用超细晶材料和等温锻造来设计，模拟和制造一个连杆外文翻译资料

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用超细晶材料和等温锻造来设计，模拟和制造一个连杆

作者排序JP福特、CJ路易斯、R卢里、D萨尔塞多、J李昂、I普埃尔塔丝

摘要：

在这项研究工作下，等温锻造连杆机械性能的研究是基于ECAP（等通道角挤压）处理AA1050和AA5083铝合金得出的。这严重塑性变形（SPD）的进程是为了获得具有次亚微米组织结构的原材料从而可以提高机械部件的性能。在这个研究中，通过设计有限元仿真模拟的设计及实验过程显示，并且利用实验测试和金相技术来分析所需材料属性。据观察可以看出，当原材料在基于ECAP（等通道角挤压）之前进行等温锻造其在力学性能上会有一个提升。这个提升是对于在显微组织下颗粒大小为500纳米的连杆最后的硬度可以提升20%。对于这些结论，通过之前材料采用ECAP（等通道角挤压）加工再进行等温连杆锻造与常规连杆制造对比出来的结果才被承认的。机械部件原材料采用ECAP（等通道角挤压）加工材料进行工业制造的可行性和优点对于力学性能的实现已经证实，除此之外还有一个更低的锻造温度和更好的材料流动性。在现有的参考文献中，没有对于超细晶材料连杆锻造处理工作的研究并且这就是为什么现在这个研究被认为是科学的和技术的原因，因此它可以被认为是现有知识的前沿。

1.简介

ECAP（等通道角挤压）这个方法首先是由西格尔在1972年前苏联为了获得超细晶材料通过严重的塑性变形（SPD）提出的。不过，过去的几年，由于研究者的兴趣和科学技术的不断发展，这些材料获得了大量的发展和运用。它以连续塑性变形的加工处理为主要处理过程，通过挤压模具设计的同一截面它们在80度和135度相交的双通道。为了积累较高的塑性应变值这个材料可能需要加工几次。在对比其他塑性变形过程，这个介绍了最均匀应变值和允许跟被加工成高规模进行区别。最近的十多年，ECAP（等通道角挤压）已经成为一个制造业对于超细晶金属和合金用于提高其力学性能的工艺流程，尽管对于这些材料有极大研究开发，仍然有企图利用上述优势开发的一些阐释。

虽然对于分析材料进行ECAP（等通道角挤压）进程研究工作的材料数目是十分庞大的，但是这些材料实际应用的数量是少之又少的。对于零部件生产制造的运用就是一个例子，有意思的是对于路易斯设计和随后环的制造被完成来自ECAP（等通道角挤压）超细晶连杆材料的研究工作。（这些被设计用于有限元模拟用两段打击或阶段两个力学性能和微观结构的研究的制造业）来自两个不同锻造温度的结果对比出来的。普埃尔塔丝，基于ECAP（等通道角挤压）加工AA1050然后使其处于等温状态锻造对于混流式水轮机叶片的设计研究。据观察可以看出，有一个值得注意的改进在力学性能上即通过ECAP（等通道角挤压）获得的次亚微米结构，它允许超细晶材料制造的材料具有较好的力学性能。

在现有的参考书目中，发现了一些有关连杆的设计、制造和分析的相关研究资料。尽管如此，它们中没有一个与超细晶连杆材料的制造及合成有关联，因此，这也成为本文研究工作的一个创新之处。

随着这些年的科学发展，关于有限元研究已经被越来越提升和改善。其中有一个研究成果来自Takemasu，客观的讲，设计一个连杆的锻造工艺过程不仅仅要完整的设计制作出来而且要尽可能的节约成本。以此为目的，必须很好的控制容量和预制件的几何形状从而避免昂贵的外形和不完整填充造成的浪费。通过有限元模拟和作者预先划分成的三个部分并且分别进行模拟，上述进程被执行并且得到优化。对于这项研究工作的进一步研究进展，巴斯克斯和阿勒坦进行了关于热锻材料以节省材料花费成本为目的进行有限元分析的设计并且最大程度的减少昂贵浪费材料现象的出现。他们也对得到的结果和实验得到的结果进行对比。该冲模和预锻设计要反复比较为了实现没有严重浪费现象出现从而获得满足条件的最终模型。这个结果得到承认实现20%到40%的一个节约比，对于常规锻造，它的节约比大概是5%左右。

与本文研究的情况一样，大多数对现有的研究工作采用有限元法进行研究设计。有一个来着格瑞斯的研究成果，他在设计热锻造连杆过程中采用有限元分析，它由几个扎制和锻压阶段构成，在本研究中发现，如果和其他实验方法比较，有限元法制造的精度很高。除此之外，可以发现它可以通过选取几个点来进行整体模拟过度物料移动浪费的相关研究。在另一个来自格瑞斯等等的有限元模拟的研究，这些作者的研究不仅仅是在温度一定条件下对材料研究应变的影响而且还包括在再结晶温度成型过程中晶粒尺寸的预测。在这些实验得到的结果比较起来十分相似。

