电流辅助成形技术研究进展及展望

超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺是指在一个热循环内材料同时完成成形和扩散连接的加工过程。随着航空航天领域对轻质高强难变形金属材料需求增加,迫切需要探索这类材料的成形新方法。电流辅助成形能够降低材料流动应力,提高其成形精度,与SPF/DB工艺相结合能够高效制备复杂结构件,这对高强难变形金属材料成形具有重要意义。介绍了电致塑性原理,梳理了电流辅助成形、扩散连接和SPF/DB的特点与优势,阐述了目前电流辅助成形工艺面临的挑战与展望。

钛合金电流辅助成形工艺研究进展

轻质高强材料钛合金因其室温难变形的特性,在一定程度上影响了其应用,电流辅助作用对材料变形具有增塑效应,故采用电流辅助作用成形钛合金有一定的研究意义。对电流辅助难变形钛合金成形进行了综合评述,梳理了钛合金变形电流辅助机理的研究现状,对电流辅助在钛合金塑性成形工艺的运用进行了归纳,最后对电流辅助钛合金成形进行了展望,为电流辅助在钛合金成形工艺中的进一步应用提供参考。

难变形金属小模数齿形件电流辅助分形旋压成形工艺优化

目的针对30CrMnSiA合金结构钢小模数齿形件电流辅助分形旋压成形工艺,探究工艺参数对小模数齿形件成形质量的影响规律,分析工艺参数间的相关性,获得优化后的工艺参数组合。方法选取小模数齿形件齿廓偏差、齿距偏差、轮齿饱和度为成形质量响应指标,以电流密度、占空比以及旋轮进给速度为影响因素,设计响应面试验方案;根据有限元模拟结果建立成形质量回归预测模型,分析电流密度、占空比以及旋轮进给速度对小模数齿形件成形质量的影响规律,计算获得最优的参数组合并进行试验验证。结果电流密度、脉冲占空比、旋轮进给速度对小模数齿形件成形质量有显著影响,成形质量随着电流密度与占空比的升高而升高,随旋轮进给速度的升高而先升高后降低;且电流密度与旋轮进给速度、脉冲占空比与旋轮进给速度在对轮齿饱和度的影响上有一定的交互性;通过建立的回归模型预测得到的优化工艺参数如下:电流密度为17.5 A/mm2、脉冲占空比为40%、旋轮进给速度为0.6 mm/min。结论回归模型预测值与试验值的相对误差小于8%,说明所构建的成形质量回归预测模型是准确的,利用优化后的参数可制备出成形质量良好的小模数齿形件。

电流辅助微成形技术研究进展

高强难变形金属材料微成形中普遍存在成形温度高、表面氧化严重、模具寿命低等问题,迫切需要发展提高难变形材料微成形潜力的新原理、新方法和新工艺。电流辅助微成形技术可以明显改善材料的塑性流动能力、优化微观组织、改善表面质量、提升构件综合力学性能,在突破高强难变形材料制造瓶颈方面具有巨大潜力。基于此,从电流诱发的非热电致塑性效应(电子风)、焦耳热效应和次生效应(裂纹愈合、局部电势)等方面综合评述了电致塑性效应的物理机制,分析了电流激励下材料成形性和应力降等力学性能的响应规律,并从电流对材料回复、再结晶及相变等微观组织的影响方面探讨了电致塑性效应的微观作用机理,进而讨论了近年发展的一些电流辅助微成形工艺,总结并提出了电流辅助微成形技术在理论和工艺方面面临的挑战。

镁合金电流辅助电磁胀形特性实验研究

镁合金室温下塑性极差,限制了镁合金塑性成形工艺的发展。本文结合电流辅助成形和电磁成形等高能率成形工艺的优点,提出一种对镁合金带孔管件孔沿成形的电流辅助电磁成形工艺方法。依据同轴同相脉冲电流作用原理设计了芯棒线圈和试验管件。对AZ31B镁合金退火薄壁管件的实验结果表明,镁合金电辅助电磁成形在镁合金电导率低的情况下,仍具有足够强的成形力,11 kV放电电压,14.2 kJ放电能量下,16 mm外径,壁厚1 mm的镂空管胀形系数达到1.94;方法对镁合金有显著的增塑增强作用,相比室温准静态工况,镁合金延伸率提升了146%,成形后硬度提升了54%;通过对断口的分析发现,脉冲电流辅助对镁合金塑性增强起重要作用。本研究为镁合金室温塑性成形工艺提供了一种新思路。The poor plasticity of magnesium alloys at room temperature limits the development of plastic forming processes for magnesium alloys. This article proposes a current assisted electromagnetic forming process for forming the hole edge of magnesium alloy perforated pipe fittings, combining the advantages of high-energy forming processes such as current assisted forming and electromagnetic forming. Based on the principle of coaxial in-phase pulse current, the core rod coil and test tube were designed. The experimental results of AZ31B magnesium alloy annealed thin-walled pipe fittings show that magnesium alloy electric assisted electromagnetic forming still has sufficient forming force under low electrical conductivity of magnesium alloy. At a discharge voltage of 11 kV and a discharge energy of 14.2 kJ, the bulging coefficient of a hollow tube with an outer diameter of 16 mm and a wall thickness of 1 mm reaches 1.94. The method has a significant plasticizing and strengthening effect on magnesium alloys. Compared with room temperature quasi-static working conditions, the elongation of magnesium alloys has increased by 146%, and the hardness after forming has increased by 54%. Through analysis of the fracture surface, it was found that pulse current assistance plays an important role in enhancing the plasticity of magnesium alloys. This study provides a new approach for the room temperature plastic forming process of magnesium alloys.

