AZ21B鎂合金等溫?cái)D壓成形電池殼數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、哈裔或7媒大厚本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文開題報(bào)告題 目：AZ21B鎂合金等溫?cái)D壓成形電池殼數(shù)值模擬及模具設(shè) 計(jì)院系材料科學(xué)工程學(xué)院專 業(yè)材料成型及限制工程學(xué) 生王M學(xué)號(hào) 110810205班號(hào) 1108102指導(dǎo)教師生開題報(bào)告日期2022年1月8日哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一三年制1 .課題背景及研究的意義1.1 課題背景自從十九世紀(jì)末以來,隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速開展,人類文明的快速進(jìn)步,金屬材料的消耗 飛速的增加,很多金屬礦產(chǎn)資源正逐漸趨于枯竭,如銅、鋅、鉛等礦藏的開采只能維持幾十年, 鋁、鐵等礦藏也只能維持100300年.鎂是地球上儲(chǔ)量最大的元素之一,如陸地上的白云石、 湖泊中的鹽湖,海

2、洋中也有大量的鎂,相比其他金屬材料可謂取之不盡、用之不竭 1.而且自 從21世紀(jì)以來,鎂合金材料生產(chǎn)的本錢逐漸降低,鎂合金工件的成形工藝和材料質(zhì)量很大的提 高2-3,同時(shí)彳艮多國家對(duì)汽車領(lǐng)域的能源消耗、廢氣排放的限制,鎂合金憑借輕量化,比強(qiáng)度高、 減震性能優(yōu)越以及可以回收等優(yōu)點(diǎn)從傳統(tǒng)材料中脫穎而出,被譽(yù)為二十一世紀(jì)最具有開發(fā)和應(yīng)用潛能的“綠色材料 40隨著很多礦產(chǎn)資源的日益枯竭,鎂以其資源豐富日益受到重視, 刺激了鎂工業(yè)的開展.目前,鎂及鎂合金材料的研究已成為世界性的熱點(diǎn).目前,鎂合金應(yīng) 用較多的是鑄造成形,而工業(yè)上應(yīng)用較為成熟的主要是壓鑄成形.雖然鎂合金具有優(yōu)異的壓 鑄性能,但其設(shè)備本錢高,

3、原料利用率低,能源消耗多,鑄型壽命較短,鑄件綜合力學(xué)性能 較差,且因鎂遇水劇烈反響,在高溫下還可能爆炸,所以對(duì)其平安性要求相當(dāng)高.塑性成形 能解決壓鑄成形中所存在的這些問題,所以開發(fā)先進(jìn)的鎂合金塑性成形工藝具有很好的工程 應(yīng)用價(jià)值.1.2 研究的目的及意義研究目的針對(duì)鎂是密排六方結(jié)構(gòu),室溫下塑性差,很難進(jìn)行塑性成形,及塑性成形中的加熱效率, 生產(chǎn)效率等問題,鎂合金的密排六方結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鎂合金的塑性變形水平差,在塑性變形過程中如果限制不好溫度、擠壓速度等很容易開裂,故目前大局部鎂合金的成形工藝均為鑄造.但是鑄 造工藝成形的鎂合金晶粒粗大,組織不均勻,再加上鑄造的先天缺陷氣孔、夾雜、縮松等 ,導(dǎo)致 鑄

4、造鎂合金的性能達(dá)不到很多零件的要求彳艮大程度上縮小了鎂合金的應(yīng)用范圍.本課題通過 DEFORM軟件對(duì)鎂合金的材料性能、模具結(jié)構(gòu),加工條件等進(jìn)行研究分析,利用等溫?cái)D壓成 形工藝以AZ21B鎂合金成形電池殼為載體,進(jìn)而獲得較理想的塑性成形方案及模具.研究意義進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,隨著社會(huì)的快速開展以及人口增加等,人們面臨著來自于環(huán)境污染、 資源枯竭、能源消耗方面的問題越來越嚴(yán)重.而材料作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),肩負(fù)著巨大的重任.在滿足甚至超越之前材料的根底上,如何以更低的能耗,更少的資源來生產(chǎn)出性能更加優(yōu) 異的新材料來替代之前的材料,或者運(yùn)用各種方法來限制材料的成形工藝使得材料的性能更加優(yōu)異成為現(xiàn)在課

