[发明专利]基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

镁及镁合金是目前可工业化应用的最轻的金属结构材料，具有高的比强度和比刚度，优良的阻尼减震性、导热性、电磁屏蔽性以及易回收等优点，在航空航天、汽车、3C产品(计算机、电子、通讯)、化工和军工等领域具有广阔的应用前景。与铸造镁合金零件相比，镁合金锻造成形的零件组织细小均匀、综合机械性能优越，能够满足更高的设计要求，是实现镁合金规模化生产的主要方法之一。但是镁及镁合金由于具有密排六方晶体结构，室温滑移系少，锻造成形时存在以下难点：1)锻造温度区间窄(通常150℃左右)，温度低时，塑性差，变形抗力大，易产生锻裂、充填不佳等缺陷；温度高时，塑性改善，但会造成粘模、晶粒粗大、流动局域化等缺陷；2)对应变速率敏感，塑性随应变速率增加迅速下降，通常在低应变速率成形(10－3s^-1～1s^-1范围内)，生产率低，容易发生反复再结晶和晶粒长大；3)加热次数不宜过多，镁合金强度随加热和锻造次数的增加而下降，而传统的等温恒定压下速率加工难以实现一次模锻成形。

目前镁合金锻压成形技术采用多次等温恒压下速率模锻成形，虽然能够解决镁合金低温塑性差，变形困难的问题，但是多次热锻不仅会导致晶粒长大，混晶与组织不均匀现象，使得锻件整体力学性能下降；而且由于工序复杂、压下速率小，导致成形时间长，生产效率低，制造成本增加。为了满足航空航天、汽车、军工产业对镁合金高性能构件的需求，发展高效率、低成本、高性能的镁合金模锻技术引起国内外学者的广泛关注。

发明内容

本发明就是针对上述现有技术的不足，提供一种基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法。

本发明的技术方案是，一种基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据实际生产经验确定镁合金的初始设计变量区间，所述镁合金为镁合金AZ31B；

步骤二、为了确定镁合金复杂形状模锻件的实际可加工区间，在步骤一给出的初始设计变量区间上通过拉丁超立方试验设计方法(LHD)产生均匀随机抽样点，得到模拟试验中设计变量(变形温度和压下速率)的抽样值；

步骤三、建立耦合可加工性分析的有限元模型，模拟实际零件模锻成形过程，得到给定变形条件(LHD取样点)下流变失稳参数最小值—压下量关系曲线，该曲线与失稳临界值(小于临界值时锻件内部出现变形局域化、剪切带、断裂等缺点)相交，交点即为给定变形条件下模拟试验得到的响应量(锻件发生破坏的临界压下量)；

步骤四、依据步骤二得到的设计变量和步骤三得到的响应量数据，应用最小二乘法回归得到镁合金复杂形状模锻件可加工区间的响应面模型：

式中，y为响应值，即给定变形温度和压下速率条件下锻件内部发生流变失稳的临界压下量；x_i变形温度，x_j为压下速率设计变量；p为设计变量的个数，这里为2；β₀,β_i,β_ii,β_ij为回归系数；

步骤五、根据步骤四得到的可加工区间的响应面模型，设计几种不同的加工路径，根据锻造温度、压下速率随压下量的变化曲线，应用有限元模型计算不同变形路径下锻造成形时失稳参数、平均晶粒尺寸、再结晶百分数和成形力演化，在此基础上，考虑压力机设备额定成形力，确定最优锻造工艺。

步骤三中所述，建立耦合可加工性分析的有限元模型，以计算三维加工图为基础，通过将三维加工图与有限元相集成的数值模拟技术确定实际镁合金模锻件的可加工区间。为了避免模锻件出现变形局域化、剪切带、断裂的破坏现象，通过有限元模拟获得给定变形条件下流变失稳参数最小值—压下量关系曲线，根据流变失稳判据，当模锻件内部流变失稳参数最小值小于临界值时，锻件内部出现变形局域化、剪切带、断裂的缺陷，流变失稳参数最小值—压下量关系曲线与失稳临界值的交点，即为给定变形条件下锻件发生破坏的响应量。

步骤一中所述，镁合金AZ31B在初始设计变量区间中锻造温度范围取为250—400℃，压下速率区间取为0.1—2mm/s。