模型,最终在实际挤压过程中得到应用,取得了很好的等温挤压限制效果12 01995年,丹麦的Alu-Mac公司开发了一个名为 OPTALEX的闭环等温限制系统,该系统设置 了红外线高温测温仪,并带有反响限制系统,采用均匀加热坯料100随后,美国的 Wells铝业公司在其挤压车间安装使用了此套系统.美国的Werner公司也相继安装了 OPT

8、ALEX系统 110大大的提升了挤压生产效率.型材的形状、尺寸公差更容易限制,型材的强度得到提升, 冶金组织与性能更加均匀,且对其可控性更强.由于系统存储着挤压型材的优化参数值,使 得挤压机调整时间大大减少,系统未造成模具使用上的任何问题.目前,世界上约有20多套OPTALEX系统正在运行,所有系统都使生产率高于大约了 5%,平均生产率提升了 8%10%, 废料减少了 23%14.由德国SMS公司开发的CADEX系统,是基于挤压热-力耦合仿真的 等温挤压系统.CADEX系统被用于该公司的挤压生产中,早期的 CADEX系统,不带有出 口温度的测量装置,完全基于挤压热-力耦合仿真的结果.然后,SM

9、S公司对CADEX系统进 行了改良,开发出了 CADEX2系统.该系统装设了光学高温测温仪,用于监测坯料的入口与 出口温度,还装设了一套数据采集系统,用于记录挤压力、挤压速度等参数,系统用于挤压均匀加热的坯料与梯温加热的坯料.据德国 SAPA铝加工厂的统计,在采用 CADEX系统3 个月内,对生产批量大于100Kg的型材,生产率提升了 9%13o国外现状及分析镁合金的现状作为实用金属中最轻的一种,镁合金因其具有优良的性能和巨大的开发应用潜力,是21世纪及很长一段时期内最具竞争力的一种材料.但是,目前镁合金机械零件的制造以压铸和注 射成型为主,压力加工很少,使其使用受到限制.止匕外,压铸应用范围

10、最广,但负面作用最 大；粉末冶金环境影响较小,但应用范围有限.挤压成型是固态成型的最好替代工艺.其它 工艺跟粉末冶金一样,虽然环境影响较小,但应用范围有限.镁合金挤压的现状程俊伟等4选;f¥ AZ31变形镁合金,设计了实心棒材、矩形和圆形截面薄壁空心型材试样, 对坯料加热、模具预热、润滑剂、挤压比、挤压速度及挤压力等工艺问题与工艺参数,进行 了系统的试验研究,总结了成形规律和确定工艺参数的方法.中科院金属研究所的王忠堂等 也做了相似的研究.翟秋亚等9采用500T挤压试验研究了挤压变形对 AZ31镁合金组织和性能的影响,说明, 随挤压比的增大,挤压显著地细化镁合金晶粒并提升力学性能.李

11、良福以“全苏冶金工程科 学研究所研制的在立式挤压机上热挤压镁合金管子的新工艺为例,介绍了这种新工艺的原 理和优点.该工艺是基于在压力机的一次工作行程内,毛坯的扩径工序和管子挤压工序相重 合,以减少工艺设备,降低劳动量.刘长瑞等通过挤压制取镁合金 AZ31镁合金板坯,常温下轧制,研究其塑性变形行为,考 察了镁合金AZ31组织和轧制工艺参数对其常温下塑性变形水平的影响.结果说明,晶粒度 和道次加工率是影响镁合金 AZ31常温塑性变形水平的重要因素.周海涛等网对AZ31镁合金T型材挤压成形进行了工艺试验研究,确定了 T型材模具各工 作带尺寸及限流举措.分析了 T型材各部位的力学性能.结果说明,在挤压

12、比拟大部位,屈 服强度和抗拉强度最高分别为 117MPa和254Mpa,伸长率为16%.晶粒细小和织构强度提升 是屈服强度和抗拉强度增大的原因.高质量型材必须采用流线型模挤压.3 .研究内容及拟解决的关键问题研究内容本文以AZ21B镁为研究对象,以成形电池壳为载体,通过 DEFORM软件对成形过程进 行模拟分析,进而获得较理想的塑性成形工艺及模具方案.(1)综合考虑AZ21B镁合金的性能、零件的尺寸及性能要求、材料利用率及生产效率等 通过计算来初步制定工艺方案；(2)根据方案制定几何模型和材料模型；(3)利用计算机数值模拟技术对制定的工艺进行模拟,其中包括挤压力、挤压温度、挤压速 度以及摩擦系

