薄壁管材内外压复合成形机理研究

本课题对薄壁管材内外压复合成形进行了研究。首先改造了内高压成形机控制系统与液压系统，实现了内压与外压按设定曲线精确加载。在原设备使用内压增压器基础上，增加了外压增压器。内压与外压增压器均采用比例阀进行压力伺服控制，两者可以按照设定路径进行加载，压力控制精度为±0.5MPa。 运用塑性理论分析了外压作用下管坯的应力状态，由于施加了外压，发生塑性屈服时的环向应力降低，静液压应力增加，施加外压提高了管坯的极限应变，因此随外压升高可以获得更大的变形量。 攻克了薄壁管管坯外压密封关键技术，实现了管坯外压的密封，最高外压为200MPa。研制了管坯内外液压复合成形装置，开展了圆截面管坯内外液压复合成形，重点分析了恒定外压作用下管坯的极限膨胀率与壁厚分布，结果表明施加外压可以提高管坯的极限膨胀率。由此可推断出静液压应力增大使材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力增强，因而成形极限提高，实验事实进一步说明内外压复合成形是解决难变形的低塑性材料提高成形极限的有效途径。 开展了圆截面管坯在方形截面型腔中内外液压复合成形，考察了外压对管坯圆角填充能力及成形性的影响；施加外压后可以获得更小的极限圆角半径，其机理为降低了各向主应力，提高了静水压应力，数值模拟结果表明施加外压对等效应力及等效应变没有影响。 攻克了管坯分模面密封的关键技术，研制出可实现轴向进给的管坯内外液压实验装置，该装置即可实现管坯同时内压、外压、与轴向进给加载，又可实现模具的开闭，以便取出管坯。初步开展了管坯在内压、外压与轴向进给联合作用下的成形研究，外压对三向应力作用下管坯形成皱纹的形状与位置均有影响。 通过本课题研究取得了以下研究成果，获得国家科技进步二等奖1项，发表SCI论文4篇，参加国际学术会议并做分组报告2次，国内学术会议2次，申报专利1项。此项实验开创了三向应力作用下的塑性变形时相关参数在可变可控条件下的研究，属于原始性创新，学术意义重大，下一步的研究目标是建立三向应力作用下的管坯成形极限图与三向应力作用下屈服准则的实验研究。 2100433B

研究薄壁管材内外压复合成形新方法及其成形机理。内高压成形时管材外壁为自由表面，沿环向受拉应力，易产生环向开裂。内外压复合成形是在管材外侧，即背向施加可控液压，构成管材外壁的三向压应力状态，可避免或延缓大截面差或低塑性材料管件胀形时开裂，因而提高管材的成形性。主要研究内容：1 管材内外压成形时的失稳行为和缺陷形成机制；2 管材内外压成形时应力应变状态与塑性变形规律；3 管材内外压成形时内压与外压关系对成形性的影响规律。通过该项目研究，揭示外压对管材成形性影响规律，建立管材内外压复合成形理论，为大截面差与低塑性材料管件内高压成形提供一种现实的方法，开辟薄壁管材液压成形新途径。

针对目前铝合金管件内高压成形中存在的两个难点问题- - 补料困难和室温成形性能低，提出磁脉冲辅助内高压成形技术。通过磁脉冲辅助降低成形过程中的摩擦力，改善管坯的受力状态，提高成形极限及壁厚均匀性，从而达到降低铝合金管材室温内高压成形难度的目的。脉冲磁场力具有纯电特性，易于实现精确控制，便于自动化生产。本课题采用力学分析、耦合场数值模拟和工艺试验相结合的方法，研究脉冲磁场力对铝合金管材内高压成形极限的影响规律、脉冲振动对摩擦行为的影响机制、磁脉冲辅助内高压成形中的应力应变和材料流动形为等塑性变形规律，并探讨缺陷形成机制及控制方法。从而掌握磁脉冲辅助内高压成形变形规律，提出工艺参数优化方法，形成磁脉冲辅助内压成形理论基础。对开发全新的具有自主知识产权的铝合金构件室温制造技术、进一步扩大铝合金构件在汽车行业的应用范围，促进车体轻量化具有重要意义。

本课题的核心思想是通过降低补料难度和高速率下成形性能提高的特点解决当前铝合金管件室温内高压成形困难的问题。取得的创新性成果如下： 基于多物理场有限元分析软件ANSYS，结合磁脉冲辅助内高压成形基本特征，解决了磁固耦合的数值仿真问题。提出采用电磁胀形衡量磁效应，评测了线圈结构及放电参数的结构合理性。确立了电磁辅助内高压成形线圈结构设计基本原则。 揭示了磁脉冲振动对摩擦的影响机制，克服铝合金管材内高压成形时补料困难的问题。设计了摩擦力测试专用装置，证实脉冲振动对降低摩擦的有益效果。磁场力和液体压力耦合做为变形驱动力实现了胀形区有益皱的量化分解进而累积利用，从而避免了传统加载模式下有益皱单次形成-一次展平时皱峰易发生破裂，成形件壁厚呈锯齿形分布的缺陷。通过轴压和脉冲磁场力共同作用对预成形件进行整形，提高了铝合金管坯的成形极限，特别是壁厚均匀性，在室温下成形极限提高了76.9%，壁厚不均性由23.3%降至12.8%。 提出利用微型花瓣形状重复形成展平机制，克服摩擦力对金属流动的抑制问题，圆角成形能力较准静态加载由0.2提高至0.5，整形压力由60MPa降至11MPa。电磁力辅助作用下成形件是在正变形和反变形的交替作用下成形，能充分利用包申格效应，抑制回弹。微型花瓣形状有助于将内压力转换为极大的水平推力，使管坯直壁部分始终处在沿厚向压应力状态，促进该部位自始至终参与塑性变形。从剪应力变化观察到过渡点处的剪应力由准静态就加载时的正剪应力转变为电磁辅助加载时的负剪应力。根据Tresca屈服准则分析了影响圆角成形的力学因素。证明了摩擦力降低和电磁力背推作用下形成的整形推力是改善变形区受力状态，降低圆角成形难度，提高成形极限的根本原因。 归纳了电磁辅助内高压成形中常见的三种缺陷形式：开裂、形状不足和橘皮。揭示了各缺陷成因，并据缺陷形成机制提出了消除缺陷的方法。胀形过程中变形速率不高是导致破裂发生的主要原因，提高变形速率可克服该缺陷；圆胀方中电磁力不足，致使摩擦力阻碍金属流动，使金属处在双拉应力状态是导致过渡圆角处发生破裂的原因。胀形和圆胀方过程中电磁力不足均可导致形状缺失。但胀形过程中，形状缺失的本质原因是电磁力不能进一步驱动管坯达到再屈服的塑性变形条件，而圆胀方过程中，则是由于未能形成整形推力导致金属填充困难，从而使圆角成形难度增大。成形中采用晶粒细小均匀的管材可避免桔皮缺

金属管材已在航空航天、船舶、化工、汽车等高技术领域得到了广泛应用。然而由于管材塑性弯曲成形是一个典型的非线性变形过程，影响因素错综复杂，弯曲成形后很容易产生回弹、截面畸变、外侧壁厚变薄甚至开裂、内侧壁厚增大甚至起皱等质量缺陷，严重影响弯管零件的装配和使用。基于此，本书主要从管材材料参数、弯管缺陷产生机理、弯管成形质量预测、工艺参数优化等方面对弯管的成形过程进行深入分析和研究，以期对相关技术人员提供参考。