挤出切削法制备金属翅片的机械工艺及机理

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论文字数:82454 论文编号:sb2020060111113331327 日期:2020-06-02 来源:硕博论文网
本文是一篇机械论文研究,本文以挤出切削成形加工方法为对象,研究其加工韧性金属材料制备金属翅片的成形过程与成形结果,总结挤出切削成形工艺参数对切屑翅片成形截面的影响规律,建立了描述挤出切削成形加工过程的几何模型,并探索出突破现有加工方法成形能力极限的犁切挤出切削成形方法。

第一章 绪论

1.1 研究背景
金属切削加工过程中会产生诸多废料,其中最具代表性的便是切屑。我国是当前世界上首屈一指的制造业大国,每年生产海量的金属制品。据国家统计局统计,2018 年全年我国共生产钢材 110551.65 万吨,精炼铜 902.90 万吨,原铝(电解铝)3580.19 万吨[1]。同时,切削加工是应用最广泛的金属制造工艺,据国家统计局统计,我国的在役金属切削机床保有量在 600 万台以上。据估算,约有 15%的工件材料会在切削过程中转变成切屑,我国庞大的产业规模使得产生的切屑总量极大。
切屑是金属加工工厂的主要污染源之一,它如图 1-1 所示堆积,量大且蓬松,夹杂大量的固液杂质。切屑回收的成本高,损耗大,相比其他废料回收性价比很低,在回收项目中优先度较后。目前国内大多数工厂对废屑处理的重视程度不足,存在如露天堆放,抛洒严重等问题,不仅造成资源浪费,更易污染环境。提高切屑回收比例是实现绿色制造的必然要求,因此切屑回收利用新工艺的开发与应用显得关键而紧迫,主要目的为提高回收效率,降低回收成本[2]。
图 1-1 堆积的切屑
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1.2 金属切屑回收再利用
1.2.1 切屑的回收再利用
如图 1-2 所示,切削加工中从原材料到产品一般要经历原材料-坯料-半成品-成品的变化。在坯料到半成品的切削加工过程中,从主体工件上受加工刀具作用脱离的细碎废料就是切屑。将切屑回收以后,依照不同的再利用思路,施以不同的加工方法,最后回到工艺流程中的不同阶段。
图 1-2 切屑回收的不同思路与典型方法示意图
以回收金属成分为目的的液相回收方法,是最常见的金属回收方法,主要应用于块状废料。这一类方法本质上就是金属冶炼的后半段工序,主要通过电解精炼,真空蒸馏[3]或重熔再铸[4]等方法来去除杂质。对于绝大部分材料,其再生成本要远低于矿物冶炼。以应用最广泛的重熔法为例,Lisabeth Riopelle 曾计算过,从矿物原材料生产一千克的镁,总耗能约为 35 千瓦时,即 126GJ/t;相比之下从块状的镁废料重熔制备一千克镁时,耗能仅约为 3千瓦时[5]。然而即便是重熔法,应用在切屑上时比表面积的增大使得烧损和熔渣等材料损耗过程带走的损失更为明显。Gronostajski 估算了铝合金切屑材料在重熔回收工艺中的损耗,包括烧损(平均 10%),与熔渣结合(10%-35%),铸造过程中导入口的溢出(8%)以及分锭过程中的损耗(18%),得出该工艺中的金属回收利用率不足 55%[6]。同时,重熔法中每吨切屑回收时需要消耗 500kg 以上标准煤的燃料,排放量二氧化碳超过 1300kg,对环境保护造成巨大压力[7]。
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第二章 挤出切削成形试验及加工参数影响分析