5、題研究的主要方向. 我國是鎂資源豐富國,居世界第一,原鎂產(chǎn)量、出口量亦 居世界第一,但出口的鎂產(chǎn)品80%作為初級(jí)原材料出口,國內(nèi)鎂及鎂合金深加工應(yīng)用規(guī)模及技 術(shù)相對(duì)薄弱6o國內(nèi)鎂產(chǎn)業(yè)存在的最主要表現(xiàn)是鎂產(chǎn)品原創(chuàng)性的研究成果缺乏,目前出口的所有鎂合金錠幾乎全部根據(jù)國外的牌號(hào)生產(chǎn),而且在鎂合金產(chǎn)品加工制備中的關(guān)鍵技術(shù)和裝備 大局部依靠進(jìn)口.因此,如何開展鎂合金產(chǎn)業(yè)化成套技術(shù)及裝備的研制開發(fā),對(duì)鎂合金產(chǎn)品的生 產(chǎn)制備工藝進(jìn)行研究,對(duì)將我國的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢(shì)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)具有重要的意義.此外塑性成形技術(shù)中,模具的投入資金都比擬大,但是一次兩次實(shí)驗(yàn)不僅需要進(jìn)行模具、坯 料的加熱而且關(guān)鍵不能到達(dá)預(yù)期的要

6、求,這樣還得改工藝,進(jìn)而改良模具,對(duì)于大型模具的改良 一般都得13個(gè)月,無形的增加生產(chǎn)周期和生產(chǎn)投入.計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬技的位移、金屬流動(dòng) 方向、速度、應(yīng)力應(yīng)變曲線等都可以直觀的呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員眼前,擠壓過程中的缺陷很容易發(fā)現(xiàn)進(jìn)而改良.最大的擠壓應(yīng)力也可以模擬出來,對(duì)于復(fù)雜件來說就不用復(fù)雜的計(jì)算公式,最后再 實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn),這樣就無形中提升了設(shè)計(jì)的效率、節(jié)約了大量資金 11-12o本文針對(duì)變形鎂合金產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的難點(diǎn),研究一種鎂合金等溫?cái)D壓成形的工藝方法,通過各種材料手段對(duì)成形的形狀較復(fù)雜,組織性能,機(jī)械強(qiáng)度良好的鎂合金零件的組織性能分析. 探索等溫?cái)D壓成形過程中材料塑性成形機(jī)制的作用規(guī)律,為鎂合金

7、塑性變形提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)和工藝指導(dǎo).2 .國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析國內(nèi)現(xiàn)狀及分析荷蘭代爾夫特理工大學(xué)在鋁合金擠壓過程的數(shù)值模擬方面做了較多的研究,得出了擠壓速 度、擠壓比、溫度、擠壓力分布等工藝參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系.同時(shí)也提出了許多實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D 壓的擠壓速度模型,最終在實(shí)際擠壓過程中得到應(yīng)用,取得了很好的等溫?cái)D壓限制效果12 01995年,丹麥的Alu-Mac公司開發(fā)了一個(gè)名為 OPTALEX的閉環(huán)等溫限制系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)置 了紅外線高溫測(cè)溫儀,并帶有反響限制系統(tǒng),采用均勻加熱坯料100隨后,美國的 Wells鋁業(yè)公司在其擠壓車間安裝使用了此套系統(tǒng).美國的Werner公司也相繼安裝了 OPT

8、ALEX系統(tǒng) 110大大的提升了擠壓生產(chǎn)效率.型材的形狀、尺寸公差更容易限制,型材的強(qiáng)度得到提升, 冶金組織與性能更加均勻,且對(duì)其可控性更強(qiáng).由于系統(tǒng)存儲(chǔ)著擠壓型材的優(yōu)化參數(shù)值,使 得擠壓機(jī)調(diào)整時(shí)間大大減少,系統(tǒng)未造成模具使用上的任何問題.目前,世界上約有20多套OPTALEX系統(tǒng)正在運(yùn)行,所有系統(tǒng)都使生產(chǎn)率高于大約了 5%,平均生產(chǎn)率提升了 8%10%, 廢料減少了 23%14.由德國SMS公司開發(fā)的CADEX系統(tǒng),是基于擠壓熱-力耦合仿真的 等溫?cái)D壓系統(tǒng).CADEX系統(tǒng)被用于該公司的擠壓生產(chǎn)中,早期的 CADEX系統(tǒng),不帶有出 口溫度的測(cè)量裝置,完全基于擠壓熱-力耦合仿真的結(jié)果.然后,SM

9、S公司對(duì)CADEX系統(tǒng)進(jìn) 行了改良,開發(fā)出了 CADEX2系統(tǒng).該系統(tǒng)裝設(shè)了光學(xué)高溫測(cè)溫儀,用于監(jiān)測(cè)坯料的入口與 出口溫度,還裝設(shè)了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),用于記錄擠壓力、擠壓速度等參數(shù),系統(tǒng)用于擠壓均勻加熱的坯料與梯溫加熱的坯料.據(jù)德國 SAPA鋁加工廠的統(tǒng)計(jì),在采用 CADEX系統(tǒng)3 個(gè)月內(nèi),對(duì)生產(chǎn)批量大于100Kg的型材,生產(chǎn)率提升了 9%13o國外現(xiàn)狀及分析鎂合金的現(xiàn)狀作為實(shí)用金屬中最輕的一種,鎂合金因其具有優(yōu)良的性能和巨大的開發(fā)應(yīng)用潛力,是21世紀(jì)及很長一段時(shí)期內(nèi)最具競爭力的一種材料.但是,目前鎂合金機(jī)械零件的制造以壓鑄和注 射成型為主,壓力加工很少,使其使用受到限制.止匕外,壓鑄應(yīng)用范圍