电塑性及电流辅助成形研究动态及展望

航空航天等领域对高性能、轻量化和高功效构件精确成形成性的要求,迫切需要发掘和提高难变形材料的成形潜力。金属等材料在电流辅助加载时塑性提高和变形抗力降低的电塑性效应(EPE),与传统塑性加工技术相结合发展出的电流辅助成形(EAF)工艺,可望大幅提高材料成形极限和成形质量,是实现难变形材料难成形结构精确成形制造的极具前景的技术。基于EPE测试表征方法的研究进展分析,综述了焦耳热效应、电子风效应及磁效应等EPE作用机理的研究动态,从回复、再结晶、相变及缺陷修复等方面,分析总结了电流处理对材料微观组织和性能的影响规律和作用机制,进而讨论了电塑性拔丝、轧制及微成形等EPE用于成形过程的EAF研究进展。基于上述研究动态分析,总结提出了电塑性机理方面尚待解决的科学难题、EPE驱动EAF工艺创新及工业化应用所面临的技术挑战。

薄板曲面微结构电流辅助滚压成形工艺研究

针对燃料电池等系统中的薄板曲面微结构制造,提出了薄板曲面微结构滚压成形工艺,并借助电流辅助成形技术,提高了薄板曲面微结构的成形质量。采用单向拉伸实验,研究了脉冲电源参数如电压、频率、脉宽等对T2紫铜薄板单向拉伸变形行为的影响;开展了薄板曲面微结构滚压变形有限元模拟,优化坯料结构,抑制了曲面微结构件的翘曲失稳;在此基础上,开展了电流辅助滚压成形实验。结果表明,脉冲电流在达到一定阈值时,流动应力显著降低,断裂应变明显提高;采用梯形板坯,可优化板料受力状态,抑制翘曲失稳;脉冲电流辅助滚压成形时,曲面微结构高度分散性变小,成形件一致性更好,微结构尺寸精度更高。

钛合金钣金件脉冲电流辅助热压成形精度控制

针对钛合金钣金件冷加工成形精度低、热成形机成形成本高的问题,提出一种采用脉冲电流辅助热压成形工艺。以TC1钛合金U型件为对象,研究了脉冲电流辅助热压成形工艺对钛合金钣金件的缺陷、尺寸精度及力学性能的影响。结果表明,脉冲电流加热可提高成形效率,当脉冲电流密度为9.2A/mm^2,合模速度为15mm/s时,补偿了成形过程的热量损失,使钛合金钣金件保持在良好的成形温度区间,增加其成形极限,得到零件表面质量良好、无裂纹。在成形过程中,随着成形压力、保压时间、模具预热温度的升高,零件的尺寸精度逐渐提高,当成形压力10t、保压时间10s、模具不预热时,零件的尺寸精度即可达到±0.2mm。脉冲电流辅助热压成形后零件的晶粒尺寸比热成形机成形的细小,且力学性能也较好。

脉冲电流作用下金属材料的相变行为

针对α+β钛合金和奥氏体不锈钢两种重要金属材料,开展了电、热处理及相变定量统计实验,定量分析了电流对其相变的作用规律,探讨了电流的微观作用机理。结果表明,电流对钛合金α→β相变起降低相变温度和加速相变过程的促进作用,对不锈钢马氏体相变起抑制作用。通过相变定量统计,探明了电流参数对相变的影响规律:钛合金α→β相变温度随电流密度增大而显著降低,但几乎不受电流占空比影响,相变速度随电流密度增大而提高;不锈钢马氏体相变随电流密度增大而显著减少。基于电流对空位、位错等缺陷的“电子风”和焦耳热效应,揭示了电流对钛合金扩散型α→β相变和不锈钢应变诱导马氏体相变形核及长大阶段的作用机理。

