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内压对薄壁铝合金管材充液压弯过程的影响

来源期刊:中国有色金属学报2011年第2期

论文作者:宋鹏 王小松 徐永超 苑世剑

文章页码:311 - 317

关键词:内压;薄壁管;铝合金;充液压弯;起皱

Key words:internal pressure; thin-walled tube; aluminum alloy; hydro-bending; wrinkling

摘    要:采用实验和数值模拟研究5A02铝合金薄壁管材充液压弯成形过程中内压对缺陷的影响规律,分析内压对弯曲内侧起皱、截面畸变及壁厚分布的影响,获得壁厚变化规律;通过数值模拟给出的应力状态,揭示缺陷形成机制。结果表明:提高内压能降低轴向压应力的绝对值,减小失稳起皱趋势,当内压超过一个临界值时,皱纹完全消除。对于直径为63 mm、壁厚为1 mm的5A02-O铝合金管材,其内压临界值为2.8 MPa。充液有效地减小截面畸变程度,随内压的增大,截面畸变程度逐渐减小。弯曲后,壁厚最大减薄点位于弯曲外侧点,且随内压的增大,轴向和环向拉应力均呈增大趋势, 弯曲外侧壁厚度减薄的趋势也增大。

Abstract: The influence of internal pressure on faults was investigated for a 5A02 aluminum alloy thin-walled tube in hydro-bending process by experiment and finite element method. The effects of internal pressure on wrinkling on the inner arc, cross-section distortion and wall thickness distribution were analyzed, and the thickness variation regularity was achieved. The mechanism of defect was revealed through stress state given by numerical simulation. The results show that the absolute value of axial compressive stress can be reduced by improving the internal pressure, and the wrinkling tendency declines. The wrinkles can be completely eliminated while the internal pressure reaches a critical value, and the critical value is 2.8 MPa for a 5A02-O aluminum alloy tube with an outer diameter of 63 mm and a wall thickness of 1 mm. The cross-section distortion decreases with the internal pressure increasing. The biggest thickness thinning of the specimen appears at the bottom of the outer arc. The axial stress and hoop stress enhance as the internal pressure rises, and the tendency of thickness thinning on the outer arc increases.



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文章编号:1004-0609(2011)02-0311-07

内压对薄壁铝合金管材充液压弯过程的影响

宋  鹏, 王小松, 徐永超, 苑世剑

(哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001)

摘  要:采用实验和数值模拟研究5A02铝合金薄壁管材充液压弯成形过程中内压对缺陷的影响规律,分析内压对弯曲内侧起皱、截面畸变及壁厚分布的影响,获得壁厚变化规律;通过数值模拟给出的应力状态,揭示缺陷形成机制。结果表明:提高内压能降低轴向压应力的绝对值,减小失稳起皱趋势,当内压超过一个临界值时,皱纹完全消除。对于直径为63 mm、壁厚为1 mm的5A02-O铝合金管材,其内压临界值为2.8 MPa。充液有效地减小截面畸变程度,随内压的增大,截面畸变程度逐渐减小。弯曲后,壁厚最大减薄点位于弯曲外侧点,且随内压的增大,轴向和环向拉应力均呈增大趋势, 弯曲外侧壁厚度减薄的趋势也增大。

关键词:内压;薄壁管;铝合金;充液压弯;起皱

中图分类号:TG394       文献标志码:A

Influence of internal pressure on hydro-bending of

thin-walled aluminum alloy tube

SONG Peng, WANG Xiao-song, XU Yong-chao, YUAN Shi-jian

(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract: The influence of internal pressure on faults was investigated for a 5A02 aluminum alloy thin-walled tube in hydro-bending process by experiment and finite element method. The effects of internal pressure on wrinkling on the inner arc, cross-section distortion and wall thickness distribution were analyzed, and the thickness variation regularity was achieved. The mechanism of defect was revealed through stress state given by numerical simulation. The results show that the absolute value of axial compressive stress can be reduced by improving the internal pressure, and the wrinkling tendency declines. The wrinkles can be completely eliminated while the internal pressure reaches a critical value, and the critical value is 2.8 MPa for a 5A02-O aluminum alloy tube with an outer diameter of 63 mm and a wall thickness of 1 mm. The cross-section distortion decreases with the internal pressure increasing. The biggest thickness thinning of the specimen appears at the bottom of the outer arc. The axial stress and hoop stress enhance as the internal pressure rises, and the tendency of thickness thinning on the outer arc increases.