10、最廣,但負(fù)面作用最 大；粉末冶金環(huán)境影響較小,但應(yīng)用范圍有限.擠壓成型是固態(tài)成型的最好替代工藝.其它 工藝跟粉末冶金一樣,雖然環(huán)境影響較小,但應(yīng)用范圍有限.鎂合金擠壓的現(xiàn)狀程俊偉等4選;f¥ AZ31變形鎂合金,設(shè)計(jì)了實(shí)心棒材、矩形和圓形截面薄壁空心型材試樣, 對(duì)坯料加熱、模具預(yù)熱、潤滑劑、擠壓比、擠壓速度及擠壓力等工藝問題與工藝參數(shù),進(jìn)行 了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,總結(jié)了成形規(guī)律和確定工藝參數(shù)的方法.中科院金屬研究所的王忠堂等 也做了相似的研究.翟秋亞等9采用500T擠壓試驗(yàn)研究了擠壓變形對(duì) AZ31鎂合金組織和性能的影響,說明, 隨擠壓比的增大,擠壓顯著地細(xì)化鎂合金晶粒并提升力學(xué)性能.李

11、良福以“全蘇冶金工程科 學(xué)研究所研制的在立式擠壓機(jī)上熱擠壓鎂合金管子的新工藝為例,介紹了這種新工藝的原 理和優(yōu)點(diǎn).該工藝是基于在壓力機(jī)的一次工作行程內(nèi),毛坯的擴(kuò)徑工序和管子擠壓工序相重 合,以減少工藝設(shè)備,降低勞動(dòng)量.劉長瑞等通過擠壓制取鎂合金 AZ31鎂合金板坯,常溫下軋制,研究其塑性變形行為,考 察了鎂合金AZ31組織和軋制工藝參數(shù)對(duì)其常溫下塑性變形水平的影響.結(jié)果說明,晶粒度 和道次加工率是影響鎂合金 AZ31常溫塑性變形水平的重要因素.周海濤等網(wǎng)對(duì)AZ31鎂合金T型材擠壓成形進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究,確定了 T型材模具各工 作帶尺寸及限流舉措.分析了 T型材各部位的力學(xué)性能.結(jié)果說明,在擠壓

12、比擬大部位,屈 服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高分別為 117MPa和254Mpa,伸長率為16%.晶粒細(xì)小和織構(gòu)強(qiáng)度提升 是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大的原因.高質(zhì)量型材必須采用流線型模擠壓.3 .研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題研究內(nèi)容本文以AZ21B鎂為研究對(duì)象,以成形電池殼為載體,通過 DEFORM軟件對(duì)成形過程進(jìn) 行模擬分析,進(jìn)而獲得較理想的塑性成形工藝及模具方案.(1)綜合考慮AZ21B鎂合金的性能、零件的尺寸及性能要求、材料利用率及生產(chǎn)效率等 通過計(jì)算來初步制定工藝方案；(2)根據(jù)方案制定幾何模型和材料模型；(3)利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)制定的工藝進(jìn)行模擬,其中包括擠壓力、擠壓溫度、擠壓速 度以及摩擦系

13、數(shù)確實(shí)定,分析金屬的流動(dòng)規(guī)律等；(4)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,完善工藝方案及模具設(shè)計(jì)；擬解決的關(guān)鍵問題(1)此實(shí)驗(yàn)室塑性變形量較大,模擬過程中容易產(chǎn)生網(wǎng)格畸變,如何進(jìn)行變形區(qū)網(wǎng)格細(xì)分, 使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確,這是本次課題研究的關(guān)鍵問題；1 2)此次實(shí)驗(yàn)中綜合材料各方面性能確定出合理的坯料溫度、擠壓速度、模具預(yù)熱溫度、 擠壓比、潤滑劑等；4 .擬采取的研究方法和技術(shù)路線、進(jìn)度安排、預(yù)期到達(dá)的目標(biāo)擬采取的研究方法和技術(shù)路線研究方法(1)通過Excel等軟件計(jì)算,用Pro/E等繪圖軟件初步設(shè)計(jì)電池殼的模具；(2)通過Pro/E建立幾何模型,再利用 DEFORM軟件進(jìn)行幾何模擬；(3)利用DEFORM軟件進(jìn)行