还有其他研究中运用有限元法，以评估其他制造零件方法的可行性。此外，要精确的预测工作中金属板的回弹是十分重要的。这些作者利用空气压缩机研究了铝连杆的锻造工艺。他们通过液态模锻的铸造或热锻改变制造工艺，从而避免由气孔或非金属夹杂物产生的外观缺陷。多亏这个制造工艺，产品质量得到改善，结果表明，这种塑性成形技术是非常有用的。王和他的研究成果已应用于该连杆制造。这些都是基于钢坯的中央进料系统和温度控制

系统的增加，使用3D CAD/CAE工具，以滚动和横向滚动过程最优化，精度的提高是由于更好的设备，例如液压机和横向滚压机械设备的应用，以及由于模具的使用而提高了模具的质量，使其能够进行修整、冲孔和校准，从而提高了设备的精度。沿着这条线，它也是非常重要对于模型和模拟塑造/形成机械设备来说，尤其是与其有关的动态性能方面。还与由丘等的一个由粉末材料的连杆的锻造的研究有关联。原料是ti-1.5fe-2.25mo合金金属粉尘（wt%）并且运用有限元模拟分析过程。它是观察到的部分的活塞铆钉结束的部位机械强度是最低的，而它的其余部分是均匀的。

在陈等研究工作的报告中发现，有限元建模的使用不仅工艺设计有关联，而且与研究的材料行为也有关联。连杆的机械性能的目的是要制造过程进行改善，这包括更改用于零件淬火的液体的制造过程中的修改。油改成水性聚合物或水。这些作者比较的结果从连杆中淬火获得的新流体与原来的结构进行对比，它观察到的机械性能更好，没有裂缝出现。使用有限元分析以模拟淬火过程，发现在它的模拟和实验获得的结果之间有一个很好的相关性。另一种材料的性能研究是由哈雷等人进行的。他们进行了有限元模拟，模拟分析在汽油发动机连杆在出现的裂缝的原因。对于关键区域该部分进行了分析，并且重新设计，以避免连杆发生疲劳甚至失效。这个新的重新设计也进行了分析有限元，并通过实验验证，以检查的有限元模拟，这是在良好的协议的可靠性实验的结果。

在由卢等人进行的本研究的初步研究中。展示了一套锻造模具的设计过程并且该模具可用于生产超细晶材料的连杆。锻造过程被设计和模拟采用的有限体积法和有限元建模两个步骤，至于材料选用的是AA5083铝合金。

正如前面提到的，在本研究中的连杆是用纳米材料制造的。为了实现次亚微米结构这一目标，材料先前是基于ECAP（等通道角挤压）加工。

现有书目中，有许多不同的等径角挤压过程的研究，根据使用的金属或合金的类型，一些这些研究工作概述如下，他们的重点是影响机械性能的参数和材料的微观结构的因素，如等通道的数量，采用基于ECAP（等通道角挤压）路线和交叉角等方法分析。

关于等径角挤压过程的研究，有几个研究在执行压缩测试时，添加新的变量以便了解对力学性能的改进。

另一个重要的参数的分析得出是通过ECAP（等通道角挤压）通道钢坯数量进行研究。由alhajeri等人的研究得出。AA1050钢坯在室温下进行ECAP（等通道角挤压）处理多达六个通道，以显微硬度测量沿纵向和横向轴的并以此分析材料的力学性能。据观察，在第一ECAP（等通道角挤压）通道之后，应变的增加是最高的与其他组的相比。应变值最高的是位于中心在第一个段落之后，但从ECAP（等通道角挤压）通道的数量增加时，应变分布更加均匀。

要考虑的最重要的方面之一对经过ECAP（等通道角挤压）处理的材料的微观结构，并且这些材料都受到热处理。在研究中路易斯等人的工作中发现，机械性能和晶粒状态在先前ECAP（等通道角挤压）处理AA1050材料并进行后续热处理的情况下观察发现都进行了提升。这些作者进行热处理之后发现其在5个小时时间里在300◦C产生再结晶，从而导致到一个原料加工材料的塑性的显著改善。

2.模具设计的优化

本节论述了连杆的等温锻造设计方法。在过去几年中在工程设计领域上，已经进行了大量的研究，从而获得了不同的设计过程和方法。此外，它在设计过程的早期阶段利用如有限元及辅助设计方法，是非常有趣的。

为了采用等温锻造制造生产，以前起始毛坯和锻造模具都需要进行完善设计为了能够提前知道是否锻造正确的进行，在这项研究中使用3000 kN的液压机的能力测试是否在合理范围。为了获得最佳的设计（如上图），有必要进行一个涉及多个迭代的过程。第一次设计以模具和起始坯料为基础。随后，有限元随着Simufact形成12 TM软件体积模拟为了分析处理力，流动的材料与模具的正确填充。一个新的设计为初始坯是由增加在这些区域中的空腔的材料量，如果缺乏这些因素中的任意一个的话，那么没有适当地填充或减小材料体积，会造成浪费现象，这会导致处理难度显着增加的。应该考虑到，开始钢坯最大直径为18毫米和长度的固定的最大尺寸80毫米。因此，连杆的尺寸必须符合在纳瓦拉的公立大学的新闻中所说的由于ECAP的使用现有材料体积限制。经过多次重新设计与锻造工艺精制而成，最后得到了满足规定的要求。