脉冲电流在塑性加工中的应用

金属材料塑性变形时通入脉冲电流,在力学性能方面:材料的流变应力下降、塑性变形能力提高,同时有助于内部裂纹的止裂甚至愈合;在微观效应方面:电流的引入可以改善组织状态,加快再结晶过程,细化晶粒。在自阻加热工艺中,电流直接对坯料加热,降低了能耗,电流加热速度快,提高成形效率。举例说明了电流在热冲压技术、轧制技术和超塑成形技术等塑性加工工艺中的应用。在节能和高效成为材料加工领域主题的今天,脉冲电流在塑性加工领域的应用可以有力地推动尖端制造业,尤其是航空航天制造产业的发展。大量研究也已证明脉冲电流在材料加工领域有着深远的研究意义和广泛的应用价值。

30CrMnSiA杯形件电流辅助拉深旋压成形工艺优化

针对30CrMnSiA杯形件的电流辅助拉深旋压成形工艺,提出以旋压件的内径偏差和倒锥角作为成形质量指标;基于响应面法进行了30CrMnSiA杯形件电流辅助拉深旋压成形实验研究,分析了电流参数及旋压工艺参数对旋压件倒锥角的影响规律。结果表明:电流大小、预热时间与进给比对旋压件倒锥角具有显著的影响,旋轮与芯模相对间隙对倒锥角影响较小。电流大小与进给比对倒锥角的影响具有交互作用;预热时间与进给比对倒锥角的影响具有显著的交互作用。30CrMnSiA杯形件电流辅助拉深旋压最优工艺参数组合为:电流I=1200 A,预热时间th0=52 s,进给比f=0. 36 mm·r^-1,旋轮与芯模相对间隙δ=-38%。

TA15钛合金齿轮结构电流辅助微成形工艺研究

针对钛合金室温塑性差、高温成形模具易损坏、成形精度差等问题,提出了TA15钛合金微齿轮结构电流辅助微成形工艺。利用有限元模拟和实验相结合的方法,分析了浮动成形和分流孔直径对微齿轮电流辅助成形载荷和流动行为的影响规律。结果表明浮动成形降低了微齿轮的成形载荷并有利于齿形下端角的填充,中空分流时分流孔直径为2.3~2.5 mm成形载荷和坯料填充流动最佳。对微齿轮结构进行显微组织和成形性能分析,结果显示,齿形填充完整度较好,金属流线沿轮廓分布,齿面力学性能分布均匀,等轴组织基本被保持。

脉冲电流对6016-T4铝合金板材力学性能的影响

为研究在电流辅助成形时脉冲电流的电流密度、占空比和脉冲频率3个因素对6016-T4铝合金板材力学性能的影响规律,设计了3因素5水平的正交实验。实验表明,对6016-T4铝合金力学性能影响的主次因素是:电流密度>占空比>脉冲频率。在此基础上,选用主次2个因素,即电流密度和脉冲频率,使用控制变量法进行进一步的实验研究。实验结果表明,电流密度对6016-T4铝合金力学性能影响较大,改变电流密度的同时带来了明显的焦耳热效应,该效应对材料有明显的软化作用,降低了材料的流动应力,但是,同时也降低了铝合金板的伸长率,这是因为过大的电流密度加剧了试样的主应变演化,进而促进了试样的断裂。而脉冲频率的变化对6016-T4铝合金板材的力学性能影响很小,这也印证了正交实验的结论。

脉冲电流对30CrMnSiA合金钢流动应力的影响

30CrMnSiA合金钢的室温成形性能差,为探究30CrMnSiA材料电流辅助成形的可行性,基于不同试验参数的电流辅助拉伸试验,研究了温度及脉冲电流参数(电流密度、脉冲占空比和频率)对30CrMnSiA流动应力的影响规律。研究表明:30CrMnSiA的强度及伸长率随温度及电流密度的升高而下降,受脉冲占空比和频率影响不大;脉冲电流能抑制动态应变时效的强化作用,并促进碳化物的析出,使材料塑性下降。基于Voce模型基础,建立了考虑应变速率、温度及脉冲电流参数影响的30Cr Mn Si A电流辅助流动应力模型。利用该模型计算的结果与试验值吻合较好,说明该模型能准确预测材料在电流辅助条件下的流动应力。

扬帆再启航——祝贺《锻压技术》杂志创刊60周年

笔者很荣幸为庆祝《锻压技术》杂志创刊60周年而撰写此文。作为《锻压技术》杂志的资深作者,借此机会衷心感谢《锻压技术》对我的帮助。在过去的几十年里,《锻压技术》在交流新思想、推广先进成形技术及展示行业信息等方面取得了巨大成功。展望未来,其前景将是硕果累累,为此,笔者推荐了一些研究课题供参考,如缸梁一体式压力机、三维应力状态下的屈服准则、三维应力分析方法、板材三维预制坯优化、连续润滑挤压、省力成形、无模液压胀球、多点三明治成形、轻量化成形、电流辅助成形、热变形-淬火复合成形,并对杂志的栏目建设提出了一些建议。