13、数确实定,分析金属的流动规律等；(4)根据数值模拟结果,完善工艺方案及模具设计；拟解决的关键问题(1)此实验室塑性变形量较大,模拟过程中容易产生网格畸变,如何进行变形区网格细分, 使模拟结果更加准确,这是本次课题研究的关键问题；1 2)此次实验中综合材料各方面性能确定出合理的坯料温度、挤压速度、模具预热温度、 挤压比、润滑剂等；4 .拟采取的研究方法和技术路线、进度安排、预期到达的目标拟采取的研究方法和技术路线研究方法(1)通过Excel等软件计算,用Pro/E等绘图软件初步设计电池壳的模具；(2)通过Pro/E建立几何模型,再利用 DEFORM软件进行几何模拟；(3)利用DEFORM软件进行

14、模拟,分析材料的性能变化,最终确定最正确的实验条件；(4)根据实验结果,再利用Pro/E重新确立模具方案；具体为利用DEFORM软件进行数值计算.通过模拟,能够确定塑性成形过程中各个阶 段所需的变形功和载荷,获得塑性加工过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、应力 场和温度场,预测工件的成形状况、剩余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布等；预测工件微观组织和性能的变化,如组织结构的演化,微观损伤的形核、长大和聚合过程等.利用计 算机图形使他们能通过虚拟的塑性加工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；根据微观组织的变化预测产品的使用性 能;

15、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. 在对数值模拟结果进行分析的根底上,制订了镁合金薄壁管材的挤压成形工艺,并进行了模 具设计,在模具结构设计方面着重考虑了壁厚差的限制问题.技术路线模具的初步设计软件模拟实验条件合理的模具设计进度安排2022年1月一2022年2月,完成资料收集、译相关文献,撰写开题报告工作.2022年3月2022年4月,电池壳的模具初步设计,对 AZ21B镁合金等温挤压电池壳 试验数据拟合,分析其力学性能及对构件性能的影响.2022年5月,根据实验模拟结果重新确立最正确模具结构和等温挤压条件方案.2022年6月,撰写论文,准备辩论.

16、预期到达的目标熟练运用DEFORM软件,并准确分析镁合金等温挤压成形的各个参数要求,最终设计 出成形电池壳的最正确方案.5 .为完成课题所需的和已具备的条件(1)具备条件：一些相关论文和期刊,老师的一些指导,DEFORM软件的初步学习.所需条件：DEFORM软件的深入学习和熟练掌握,对相关文献的具体研究和探讨,加 深对该课题的研究.6 .预计研究过程中可能遇到的困难和问题,以及解决的举措(1)对该问题一些原理和具体细节问题不清楚.多读相关书籍,请教老师,慢慢摸索.(2)软件的学习和运用可能会遇到困难.多学,多问,多练习.参考文献1左铁铺.中国镁及镁合金开展战略J.科学中国人,2022, (2)

17、: 28-29.2杜文博,吴玉锋,左铁铺.镁合金在交通工具中的应用现状J.世界有色金属,2022,(2): 19-21.3周铁城.机械设计选材与强度刚度评估J.机械工程材料.1996, (8):40-42.4张士宏,许沂,王忠堂等.镁合金成形加工技术J.世界科技研究与开展,2022, 23 (6): 18-21.5范光尧,许沂,王忠堂等.机械成形技术与镁合金材料的应用概况J.工业材料.2000, 1 (6): 139-144.6张青来,卢晨,丁文江.分流挤压镁合金管材工艺研究J.轻合金加工技术,2022,31(10): 28-30.7胡燕辉,李建国,谭敦弓®等.细晶AZ31镁合金高温

18、压缩变形行为研究J. 航 空材料学报,2022, 30(1): 36.8 丁文江.镁合金科学与技术M. 北京:科学出版社,2022, 1: 263.9王波,李名尧,吴华春.镁合金成形技术的研究及应用趋势J.铸造技术,2022, 32(11): 1-2.10刘静安.镁合金加工技术开展趋势与开发应用前景J.四川有色金属,2022, (4):1-10.11王勖成,邵敏.有限元法根本原理和数值方法M.第2版.北京：清华大学出版社,2001.12周明智,薛克敏.方盒形件精密挤压成形三维弹塑性有限元模拟J.合肥工业大学学报,2022(8):882-884.13 Mabuchi M,Ameyama K, wasaki H L, et al. Low TemperatureSuperplasticity of AZ91 Magnesium Alloy With Non-equilibrium Grain Boundaries J. Acta Mater, 2022