图2（一）：（1）显示不同情况下的要求为模具和初始钢坯建立都满足的正确设计的是不能实现的。

如果对预成形锻件进行了分析，它可以观察到图2（一），该模具填充是不够的。对于正确的模具设计（图1）要建立的同时满足两个条件之一是不能实现的，需要预成形和锻造模具的尺寸进行了重新设计。图2（二）显示的是该过程的负载行程曲线，在这里，它被观察到锻造力在液压压下的能力范围内具有一个值。图2（c）显示的死完全填充但当图2（d）进行了分析，发现所需的力超过3000 kN液压机的范围，因此受到3000 kN的限制，有必要制定一个新的重新设计。一旦达到最佳的设计，二次锻造的行程，最终连接杆的制造，开始进行分析。

图2（电子）显示了一个模拟的例子，在模腔没有完全填充。这种情况下不满足二次要求，作为最大的压力被超越，如图2所示。因此，一个新的重新设计的最终锻造模具是必要的。图2显示了一个完整的模具填充，但是，所需的成本太高。这样会增加所需的力进行二冲程，这可以在图2中观察到的，它表明这个最后行程所需要的力大于5000 kN。

经过多次迭代设计过程中，得到足够的预成形和锻造模具，以进行实验测试（见上图3）。

模具和预成形件的啮合并自动执行。起初，近11000个元素被用于第一个锻造冲程（见图4（1））和近40000个元素的二次锻造冲程（见图4（二））。这里所使用的元素是四面体的四个集成点和1毫米的边缘尺寸。

有限体积模拟与AA5083纳米后两ECAP（等通道角挤压）通道[ 23 ]流规则进行。在这种情况下，在进行等温锻造的设备进行实验测试没有问题，并且允许3000千牛最大力。

为了能够获得材料的损伤结果，Cockroft-Latham损伤准则已被选定。一旦被示出的预处理的步骤，所获得的结果中的应变和损坏值被示出为每一个的锻造冲程。

在第一行程（见图5）的情况下，一个连杆预制棒获得并随后，这是一个二冲程，以达到最终的形状。其次对处理力，塑性应变和损伤值进行了研究，图5显示了应变和损伤后的第一次中风的结果。

它可以观察到的应变结果示于图5（甲），分布是相当均匀的整个部分，其中中央部分是，具有最低的应变值。图5（二）显示的区域具有最高的伤害值，这是两者的内部边缘，而与最低的伤害值的区域是内部的。

在图6所示的第二行程中，最后形成了一体式连杆。并且在第一个冲程中积累的应变值，导致塑料应变的结果显示在这之前的数字。

它是观察到在最终的连接杆的应变值是非常均匀的整个部分。中心区是最低的应变变化的区域，靠近的两个孔的区域是那些具有最高的应变值。然而，两个区域的值之间的差异是10%左右。

3.实验设备

一旦获得一个已被证明的纳米结构的单块连接杆的设计过程中的模具和预制件，它的制造是现在解决由一系列计划的实验测试，以分析其方法的改进，这可能涉及相关方法的提出。正如前面提到的，目前，没有任何研究表明，用超细晶材料制造连接杆的相关方法，因此，本研究关注的是通过等温锻造并且从ECAP（等通道角挤压）制造纳米AA1050 AA5083铝合金连杆。

本节展示了实验设计，从超细晶材料和非超细晶材料两个方面对一块纳米结构的连杆进行了研究。本研究的主要目的是分析在连杆之间的力学性能得到了不同锻造从退火的材料和ECAP（等通道角挤压）超细晶材料。此外，对锻造温度的影响也进行了研究。

3.1材料的实现

原料由圆柱形铝坯料直径20毫米和120毫米的长度，如图4所示（一）。材料的初加工包括在执行路径C两ECAP（等通道角挤压）通道，使坯每个通道旋转180◦。

连杆的锻造是在2个阶段进行的，第一杆允许有没有孔和肋骨的平面预制件，而最后一部分是通过二冲程获得的。图7（一）显示连接杆底模连接于液压机上，图7（乙）显示出在预成形腔上的起始坯。为了节省额外的锻造阶段，ECAP（等通道角挤压）加工圆柱坯的达到了预制件的预先设计目标数控车床加工尺寸。

锻压的速度是30毫米/分钟。模具进行预先加热所需的温度和一旦达到这个温度值，坯放置在部分一五分钟等死是在温度为锻模一样。这时，第一行程是在钢坯内进行（见图。7（丙））。

随后，将预成形件放置在所属连接杆的最终设计的模腔中，并通过等温锻造进行二次和确定的行程。图7显示了最后的连杆锻造。

为了研究由AA1050和AA5083制造的支撑材料的可锻性和机械连杆设计，进行不同的实验如下。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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