Key words: internal pressure; thin-walled tube; aluminum alloy; hydro-bending; wrinkling

薄壁铝合金弯曲管件在汽车、航空和航天等领域中有着广泛的应用,常用于汽车进气管件、车体结构件及航空航天各系统管路中[1-2]。相对于厚壁管件,薄壁(径厚比大于50)管件弯曲成形中更易发生弯曲内侧管壁的起皱及弯曲外侧壁厚减薄甚至开裂等缺陷[3-4]。与钢相比,铝合金的伸长率低、塑性差,开裂倾向大;弹性模量仅为钢的1/3,起皱趋势严重。因此,薄壁铝合金管件弯曲成形更加困难。

为避免或减轻上述缺陷,在管坯内填料作为支撑是常用的方法。常见填充物有砂子、松香或低熔点合金等,但这些填充物不仅装填耗时,并且支撑内压不可控,还容易造成管坯内部损伤,弯曲质量较差[5-6]。为了解决这些问题,LOVRIC[2]提出充液弯曲方法。通过在管坯内部施加一定压力的液体介质作为支撑,降低起皱和截面畸变趋势,适用于二维变曲率轴线和薄壁管件的弯曲成形。

支撑内压是充液弯曲关键工艺参数之一。对低碳钢管材的三辊充液压弯研究表明:充液压弯与压弯相比,内侧起皱趋势明显减小;并且随内压的增大,截面畸变减小,外侧减薄率增大[7-8]。对不锈钢-碳钢双层复合弯头的充液压弯研究表明:提高内压,截面长轴长度变化不大,短轴长度提高较大,内层管的截面畸变得到有效控制;但如果内压过高,反而导致外层管外侧开裂[9]

径厚比和相对弯曲半径是管材弯曲成形中用于确定工艺可行性及设备选择的两个重要参数,极限相对弯曲半径用于衡量一定径厚比管材的弯曲成形性   能[10]。许多学者对不同径厚比时5A02-O铝合金管材CNC弯曲的相对弯曲半径进行研究,当径厚比为47时,相对弯曲半径达到1.5[11];当径厚比为50时,相对弯曲半径达到2[12]。由一系列尺寸铝合金管材CNC弯曲实验数据得到的经验公式计算出径厚比为63时的极限相对弯曲半径为3.26。以上研究结果表明:径厚比越大,极限相对弯曲半径随之增大。此外,径厚比较大时,铝合金管材CNC弯曲不仅受设备限制,而且极易出现外侧拉裂、内侧失稳起皱,表面划痕、夹痕等缺陷也难以控制,限制管材的弯曲成形极限。

相比之下,有关铝合金管材充液压弯的研究报道较少。有学者通过对5A02-O铝合金管材的三辊充液压弯实验研究得出:当径厚比为63时,极限相对弯曲半径为5[13]。通过对径厚比为63的AlMg3.0Mn铝合金管材充液压弯过程内侧起皱的分析,得到管材在不同相对弯曲半径时的内压临界值,随相对弯曲半径的减小,内压临界值增大;其中,当最小相对弯曲半径15.79时的内压临界值为2 MPa[14-15]。对弯曲半径较小时的研究尚未见报道。

本文作者采用实验和数值模拟方法,对径厚比为63的薄壁铝合金管材充液压弯成形进行研究,试件的相对弯曲半径为1.14。分析内压对弯曲内侧起皱、截面畸变及壁厚分布的影响,揭示内压对缺陷的影响规律。

1  管材充液压弯原理

图1所示为管材充液压弯基本原理。首先从管端充入液体,密封后形成一定的压力,然后在模具中进行弯曲,并随上模下压的过程控制管坯内的压力,利用液压的支撑作用避免起皱和截面畸变,在合模后,可提高内压进行整形,使管坯贴模定形。

图1  充液压弯原理示意图

Fig.1  Principle of hydro-bending

管坯在内压p的作用下,通过管端密封装置产生一定轴向拉应力,抵消内侧一部分压应力,有效地减小弯曲内侧发生起皱的趋势。对于一定弯曲半径,内压存在一个临界值,超过该值时,可以完全消除皱纹。

2  试件与材料

试件形状和尺寸如图2所示。试件轴线为三弯变曲率形状,左右不对称。管坯外径为63 mm,壁厚为1 mm,径厚比为63。中间弯相对弯曲半径为2.86,弯曲角度为39°;两侧弯相对弯曲半径均为1.14,弯曲角度分别为27°和12°。两侧弯与中间弯之间均为直段,直段长度分别为25 mm和172 mm。

采用不圆度来描述截面畸变程度R,定义为

R=                   (1)

式中:dmax为截面长轴长度;dmin为截面短轴长度;d0为管坯初始直径。

图2  试件形状示意图

Fig.2  Schematic diagram of specimen shape (mm)

实验中,选取试件中间截面测量几何尺寸和壁厚,典型壁厚测点为内侧点A和外侧点B。

实验所用材料为5A02-O铝合金管材,假定材料遵循指数硬化规律:

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