铝合金板材磁脉冲辅助冲压增塑机制及变形控制

磁脉冲辅助冲压技术把高速率磁脉冲成形的优势有机地结合到准静态冲压成形过程中，为以铝合金为代表的轻质、难成形板材复杂形状零件的室温成形提供新的加工方法。采用试验与数值模拟研究方法，运用宏观与微观分析相结合的手段，进行铝合金板材磁脉冲辅助冲压增塑性机制和变形控制研究。针对铝合金板材磁脉冲辅助冲压板坯的变形机制，开展预变形板坯高应变率下材料力学响应规律、高应变率塑性变形微观组织演变规律、高应变率下材料的塑性失稳机制及磁脉冲辅助冲压板坯动态耦合变形特性等方面研究，揭示磁脉冲辅助冲压塑性变形机制和增塑机理，获得预变形的影响规律，掌握各工艺参数的影响规律并实现板坯变形的控制。本项目的实施为铝合金板材磁脉冲辅助冲压变形理论和工艺应用的深入研究奠定坚实的理论和试验基础，不仅具有重要的学术价值，而且还具有十分重要的经济和战略意义。

节能和环保的要求使得以铝合金为代表的轻质结构材料在先进制造领域应用日益广泛，而此类板材的低室温成形性成为制约传统冲压工艺应用的关键。鉴于此，磁脉冲辅助冲压技术被提出，它把高速率磁脉冲成形的优势有机地结合到准静态冲压成形过程中，为以铝合金为代表的轻质高强板复杂形状零件的室温成形提供新的加工方法。本项目主要围绕铝合金板材磁脉冲辅助冲压过程板坯的塑性变形机制开展系统研究，开展预变形板坯高应变率下材料力学响应规律、高应变率塑性变形微观组织演变规律、高应变率下材料的塑性失稳机制及磁脉冲辅助冲压板坯动态耦合变形特性等方面研究，揭示磁脉冲辅助冲压塑性变形机制和增塑机理，获得预变形的影响规律，掌握各工艺参数的影响规律并实现板坯变形的控制。研究表明：（1）磁脉冲辅助冲压准静态-动态复合加载的特点使得铝合金板坯的塑性响应规律更为复杂。高应变率的作用下，铝合金板材的应变率敏感性增加，材料变形的应力阈值提高，且随着应变速率的增大，材料的应变率强化效应增强。准静态预变形板坯动态再变形时，材料形变强化和应变率强化共存，预变形较小时，应变率强化占主导，而当预变形较大时，形变强化起主导作用。同一应变率水平下，随着板坯准静态预变形程度的加剧，材料的形变强化效应增强。复合成形时材料的本构响应需同时考虑形变和应变速率强化效应及绝热软化效应。（2）与准静态变形相比，复合加载模式下，铝合金板材的整体塑性水平显著提高，局部高速率成形的增塑效应显著，且准静态预变形的存在对其塑性提高起到积极的促进作用。宏观结构响应表明，脉冲电磁力的冲击作用模式（惯性效应、体积力效应和板坯/模具冲击作用）对板坯的结构失稳具有抑制作用，有助于分散变形并提高板坯的塑性；而微观机制则表明，铝合金板材复合成形时，塑性变形模式未发生显著改变。不同于准静态变形的单系位错滑移，动态变形时位错趋于多系开动，而准静态预变形位错的存在对动态变形的多系滑移起到积极的协调作用，从而使材料具有较高的塑性和强度。（3）基于实际工艺过程的磁脉冲辅助冲压工艺模拟试验和数值仿真表明，尽管板坯经历准静态-动态耦合变形，但磁脉冲成形的局部加载和变形特性更为显著，磁脉冲成形可实现与冲压成形的柔性结合。脉冲电磁力作为一种局部加载手段以辅助冲压成形可有效实现铝合金复杂构件的局部增塑和回弹控制，更具工程应用价值。