7075铝合金温模热冲压实验与有限元模拟研究

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为了应对汽车行业飞速发展带来的环境污染和能源危机的挑战,汽车轻量化已经成为当务之急。7000系铝合金具有较高的比强度,成为轻量化材料的理想选择。7000系铝合金在室温状态下成形性较差,温成形工艺虽然可以提高成形性能,但是会导致材料强度降低。铝合金热冲压成形可以提高材料成形性,并能通过时效处理保证其强度。然而该工艺要求在很短的时间完成成形,工艺窗口窄,而且需要复杂的冷却系统以在生产周期中保持模具的低温。为解决以上问题,本文提出了7075铝合金温模热冲压成形工艺,探究模具温度对材料力学性能、成形精度和微观组织的影响。通过有限元反向优化的方法获得不同模具温度、接触压强和成形间隙条件下的接触热交换系数(IHTC)。建立7075铝合金U形件温模热冲压成形有限元模型,分析不同模具温度对成形过程中U形件温度变化的影响。主要研究结论如下:(1)对于7075铝合金,模具温度为200℃时可以同时获得高强度和优良的成形性。模具温度为25℃时,铝合金试样的抗拉强度为560 MPa,硬度为190 HV,最大回弹角为1.5o。模具温度由200℃升至350℃时,试样的抗拉强度由554 MPa降至394 MPa,硬度由180 HV降至93 HV。模具温度由25~℃升至200~℃,铝合金零件的回弹角由1.5o降至0.5o,随着模具温度的进一步升高,回弹角下降不明显。(2)模具温度的逐渐升高会引起的试样晶粒粗大化和时效后强化相体积分数减少,最终导致铝合金试样的力学性能逐渐降低。当模具温度为200℃时,试样内的晶粒尺寸均匀分布,6-27μm范围内的晶粒占比49%,大于100μm的晶粒占比为6%;当模具温度为350℃时,6-27μm范围内的晶粒占比下降至35%,大尺寸晶粒的数量有所增加,大于100μm的晶粒占比增至18%。随着模具温度的升高,板料的冷却速率逐渐降低,淬火过程中析出的溶质元素逐渐增多,使得时效后基体内细小弥散的强化相含量逐渐减少,从而影响铝合金试样的力学性能。(3)不同模具温度、压强、成形间隙下,板料的冷却速率在0-4 s内最高,4-6 s内减小,6-10 s内最小。IHTC与模具温度、成形间隙表现为负相关关系,与压强表现为正相关关系。模具温度由25o C增至350o C时,板料与模具之间的温差逐渐缩小,减弱了板料与模具之间的热量传递,板料冷却速率逐渐减小,IHTC从6436 W/m~2℃降至2436 W/m~2℃;压强由0 MPa增至24 MPa时,模具与板料之间的接触面积增加,热传递受阻逐渐减弱,IHTC从870 W/m2℃增至6436 W/m2℃;成形间隙由0 mm增至3.13 mm时,板料与模具不再接触,两者之间的热量传递逐渐减弱,热流密度逐渐减小,板料冷却速率逐渐减小,IHTC从6436 W/m~2℃降至100 W/m~2℃。(4)将得到的IHTC引入U形件的有限元模型,对压强为24 MPa,模具温度分别为25℃、200℃和350℃时的冲压过程进行模拟。结果表明,模具闭合之后,U形件底部与法兰所受压力较大,热量传递速度快,冷却速率较大;侧壁受到的压力较小,冷却速率较小。U形件底部温度采集点的温度变化曲线与实验温度曲线贴合度较高,整体温差控制在±4℃之内。
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