大截面多孔壁板铝合金型材挤压变形机理与模具优化设计方法研究

Aluminum profiles used in high speed train usually has such characters as large cross-section, complex hollow structure, many cavities, high ratio of width to thickness, and unequal thickness. This kind of profiles increases the extrusion forming difficulty and forming load. If the extrusion die structure is improper, the defect such as twist, wave, bend, crack and starved feeding will emerge in the extrudate. It is very necessary to study the extrusion mechanism, metal deformation law and extrusion process and die optimization design method.This proposal will study the mechanism of complex multi-cavity wallboard extrusion process, metal deformation law, design method for porthole and weld chamber structure in extrusion die, stress state in extrusion die, deflection of extrusion die and wear mechanism. The influence of extrusion process parameters and die structure on the quality of large cross-section multi-cavity wallboard will be investigated. The design and optimization method for extrusion process parameters (such as extrusion ratio, extrusion speed, die and billet preheat temperature) and key die structures (such as drainage channel, porthole, welding chamber, baffle plate, sunken port bridge, die bearing) is proposed. It can effectively control the extrudate deflection, prolong service life of extrusion die and improve the weld quality. The mechanical properties, microscopic structure and mechanism of fracture will be studied through practical production and experimental method. This study will provide theoretical and technical support for development of large cross-section multi-cavity wallboard product, and improve the development of manufacture and technology for complex extrusion profiles. It also has important theoretical meaning and engineering application value for national engineering such as high speed train.

高速轨道交通等行业用铝合金型材呈现大断面、形状复杂、多腔中空、宽厚比大、壁厚相差悬殊等特点，其成形困难，挤压力大，型材易出现扭拧、波浪、弯曲、开裂和缺料等缺陷，迫切需要挤压成形机理、材料变形规律及工艺模具优化设计方法的理论支撑。本项目重点研究大截面多腔壁板型材挤压机理、材料变形规律、模具分流孔和焊合结构设计方法、模具受力和变形规律及其磨损机理，揭示挤压工艺和模具参数对大截面多腔壁板铝型材挤压质量的影响规律，研究建立挤压比、挤压速度、模具和棒料预热温度等工艺参数和引流槽、分流孔、焊合室、阻流坎、沉桥、工作带等模具关键结构的优化设计方法，达到有效控制型材变形和提高模具寿命与焊合质量的目的，结合生产实际和实验，研究型材力学、组织和断裂性能及其与工艺模具参数的对应关系，为大截面多腔壁板铝型材产品开发提供理论支撑，推动大截面多腔壁板铝合金型材挤压制造技术发展，服务于我国高速轨道交通等工程。

高速列车、地铁轻轨、轻量化汽车和大型工程结构等领域对高性能、大规格、复杂截面铝合金型材具有迫切需求，这类型材成形难度大且质量不易控制。因此，迫切需要研究该类铝合金型材挤压制造所面临的基本科学问题。. 本项目研究了多种高性能铝合金材料的热变形行为，建立了其本构模型及热加工图；揭示了挤压工艺和模具结构参数对挤压过程和模具寿命的影响规律；提出了扁挤压筒挤压、蝶形模挤压、锥形分流模结构和伪分流模具结构设计方法，建立了大截面多腔壁板铝合金型材挤压工艺与模具优化设计方法，研制出系列大规格复杂截面铝型材挤压模具；揭示了高速列车车体用铝合金型材变形规律和微观组织与性能调控规律，阐明了分流挤压过程中铝合金型材的焊合行为以及缩尾缺陷、横向焊缝和纵向焊缝的微观组织演变规律，揭示了纵向焊缝微观结构演变、界面结构与焊合机理，提出了一种新的基于应力三轴度、等效应变速率、温度和接触时间的固态焊合准则，建立了纵向焊缝质量定量评估方法。此外，还研发了系列高性能铝合金材料和挤压用大规格优质铸锭制备工艺与技术，开发了高性能大规格复杂截面铝型材等温挤压及型材矫直、校正时效热处理技术等，保障了铝型材的优异综合性能和几何精度。基于上述研究成果，研制出350km/h和380km/h高速列车车体用大型复杂型材，装备了数百列高速列车；研制出500km/h高速试验列车车体铝型材，为研制更高速度等级的列车车体及型材积累了重要数据；研制出地铁轻轨、轻量化汽车和大型结构工程用系列铝合金型材，在多个工程项目上获得广泛应用。. 发表SCI/EI论文27篇，做主旨报告、特邀报告和论文宣读9次；获授权发明专利2项，受理发明专利3项、受理实用新型专利2项；培养研究生5名；获国家科技进步二等奖和山东省科技进步一等奖

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