AA5083管材颗粒介质胀形工艺分析与试验研究

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由于汽车和航空航天工业的快速发展,管件内高压成形技术已引起了极大关注,并且成为空心结构件重要的制造工艺。轻合金具有低密度和高强度等一系列优良的材料特性,在汽车和航空航天工业中的应用可提高燃油经济性和减少环境污染。  本文选用不可热处理强化型 AA5083铝合金板材作为原始研究材料,通过热单向拉伸试验建立了包含温度和应变速率影响的材料本构关系,运用M-K理论,建立了不同温度下材料的理论成形极限曲线,并对板材的断口形貌进行观测,分析了板材的断裂失效机理,并确定管材最佳胀形工艺温度为T=190℃;在最佳胀形工艺温度条件下,通过焊接管材的热环向拉伸试验、焊接区硬度和金相试验,研究了焊接区对管材性能的影响。根据热态颗粒介质管材内高压胀形工艺特征,设计了热态下颗粒介质与板材的外摩擦系数试验、热态下颗粒介质侧压应力系数试验、热态下颗粒介质传压性能试验,并建立了不同温度、压头力和不同边界条件下颗粒介质传压理论(径向压力分布)模型。  以管材自由胀形和六边形胀形为例,分析了自由胀形区顶点、自由胀形区任意点、六边形圆角区和直壁段应力应变特征。建立了自由胀形区顶点、自由胀形区任意点、六边形圆角和直壁段塑性力学模型。获得了在非均匀内压下,管材自由胀形最高点和胀形区任意点的应力、应变、厚度解析计算方法,以及整个胀形过程中的管端缩料量随胀形直径的变化关系;导出了六边形不同胀形圆角直径下圆角区和直壁段厚度分布计算模型。  建立了最佳胀形工艺温度条件下管材热态NMG介质仿真模型,分析不同压头力和管端进给量所组成的加载路径对管件壁厚、胀形轮廓、管端缩料量和特征点的主应变路径等技术指标的变化规律,并进行了相应的工艺验证试验。在不同加载路径下实测管件壁厚和胀形区轮廓与仿真结果变化趋势相同,最大误差小于5%,证明了最佳胀形工艺温度条件下所建立的管材NMG介质胀形工艺仿真模型的准确性。六边形管件壁厚的理论计算结果和试验结果对比表明,直壁段的壁厚分布计算结果是准确的,而圆角区的壁厚预测出现了较大的偏差,这主要是现有理论分析中做出的圆角区均匀变形的假设并不能准确地反应管件圆角填充变形的特点,该问题后续将进一步研究。  管端进给和压头力之间的不同匹配影响管件成形质量。通过对管端自由缩料和施加管端进给条件下的管件断口形貌分析表明,管端自由缩料管件破裂为达到管件胀形破裂极限的失稳变形,施加管端进给的管件破裂为管件过度起皱所引起。
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