鋁合金管材磁脈沖輔助內(nèi)高壓成形機(jī)理研究

本課題的核心思想是通過降低補(bǔ)料難度和高速率下成形性能提高的特點(diǎn)解決當(dāng)前鋁合金管件室溫內(nèi)高壓成形困難的問題。取得的創(chuàng)新性成果如下： 基于多物理場(chǎng)有限元分析軟件ANSYS，結(jié)合磁脈沖輔助內(nèi)高壓成形基本特征，解決了磁固耦合的數(shù)值仿真問題。提出采用電磁脹形衡量磁效應(yīng)，評(píng)測(cè)了線圈結(jié)構(gòu)及放電參數(shù)的結(jié)構(gòu)合理性。確立了電磁輔助內(nèi)高壓成形線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則。 揭示了磁脈沖振動(dòng)對(duì)摩擦的影響機(jī)制，克服鋁合金管材內(nèi)高壓成形時(shí)補(bǔ)料困難的問題。設(shè)計(jì)了摩擦力測(cè)試專用裝置，證實(shí)脈沖振動(dòng)對(duì)降低摩擦的有益效果。磁場(chǎng)力和液體壓力耦合做為變形驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了脹形區(qū)有益皺的量化分解進(jìn)而累積利用，從而避免了傳統(tǒng)加載模式下有益皺單次形成-一次展平時(shí)皺峰易發(fā)生破裂，成形件壁厚呈鋸齒形分布的缺陷。通過軸壓和脈沖磁場(chǎng)力共同作用對(duì)預(yù)成形件進(jìn)行整形，提高了鋁合金管坯的成形極限，特別是壁厚均勻性，在室溫下成形極限提高了76.9%，壁厚不均性由23.3%降至12.8%。 提出利用微型花瓣形狀重復(fù)形成展平機(jī)制，克服摩擦力對(duì)金屬流動(dòng)的抑制問題，圓角成形能力較準(zhǔn)靜態(tài)加載由0.2提高至0.5，整形壓力由60MPa降至11MPa。電磁力輔助作用下成形件是在正變形和反變形的交替作用下成形，能充分利用包申格效應(yīng)，抑制回彈。微型花瓣形狀有助于將內(nèi)壓力轉(zhuǎn)換為極大的水平推力，使管坯直壁部分始終處在沿厚向壓應(yīng)力狀態(tài)，促進(jìn)該部位自始至終參與塑性變形。從剪應(yīng)力變化觀察到過渡點(diǎn)處的剪應(yīng)力由準(zhǔn)靜態(tài)就加載時(shí)的正剪應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶泡o助加載時(shí)的負(fù)剪應(yīng)力。根據(jù)Tresca屈服準(zhǔn)則分析了影響圓角成形的力學(xué)因素。證明了摩擦力降低和電磁力背推作用下形成的整形推力是改善變形區(qū)受力狀態(tài)，降低圓角成形難度，提高成形極限的根本原因。 歸納了電磁輔助內(nèi)高壓成形中常見的三種缺陷形式：開裂、形狀不足和橘皮。揭示了各缺陷成因，并據(jù)缺陷形成機(jī)制提出了消除缺陷的方法。脹形過程中變形速率不高是導(dǎo)致破裂發(fā)生的主要原因，提高變形速率可克服該缺陷；圓脹方中電磁力不足，致使摩擦力阻礙金屬流動(dòng)，使金屬處在雙拉應(yīng)力狀態(tài)是導(dǎo)致過渡圓角處發(fā)生破裂的原因。脹形和圓脹方過程中電磁力不足均可導(dǎo)致形狀缺失。但脹形過程中，形狀缺失的本質(zhì)原因是電磁力不能進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)管坯達(dá)到再屈服的塑性變形條件，而圓脹方過程中，則是由于未能形成整形推力導(dǎo)致金屬填充困難，從而使圓角成形難度增大。成形中采用晶粒細(xì)小均勻的管材可避免桔皮缺

針對(duì)目前鋁合金管件內(nèi)高壓成形中存在的兩個(gè)難點(diǎn)問題- - 補(bǔ)料困難和室溫成形性能低，提出磁脈沖輔助內(nèi)高壓成形技術(shù)。通過磁脈沖輔助降低成形過程中的摩擦力，改善管坯的受力狀態(tài)，提高成形極限及壁厚均勻性，從而達(dá)到降低鋁合金管材室溫內(nèi)高壓成形難度的目的。脈沖磁場(chǎng)力具有純電特性，易于實(shí)現(xiàn)精確控制，便于自動(dòng)化生產(chǎn)。本課題采用力學(xué)分析、耦合場(chǎng)數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究脈沖磁場(chǎng)力對(duì)鋁合金管材內(nèi)高壓成形極限的影響規(guī)律、脈沖振動(dòng)對(duì)摩擦行為的影響機(jī)制、磁脈沖輔助內(nèi)高壓成形中的應(yīng)力應(yīng)變和材料流動(dòng)形為等塑性變形規(guī)律，并探討缺陷形成機(jī)制及控制方法。從而掌握磁脈沖輔助內(nèi)高壓成形變形規(guī)律，提出工藝參數(shù)優(yōu)化方法，形成磁脈沖輔助內(nèi)壓成形理論基礎(chǔ)。對(duì)開發(fā)全新的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋁合金構(gòu)件室溫制造技術(shù)、進(jìn)一步擴(kuò)大鋁合金構(gòu)件在汽車行業(yè)的應(yīng)用范圍，促進(jìn)車體輕量化具有重要意義。

變徑管內(nèi)高壓成形技術(shù)適用于直徑25 mm-200 mm，壁厚1-8mm的管件。像汽車進(jìn)、排氣系統(tǒng)，飛機(jī)管路系統(tǒng)，火箭系統(tǒng)等使用的異型和復(fù)雜截面管件，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。

可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，從管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面。

優(yōu)點(diǎn)有：

① 減輕質(zhì)量，節(jié)約材料；

② 減少零件和模具重量，降低模具費(fèi)用；

③ 可減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量，提高生產(chǎn)效率；

④ 提高強(qiáng)度和剛度，尤其是疲勞強(qiáng)度；

⑤ 材料利用率高；

⑥ 降低生產(chǎn)成本。

缺點(diǎn)：

① 內(nèi)壓高，需要大噸位液壓機(jī)作為合模壓力機(jī)；

② 高壓源及閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高；

③ 零件研發(fā)試制費(fèi)用高。

工藝分為三個(gè)階段：

第一個(gè)階段，填充階段，將管材放在下模內(nèi)，然后閉合上模，使管材內(nèi)充滿液體(并排除氣體)，將管的兩端用水平?jīng)_頭壓封;

第二個(gè)階段，成形階段，對(duì)管內(nèi)液體加壓脹形的同時(shí)兩端的沖頭按照設(shè)定加載曲線向內(nèi)推進(jìn)補(bǔ)料，在內(nèi)壓和軸向補(bǔ)料的聯(lián)合作用下使管材基本貼近模具;

第三個(gè)階段，整形階段，提高壓力使過度區(qū)圓角完全貼靠模具而成形為所需的工件，這個(gè)階段基本沒有補(bǔ)料，從截面看可以把管材變?yōu)榫匦汀⑻菪?、橢圓型或其他異型截面