14、模擬,分析材料的性能變化,最終確定最正確的實(shí)驗(yàn)條件；(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,再利用Pro/E重新確立模具方案；具體為利用DEFORM軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.通過模擬,能夠確定塑性成形過程中各個(gè)階 段所需的變形功和載荷,獲得塑性加工過程中工件和模具的位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力 場(chǎng)和溫度場(chǎng),預(yù)測(cè)工件的成形狀況、剩余應(yīng)力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布等；預(yù)測(cè)工件微觀組織和性能的變化,如組織結(jié)構(gòu)的演化,微觀損傷的形核、長大和聚合過程等.利用計(jì) 算機(jī)圖形使他們能通過虛擬的塑性加工過程檢驗(yàn)工件的最終形狀、尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求, 是否會(huì)產(chǎn)生折疊等外部缺陷、疏松和裂紋等內(nèi)部缺陷；根據(jù)微觀組織的變化預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用性 能;

15、還能根據(jù)模具的受力校核其強(qiáng)度、剛度,預(yù)測(cè)模具的磨損,確定壓力機(jī)壓下量的補(bǔ)償值等. 在對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析的根底上,制訂了鎂合金薄壁管材的擠壓成形工藝,并進(jìn)行了模 具設(shè)計(jì),在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面著重考慮了壁厚差的限制問題.技術(shù)路線模具的初步設(shè)計(jì)軟件模擬實(shí)驗(yàn)條件合理的模具設(shè)計(jì)進(jìn)度安排2022年1月一2022年2月,完成資料收集、譯相關(guān)文獻(xiàn),撰寫開題報(bào)告工作.2022年3月2022年4月,電池殼的模具初步設(shè)計(jì),對(duì) AZ21B鎂合金等溫?cái)D壓電池殼 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,分析其力學(xué)性能及對(duì)構(gòu)件性能的影響.2022年5月,根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果重新確立最正確模具結(jié)構(gòu)和等溫?cái)D壓條件方案.2022年6月,撰寫論文,準(zhǔn)備辯論.

16、預(yù)期到達(dá)的目標(biāo)熟練運(yùn)用DEFORM軟件,并準(zhǔn)確分析鎂合金等溫?cái)D壓成形的各個(gè)參數(shù)要求,最終設(shè)計(jì) 出成形電池殼的最正確方案.5 .為完成課題所需的和已具備的條件(1)具備條件：一些相關(guān)論文和期刊,老師的一些指導(dǎo),DEFORM軟件的初步學(xué)習(xí).所需條件：DEFORM軟件的深入學(xué)習(xí)和熟練掌握,對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的具體研究和探討,加 深對(duì)該課題的研究.6 .預(yù)計(jì)研究過程中可能遇到的困難和問題,以及解決的舉措(1)對(duì)該問題一些原理和具體細(xì)節(jié)問題不清楚.多讀相關(guān)書籍,請(qǐng)教老師,慢慢摸索.(2)軟件的學(xué)習(xí)和運(yùn)用可能會(huì)遇到困難.多學(xué),多問,多練習(xí).參考文獻(xiàn)1左鐵鋪.中國鎂及鎂合金開展戰(zhàn)略J.科學(xué)中國人,2022, (2)

17、: 28-29.2杜文博,吳玉鋒,左鐵鋪.鎂合金在交通工具中的應(yīng)用現(xiàn)狀J.世界有色金屬,2022,(2): 19-21.3周鐵城.機(jī)械設(shè)計(jì)選材與強(qiáng)度剛度評(píng)估J.機(jī)械工程材料.1996, (8):40-42.4張士宏,許沂,王忠堂等.鎂合金成形加工技術(shù)J.世界科技研究與開展,2022, 23 (6): 18-21.5范光堯,許沂,王忠堂等.機(jī)械成形技術(shù)與鎂合金材料的應(yīng)用概況J.工業(yè)材料.2000, 1 (6): 139-144.6張青來,盧晨,丁文江.分流擠壓鎂合金管材工藝研究J.輕合金加工技術(shù),2022,31(10): 28-30.7胡燕輝,李建國,譚敦弓®等.細(xì)晶AZ31鎂合金高溫

18、壓縮變形行為研究J. 航 空材料學(xué)報(bào),2022, 30(1): 36.8 丁文江.鎂合金科學(xué)與技術(shù)M. 北京:科學(xué)出版社,2022, 1: 263.9王波,李名堯,吳華春.鎂合金成形技術(shù)的研究及應(yīng)用趨勢(shì)J.鑄造技術(shù),2022, 32(11): 1-2.10劉靜安.鎂合金加工技術(shù)開展趨勢(shì)與開發(fā)應(yīng)用前景J.四川有色金屬,2022, (4):1-10.11王勖成,邵敏.有限元法根本原理和數(shù)值方法M.第2版.北京：清華大學(xué)出版社,2001.12周明智,薛克敏.方盒形件精密擠壓成形三維彈塑性有限元模擬J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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