论文中文题名: | 2024 铝合金板超声滚压表面强化工艺及其 强化机理研究 |
姓名: | |
学号: | 20205016009 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 080201 |
学科名称: | 工学 - 机械工程 - 机械制造及其自动化 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2020 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 金属塑性成型过程控制与模拟技术 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-15 |
论文答辩日期: | 2023-06-08 |
论文外文题名: | Study on surface strengthening technology and mechanism of 2024 aluminum alloy plate by ultrasonic rolling |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | 2024 aluminum alloy ; Ultrasonic rolling ; Mechanical properties ; Elastoplastic theory ; Finite element simulation |
论文中文摘要: |
现有表面强化方法主要有涂层技术、熔覆技术及机械强化技术。但这些技术在不同程度上存在材料损耗大,高耗能、工艺流程复杂及强化效果不稳定等缺点,且产品表面强化质量及使用场景均需要进一步提升。金属材料在进入塑性阶段时其力学性能发生变化,在此阶段加入滚压技术可以提高金属表层组织塑性流动,加入超声振动使组织层塑性流动更加均匀并提高金属表面强化质量。目前超声振动技术普遍应用在金属塑性成型技术当中,例如滚压、拉伸、锻造及扩管,超声振动的加入有效提升了表面成形效果及质量,是金属塑性加工中研究热点。因此,本研究提出超声滚压表面强化技术,以航空、航天飞机蒙皮等广泛应用的2024铝合金为研究对象,基于实验结合有限元仿真及数学模型,研究2024铝合金板超声滚压过程中超声滚压强化机理及工艺参数对性能的影响。 本研究基于万能拉伸试验机设计制造搭建了超声滚压实验平台,研究了不同超声功率及滚压压力对2024铝合金表层性能影响,揭示了各个组织层在超声滚压过程中演化规律。研究结果表明超声功率及滚压压力对显微硬度及粗糙度有明显的影响,多次滚压显微硬度高于单次滚压显微硬度,但多次滚压粗糙度高于单次滚压粗糙度。 本研究利用万能拉伸试验机进行了超声振动力学性能实验,研究了应变率为0.001mm/s时不同超声功率下超声振动对2024铝合金力学性能影响。建立了基于Johnson-Cook(JC)模型材料本构模型,并利用有限元仿真建立超声滚压过程模型,研究了压应力、米塞斯应力、滚压深度及回弹与超声功率之间的关系,超声功率能有效降低实验过程中压应力及米塞斯应力,增加滚压深度,超声功率及压应力不影响回弹。 本研究基于弹塑性理论分析超声滚压过程中力学变化规律,提出并建立了超声滚压数学模型,该数学模型引入超声振动,以数学理论形式分析超声滚压过程中压应力、米塞斯应力、滚压深度及回弹与超声功率之间的关系。该数学模型理论分析结果与有限元仿真结果与实验结果趋势相同,均处于误差允许范围内。 因此,本研究为2024铝合金表面强化技术提供一种新的超声滚压工艺参数,研究了超声滚压过程中表层组织演化机理及表面性能变化,并建立了超声滚压过程数学模型及有限元仿真。 |
论文外文摘要: |
The existing surface strengthening methods mainly include coating technology, cladding technology and mechanical strengthening technology. however, these technologies have the disadvantages of large material loss, high energy consumption, complex process flow and uneven strengthening effect to some extent, moreover, the product surface strengthening quality and use scenarios need to be further improved. The mechanical properties of metallic materials change when they enter the plastic stage, adding rolling technology at this stage can improve the plastic flow of the metal surface structure. addition ultrasonic vibration makes the plastic flow of the structure layer more uniform and improves the quality of metal surface reinforcement. At present, ultrasonic vibration technology is widely used in metal plastic forming technology. examples include rolling, stretching, forging and pipe enlargement, the addition of ultrasonic vibration effectively improves the surface forming effect and quality, is a hot research topic in metal plastic processing. In this study, ultrasonic rolling surface strengthening technology is proposed, 2024 aluminum alloy which is widely used in aerospace industry and space shuttle skin is taken as the research object, based on experiments combined with finite element simulation and mathematical model, Study ultrasonic rolling reinforcement Mechanism of 2024 aluminum alloy plate during ultrasonic rolling and the effect of process parameters on performance. This research builds an ultrasonic rolling test platform based on the design and manufacture of universal tensile testing machine, the effects of different ultrasonic power and compressive stress on the surface properties of 2024 aluminum alloy were studied, the evolution law of each tissue layer during ultrasonic rolling was revealed. The results show that ultrasonic power and compressive stress have obvious effects on microhardness and roughness, the microhardness of multiple rolling is higher than that of single rolling, but the roughness of multiple rolling is higher than that of single rolling. In this study, the ultrasonic vibration mechanical properties were tested using a universal tensile testing machine, the effect of ultrasonic vibration on