鋁合金管材磁脈沖輔助內(nèi)高壓成形機理研究項目摘要

針對目前鋁合金管件內(nèi)高壓成形中存在的兩個難點問題- - 補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。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。脈沖磁場力具有純電特性，易于實現(xiàn)精確控制，便于自動化生產(chǎn)。本課題采用力學分析、耦合場數(shù)值模擬和工藝試驗相結合的方法，研究脈沖磁場力對鋁合金管材內(nèi)高壓成形極限的影響規(guī)律、脈沖振動對摩擦行為的影響機制、磁脈沖輔助內(nèi)高壓成形中的應力應變和材料流動形為等塑性變形規(guī)律，并探討缺陷形成機制及控制方法。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。對開發(fā)全新的具有自主知識產(chǎn)權的鋁合金構件室溫制造技術、進一步擴大鋁合金構件在汽車行業(yè)的應用范圍，促進車體輕量化具有重要意義。

本課題的核心思想是通過降低補料難度和高速率下成形性能提高的特點解決當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： 基于多物理場有限元分析軟件ANSYS，結合磁脈沖輔助內(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，評測了線圈結構及放電參數(shù)的結構合理性。確立了電磁輔助內(nèi)高壓成形線圈結構設計基本原則。 揭示了磁脈沖振動對摩擦的影響機制，克服鋁合金管材內(nèi)高壓成形時補料困難的問題。設計了摩擦力測試專用裝置，證實脈沖振動對降低摩擦的有益效果。磁場力和液體壓力耦合做為變形驅動力實現(xiàn)了脹形區(qū)有益皺的量化分解進而累積利用，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力共同作用對預成形件進行整形，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形成展平機制，克服摩擦力對金屬流動的抑制問題，圓角成形能力較準靜態(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，抑制回彈。微型花瓣形狀有助于將內(nèi)壓力轉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力狀態(tài)，促進該部位自始至終參與塑性變形。從剪應力變化觀察到過渡點處的剪應力由準靜態(tài)就加載時的正剪應力轉變?yōu)殡姶泡o助加載時的負剪應力。根據(jù)Tresca屈服準則分析了影響圓角成形的力學因素。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)缺陷形成機制提出了消除缺陷的方法。脹形過程中變形速率不高是導致破裂發(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，使金屬處在雙拉應力狀態(tài)是導致過渡圓角處發(fā)生破裂的原因。脹形和圓脹方過程中電磁力不足均可導致形狀缺失。但脹形過程中，形狀缺失的本質原因是電磁力不能進一步驅動管坯達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。成形中采用晶粒細小均勻的管材可避免桔皮缺

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

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)點有：

① 減輕質量，節(jié)約材料；

② 減少零件和模具重量，降低模具費用；

③ 可減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量，提高生產(chǎn)效率；

④ 提高強度和剛度，尤其是疲勞強度；

⑤ 材料利用率高；

⑥ 降低生產(chǎn)成本。

缺點：

① 內(nèi)壓高，需要大噸位液壓機作為合模壓力機；

② 高壓源及閉環(huán)實時控制系統(tǒng)復雜，造價高；

③ 零件研發(fā)試制費用高。

工藝分為三個階段：

第一個階段，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;

第二個階段，成形階段，對管內(nèi)液體加壓脹形的同時兩端的沖頭按照設定加載曲線向內(nèi)推進補料，在內(nèi)壓和軸向補料的聯(lián)合作用下使管材基本貼近模具;

第三個階段，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，這個階段基本沒有補料，從截面看可以把管材變?yōu)榫匦?、梯型、橢圓型或其他異型截面