● 摘要
铝锂合金是一种新型的铝基合金材料，它具有低密度、较高的比强度、比刚度、高弹性模量等特点，用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%，因此，铝锂合金用作结构材料具有极大的潜在经济效益，被认为是21世纪航空航天飞行器的主要结构材料。然而，铝锂合金在常温下的塑性变形能力较差，难以使用冷冲压工艺进行成形，从而限制了它在结构上的广泛应用。因此，开展铝锂合金热成形技术研究具有十分重要的意义。本文通过对5A90铝锂合金板材在不同变形条件下的单向拉伸试验、成形极限试验、摩擦试验以及拉深试验研究，建立了铝锂合金的本构关系模型、成形极限模型以及摩擦模型，确定了铝锂合金获得良好变形性能的工艺参数，并将研究结果应用于某飞机座舱盖零件热成形的有限元模拟和试验研究中，解决了零件成形中的问题。归纳起来，本文的研究工作主要包括以下几个方面：在200℃~450℃的温度范围和3×10-4s-1~2×10-2s-1的应变速率范围内，进行了5A90铝锂合金板材单向拉伸试验，研究了铝锂合金的热塑性变形行为，结果表明，流动应力随变形温度的升高而减小，随应变速率的增大而增大，而延伸率则随变形温度的升高而增大，随应变速率的增大而减小；在较高温度下，材料的应变强化现象减弱，并逐渐表现出软化现象；随温度的升高，材料逐渐表现出对应变速率的敏感性；5A90铝锂合金的最佳成形温度在400℃左右。通过对5A90铝锂合金单拉试验数据的计算及拟合，建立了适用于铝锂合金的本构关系模型，将其通过编写用户材料子程序的方法应用于有限元模拟软件ABAQUS中，为铝锂合金热成形的有限元模拟提供了准确的材料本构模型。以M-K凹槽失稳准则为理论基础，以5A90铝锂合金的单拉试验研究结果为数据基础，对铝锂合金的成形极限进行了理论计算，研究了材料参数和变形温度对铝锂合金成形极限图的影响规律，结果表明，成形极限曲线的位置随材料n值、m值及变形温度的提高而上升。进行了5A90铝锂合金板材在不同变形温度下的成形极限试验，验证了铝锂合金成形极限理论预测模型的准确性。同时，对铝锂合金成形极限试验数据进行拟合计算，建立了铝锂合金的成形极限计算模型，为其他金属板材获得不同温度下的成形极限图提供了一种简单实用的方法。进行了铝锂合金板材在不同温度和润滑条件下的平板摩擦试验，并在此基础上进行了不同润滑条件下的胀形试验及其有限元模拟，通过对数值模拟与试验结果的比较分析，确定了铝锂合金在不同润滑条件下成形时的摩擦系数。在铝锂合金的热冲压成形中，采用石墨基润滑剂时，板材与模具之间的摩擦系数为0.1，而无润滑时的摩擦系数为0.3。在铝锂合金的本构关系模型、成形极限模型及摩擦模型的基础上，进行有限元软件ABAQUS的二次开发，建立了一套铝锂合金热成形专用的有限元模拟计算平台，通过对圆筒形件热拉深成形的有限元模拟及试验研究，验证了有限元模拟计算平台的准确性。在此基础上，研究了变形条件对拉深成形的影响规律，进行了热拉深成形工艺参数的正交优化设计，分析了工艺参数的影响规律，结果表明，变形温度对拉深成形影响最显著，其次是毛料直径，变形速度和压边力对拉深成形影响较小；确定了最佳拉深成形工艺参数组合，在最佳工艺参数条件下，铝锂合金的拉深系数达到了0.45。针对某型号飞机铝锂合金座舱盖零件在热成形中遇到的破裂和起皱问题，基于铝锂合金热成形有限元模拟计算平台，结合铝锂合金热拉深成形的最佳工艺参数，进行了座舱盖零件热成形的有限元模拟和试验研究，从优化毛料形状和尺寸和对毛料准确定位等方面进行了分析，提出了解决成形缺陷的方法和措施，顺利成形出了合格的铝锂合金座舱盖零件，为实际生产提供了技术指导。