简介概要

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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                                   (2)

式中:为流动应力;为等效应变;为硬化指数;K为强化系数。

经沿管材轴向切取弧形拉伸试样在英国INSTRON 5569R电子万能材料试验机进行单向拉伸试验,测得n=0.24,K=343 MPa,屈服强度=80 MPa,均匀伸长率为14.6%。

3  初始内压及整形内压计算

3.1  初始内压

由于管坯两端密封,在充液压弯初始阶段,假设管坯的受力情况相当于承受内压作用的封闭薄壁筒,由Tresca屈服准则得管坯初始屈服时的内压ps

                                   (3)

式中:t为管坯壁厚;r为管坯半径。

根据式(3),得到的试件初始内压为2.54 MPa。

3.2  整形内压

假设充液压弯后期的受力情况近似于内压作用下的环壳,弯曲区的应力状态如图3所示。由角度θ所限定的部分壳体内力垂直方向平衡条件和壳体的一般平衡方程,可以推导出轴向应力和环向应力分别为

                                    (4)

                             (5)

式中:p为内压;Rb为弯曲半径;为环壳上任一点到对称轴的距离。

图3  环壳的应力分布

Fig.3  Stress distribution of toroidal shell: (a) Stress state in bending zone; (b) Stress distribution

从式(4)和(5)得到的环壳应力分布可以看出,当内压一定时,轴向应力为一常量,环向应力在外环侧c点达到最小值

由Tresca屈服准则得到c点的屈服内压pc

                     (6)

c点的屈服内压为整个环壳的整形内压。由试件的几何尺寸,根据式(6)得到的试件整形内压为2.74 MPa。

4  实验

4.1  实验方案

为了研究内压对弯曲的影响,根据上述内压理论计算,实验选取内压分别为2.2、2.4、2.6、2.8、3.0和3.2 MPa。成形过程中内压保持恒定。

4.2  内压对起皱的影响

图4所示为实验得到的不同内压下弯曲内侧的起皱情况。由图4可以看出,试件的皱纹不是位于弯曲内侧圆弧的最低点,而是位于弯曲内侧圆弧靠近长直段一侧。这是由于右侧弯与中间弯之间的直段较长,右侧弯外侧轴向所受拉应力很难传递到中间弯内侧,对其轴向压应力的影响小。当内压小于2.8 MPa时,中间弯内侧圆弧靠近长直段一侧起皱;而当内压等于或大于2.8 MPa时,中间弯内侧圆弧两侧均无皱,可以获得合格试件。该值稍大于理论值,这是由于理论值未考虑材料硬化。当内压等于或大于3.2 MPa时,在弯曲过程中试件发生塑性变形,造成直径增大,导致试件在分模面处压出飞边,如图5所示。

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