mechanical properties of 2024 aluminum alloy under different ultrasonic power at strain rate of 0.001 mm/s was studied. The material constitutive model based on Johnson-Cook (JC) model is established, and the model of ultrasonic rolling process is established by finite element simulation, the relationship between compressive stress, Mises stress, rolling depth, rebound and ultrasonic power is studied, ultrasonic power can effectively reduce the medium-pressure stress and Mises stress in the test process, increase the rolling depth, and the ultrasonic power and compressive stress do not affect the rebound Based on the elastic-plastic theory, this study analyzes the mechanical changes in the process of ultrasonic rolling, and proposes and establishes a mathematical model of ultrasonic rolling, this mathematical model introduces ultrasonic vibration, and analyzes the relationship between medium pressure stress, Mises stress, rolling depth, rebound and ultrasonic power in the form of mathematical theory. The theoretical analysis results of the mathematical model and the finite element simulation results have the same trend as the test results, and both are within the allowable range of error. Therefore, this study provides a new process parameter for 2024 aluminum alloy surface strengthening technology, the structure evolution mechanism and surface property change of the bell surface during ultrasonic rolling process were studied. and provides finite element simulation and mathematical model for ultrasonic rolling technology. |
参考文献: |
[1] 李继永, 李秋秋, 孔昭君. 中国国防科技工业的空间协同现状分析 [J]. 科技和产业, 2022, (09): 6-13. [2] 侯世泽. 航空航天制造技术及设备的现状与发展趋势 [J]. 中国战略新兴产业, 2018, (36): 2. [3] 戚侠. 努力建设世界一流计划财务管理体系为航空强国战略实现贡献力量 [J]. 航空财会, 2022, (03): 15-16. [4] 李呈祥, 王波. “中国制造2025”轨道交通装备智能化制造转型升级 [J]. 金属加工(冷加工), 2016, (S1):667-670. [5] 何欢. “中国制造2025”下的民用航空智能工厂建设研究 [J]. 民用飞机设计与研究, 2019, (03): 32-36. [6] 金钰昕. 新中国航空工业教育发展历程研究(1949~1978) [D]. 沈阳航空航天大学, 2020. [9] 李呈祥,王波. “中国制造2025”之先进的轨道交通装备制造 [J]. 金属加工(热加工), 2016, (02): 28-31. [12] 巴发海, 宋巧玲. 激光表面强化相关问题的研究进展 [J].郑州大学学报(工学版), 2004, (03): 85-89. [13] 张官军, 李贵伦. H13铝材挤压模具工作带激光相变强化工业化应用研究 [J]. 铝加工, 2021, (04): 54-57. [14] 许正功, 陈宗帖, 黄龙发. 表面形变强化技术的研究现状 [J]. 装备制造技术, 2007, (04): 69-71+75. [15] 张硕, 徐梓真, 张冰. 高能电脉冲-超声滚压耦合技术对淬火态GCr15钢表面强化研究 [J]. 材料导报, 2017, (02): 82-86+100. [16] 孟成, 赵运才, 张新宇. 超声滚压表面强化技术的研究现状与应用 [J]. 表面技术, 2022, (08): 179-202. [17] 郑建新, 罗傲梅, 刘传绍. 超声表面强化技术的研究进展 [J]. 制造技术与机床, 2012, (10): 32-36 [18] 曹小建, 吴昌将, 顾镇媛. 超声冲击纳米化的研究现状与进展 [J]. 表面技术, 2019, (08): 113-121. [19] 崔佳鹏. 表面改性技术的发展现状 [J]. 农机使用与维修, 2022, (04): 17-19. [20] 华绍春, 王汉功, 汪刘应. 热喷涂技术的研究进展 [J]. 金属热处理, 2008, (05): 82-87. [21] 陈丽梅, 李强. 等离子喷涂技术现状及发展 [J]. 热处理技术与装备, 2006, (01): 1-5. [28] 时运, 杜晓东, 庄鹏程. 等离子熔覆技术的研究现状及展望 [J]. 表面技术, 2019, 48(12): 23-33. [29] 苏海军, 尉凯晨, 郭伟. 激光快速成形技术新进展及其在高性能材料加工中的应用 [J]. 中国有色金属学报, 2013, 23(06)1567-1574. [32] 斯松华, 袁晓敏, 何宜柱. 激光熔覆镍基金属陶瓷涂层的组织性能研究 [J]. 中国激光, 2002, (08): 759-762. [33] 李志远, 赵伟毅, 张剑波. Cr 3C 2对Fe基合金激光熔覆层组织与性能的影响 [J]. 激光技术, 2010, 34(05): 591-595. [34] 翁飞. 钛合金表面陶瓷强化金属基复合激光熔覆层的微观组织与耐磨性能研究 [D]. 山东大学, 2017. [38] 许正功, 陈宗帖, 黄龙发. 表面形变强化技术的研究现状 [J]. 装备制造技术, 2007(04): 69-71. [39] 王仁智. 金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述 [J]. 中国表面工程, 2012, 25(06): 1-9. [43] 何嘉武, 马世宁, 巴德玛. 表面滚压强化技术研究与应用进展 [J]. 装甲兵工程学院学报, 2013, (03): 75-81. [50] 徐演顺, 伏银兵. 异型面机件检测方法探析 [J]. 航空维修与工程, 2020(02): 94-96. [51] 赵波, 姜燕, 别文博. 超声滚压技术在表面强化中的研究与应用进展 [J]. 航空学报, 2020, 41(10): 42-67. [52] 邹江河. 超声表面深滚对40CrNiMoA钢表面完整性及微动疲劳性能的影响 [D]. 贵州大学, 2022. [53] 崔紫依, 胡晓宇, 祝绳健. 超声表面滚压处理对硬质合金组织结构及性能的影响 [J]. 中国钨业, 2021, 36(01): 35-40. [55] 王婷, 王东坡, 刘刚. 40Cr超声表面滚压加工纳米化 [J]. 机械工程学报, 2009, 45(05): 177-183. [58] 王婷. 超声表面滚压加工改善40Cr钢综合性能研究 [D]. 天津大学, 2009. [73] 赵运才, 温春彬. 超声滚压三维残余应力场的有限元模拟 [J]. 机械强度, 2017, 39(04): 875-881. [77] 杨红平, 傅卫平, 王雯. 基于分形几何与接触力学理论的结合面法向接触刚度计算模型 机械工程学报, 2013, 49(01): 102-107. |
中图分类号: | TG376.3 |
开放日期: | 2023-06-15 |