2.1 试验设计
2.1.1 工艺参数的确定
根据 1.3.2 小节介绍的挤出切削成形法加工原理,在加工过程中,切削刀具和限制刀具保持静止,工件材料则在夹具带动下向组合刀具运动,从而被切离并进入成形槽。如图 2-1所示,整个加工过程中所有可能对工件材料成形结果产生影响的常用加工参数列举如下:
图 2-1 挤出切削成形影响因子示意图:(a)挤出切削部分;(b)限制结构部分
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2.2 析因试验与对比试验
2.2.1 翅片槽形状与挤出通道高度
针对翅片槽形状的研究中设计了四种不同形状,分别是矩形,75°等腰梯形,等边三角形和正弦波形。如图 2-10 所示,除了矩形槽以外,主要保证槽形净高H2-cco 和下压单元宽度 2w1的一致,因而槽形宽度 2w2会随不同形状而变化。下压单元宽度 2w1设定为 0.4mm 是为了在 10mm 宽的限制范围内容纳更多完整的槽形,其结果却是宽度 0.4mm 高度 1mm 的矩形槽壁过于脆弱,前期试验中在挤出通道高度过低时容易崩坏,后续设计将矩形槽调整为下压宽度 1mm 的对比组,确保进行其它参数变化的试验探究时限制刀具有足够的结构强度。
图 2-10 四种翅片槽形状示意图
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第三章 挤出切削成形有限元建模分析................................. 54
3.1 挤出切削成形热力耦合仿真模型......................... 54
3.1.1 材料属性.....................................54
3.1.2 工件与刀具模型................................... 56
第四章 加工过程几何模型及成形分析..................................... 85
4.1 稳定成形阶段几何模型构建.................................. 85
4.1.1 基础参数与边界条件..................................... 85
4.1.2 初始状态与相关参数................................. 87
第五章 前置犁切的挤出切削成形工艺研究............................ 110
5.1 现有试验加工方法的局限与解决方法.......................... 110
5.1.1 现有方法的局限...................................... 110
5.1.2 解决思路与方法................................ 111

第五章 前置犁切的挤出切削成形工艺研究

5.1 现有试验加工方法的局限与解决方法
5.1.1 现有方法的局限
前文多处提到,直接应用挤出切削成形原理的加工方法,在实际加工中成形能力表现不佳,主要表现为,制备的翅片截面无法同时满足较大的翅片深宽比以及较低的底层厚度占比这两种标准,比表面积难以增大。
通过系统的加工参数对试验成形结果分析,可以发现,要想同时达到这两种标准,首先需要足够大的原生动力与次生动力,其次需要有与翅片全高相对应的槽形高度让翅片可以通过。原生动力与次生动力可以通过设定较大的切削深度或者较小的挤出通道高度来获得足够小的切屑厚度强制压缩比,并且下压单元的宽度比例不能过小。
图 5-1 挤出切削成形加工限制结构负载示意图
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总结与展望
挤出切削成形法是最新发展的一项塑性成形技术,可以将加工余量直接转化为具有工业价值的翅片,在金属切屑回收再利用领域具有广阔的应用前景。本文以挤出切削成形加工方法为对象,研究其加工韧性金属材料制备金属翅片的成形过程与成形结果,总结挤出切削成形工艺参数对切屑翅片成形截面的影响规律,建立了描述挤出切削成形加工过程的几何模型,并探索出突破现有加工方法成形能力极限的犁切挤出切削成形方法。本文的主要工作及成果如下:
1、研究总结挤出切削成形方法制备金属切屑翅片过程中加工参数对成形结果的影响规律。以挤出切削成形方法制备的 T1 纯铜切屑翅片截面形貌为评价标准,研究加工过程中截面形貌对参数变化的响应,总结参数对成形结果的影响规律。试验结果表明,槽形翅片截面的底层厚度、翅片宽度与槽形宽度都可以由加工参数直接控制,翅片全高与翅片净高则受到众多参数的复杂耦合影响。提出成形动力层次理论,将影响翅片成形结果的成形动力按照作用效果分为“原生动力-次生动力-塑形动力”三种层次,并依照加工参数对成形动力的影响机制与影响范围对其进行分类,整理同一层次内加工参数耦合作用对成形结果的影响机制,为切屑翅片截面形貌的调整提供指导理论框架。
2、建立挤出切削成形加工制备金属切屑翅片的热力耦合有限元分析模型,对挤出切削成形的加工过程与加工结果展开深入研究。翅片成形截面的模拟结果与试验结果变化规律保持良好的一致性,同时完善了试验加工中未探明的加工速度与翅片全高之间的相关机理。在翅片的初始成形过程中,限制结构上成形槽入口位置附近的工件材料应力最大,应变率最高,温度最高,集中了主要的成形压力负载,如何降低该位置的失效风险是后续针对成形能力局限研究加工方法改进的一个关键点。研究了加工过程中工件材料的变形流动分布表明,工件材料横向流动在翅片成形前已经开始,并在挤压区剪切面之前结束,故切屑上的挤压区保持了完整的剪切面,其后续变形研究可以参考平面应变基础理论。通过以上研究,深化了对加工过程中材料变形机制的理解,为后续理论分析与几何模型构建工作中参数间关系的表征与简化提供了思路与依据。
参考文献(略)
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