北京航空航天大學學報：力約束管材自由脹形試驗研究與材料性能測試
2022-06-06【作 者】程鵬志;郎利輝;葛宇龍;阮尚文;王韜;武海
管材充液成形技術(tube hydroforming)是指管材在內部液壓力和軸向推力作用下充滿模具型腔并貼模，進而成形具有一定復雜型面的空心薄壁零件高壓柔性成形工藝，也被稱為內高壓成形或液壓成形工藝，鑒于其特別適用于成形整體、復雜、薄壁的空心零件，及其成形精度高、材料利用率高、生產(chǎn)成本低的特點，該技術在21世紀初得到了快速發(fā)展，并開始廣泛應用于航空航天、汽車制造等產(chǎn)業(yè)[1-3].隨著工藝應用的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)由于高壓均勻面力等因素的作用，原始板材單向拉伸試驗獲得的材料性能參數(shù)不能很好地適用于管材充液成形工藝分析，實際生產(chǎn)對材料準確度的要求也越來越高，目前管材充液成形性能測試方法和裝置尚不夠完善和統(tǒng)一[4-8].需要采用更為準確、可靠的脹形方法獲得材料性能數(shù)據(jù).He等通過比較現(xiàn)有的解析模型，針對AA6061材料建立了基于不同邊界條件的管材脹形統(tǒng)一解析模型，認為脹形輪廓為橢圓，并考慮了模具圓角的影響[7-8]. Velasco和Zribi等通過有限元模擬和試驗研究了材料性能參數(shù)對管材脹形過程中材料分布和脹形輪廓的影響[9-10];Imaninejad等采用擠出鋁管材對充液脹形中不同的管端約束條件及對管材應變狀態(tài)的影響進行了試驗研究，并對試驗中的摩擦力進行了定性分析和定量測量.試驗結果表明，不同的管端約束和摩擦狀態(tài)對材料變形有非常大的影響，以至于可以得到成形極限圖上大范圍內的點，材料厚向異性指數(shù)與管材的軸向收縮量呈顯著正相關[11-12].
本文根據(jù)大量工程經(jīng)驗，針對現(xiàn)有TBT (Tube Bulging Test)方法存在的不足之處，提出了一種基于軸向自由脹形的管材充液成形性能測試試驗方法及裝置，建立了與之對應的理論解析模型，以獲得實時脹形高度、軸向收縮量和壁厚變化等數(shù)據(jù)，進而獲得應力應變曲線和材料性能參數(shù).試驗管材受力邊界簡單、清晰，摩擦干擾誤差小，易于檢測、采集和處理數(shù)據(jù).
【結 論】
1、相對于國際上現(xiàn)有的管材脹形試驗機，本文所描述的試驗方法和設備解決了3個固有問題:
①將實現(xiàn)管端約束的對開螺母卡套部件和密封組件附著在管材兩端，從而保證了管材脹形過程中卡套與半圓形導套的滑動間隙，即保證了管端的自由滑動，排除摩擦干擾的同時準確獲得了管材脹形時的軸向自由收縮數(shù)據(jù);
②鑒于翻邊特征的良好試驗效果，比例伺服油缸可以對管材兩端施加精確的推力(或拉力)，并能有效阻止管端被夾持材料向變形區(qū)的流動;
③采用超聲測厚儀實時采集管材頂點的厚度變化信息，直接準確測量推導出厚向應變.試驗數(shù)據(jù)的采集具有較好的可重復性精度.
2、在管材脹形過程中，環(huán)向應力óθ遠大于軸向應力óz，受力狀態(tài)接近于單向拉伸，軸向力的抵消起到了很好的效果，測試結果能夠很好地反映管材的環(huán)向成形性能.
以下是正文：
