鍛壓技術(shù)：鋁合金管材超低溫介質(zhì)壓力脹形行為
2022-01-21【作 者】凡曉波;王旭剛;陳險(xiǎn)爍;苑世劍
【前 言】
鋁合金因具有高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天和汽車領(lǐng)域的主體結(jié)構(gòu)。隨著新一代運(yùn)載裝備對(duì)輕量化和可靠性要求的大幅提升，追切需要以整體結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多塊分體拼焊結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了一類鋁合金空心變截面構(gòu)件，比如：飛機(jī)蛇形進(jìn)氣道、電動(dòng)汽車底盤構(gòu)件和車身框架。由于結(jié)構(gòu)整體化，這類構(gòu)件的截面形狀十分復(fù)雜，且沿軸向連續(xù)變化，前后截面差異特別大，并且在異形曲面上存在局部小圓角。
這些復(fù)雜的幾何特征與高強(qiáng)鋁合金難變形問(wèn)題相互耦合疊加，使得這類異形管件成形難度極大。
目前，液壓成形是一類制造空心變截面異形管件的先進(jìn)成熟技術(shù)，已在航空、航天、汽車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。由于液壓成形過(guò)程需要加大壓力來(lái)脹形出全部異形特征，因而需要成形壞料具有良好的成形性能。因此，該技術(shù)主要適用于具有良好室溫塑性的材料，如低碳鋼、不銹鋼等。對(duì)于常溫塑性相對(duì)較差的材料，只能成形形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的異形管件。例如：液壓成形也逐漸應(yīng)用于汽車鋁合金副車架上。
但是，由子受到鋁合金成形性能低、易產(chǎn)生橘皮等問(wèn)題的限制，對(duì)于形狀相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)件，需要經(jīng)多道次預(yù)成形和中間退火等復(fù)雜工藝才能成形，而又存在成品率低、成品質(zhì)量差的問(wèn)題；對(duì)于復(fù)雜形狀的整體管件，當(dāng)截面差大且圓角半徑與厚度比小于3時(shí)，則超過(guò)高強(qiáng)鋁合金液壓成形極限。
研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金在超低溫條件下出現(xiàn)伸長(zhǎng)率與加工硬化指數(shù)同時(shí)提高的反?，F(xiàn)象。例如：退火態(tài)2219鋁合金在-196℃超低溫條件下的成形性能比室溫提高了50%；5083退火態(tài)鋁合金由常溫降低至-196℃時(shí)，伸長(zhǎng)率由19.0%提高至31.5%。超低溫塑性變形時(shí)，大量亞結(jié)構(gòu)的形成促進(jìn)了鋁合金應(yīng)變硬化能力的顯著提高。
鋁合金在超低溫條件下顯暫提高的雙增效應(yīng)，有利于成形復(fù)雜形狀的異形管件。為此，本文提出了鋁合金管材超低溫介質(zhì)壓力成形方法，利用超低溫介質(zhì)冷卻和加壓，實(shí)現(xiàn)管材在超低溫條件下的柔性加載，使鋁合金管材成形出復(fù)雜異形變截管管件。
【摘 要】針對(duì)鋁合金復(fù)雜異形管件常溫成形易開裂的難題,利用鋁合金在超低溫下伸長(zhǎng)率與硬化指數(shù)同時(shí)提高的雙增效應(yīng),提出了鋁合金異形管件超低溫介質(zhì)壓力成形方法。通過(guò)建立管材超低溫介質(zhì)壓力脹形裝置,測(cè)試了6061鋁合金管材在液氮溫度(-196℃)條件下的脹形性能;結(jié)合數(shù)值模擬,分析了鋁合金管材在超低溫條件下的自由脹形行為。結(jié)果表明:鋁合金管材在超低溫(-196℃)條件下,脹形性能顯著提高,膨脹率由常溫下的17.4%增加至34.5%,提高了近1倍;超低溫下鋁合金管材的硬化能力同樣提高,變形更均勻;相同變形階段,隨著硬化指數(shù)n值的增加,自由脹形變形區(qū)的極限應(yīng)變和應(yīng)變梯度均逐漸降低。
【結(jié) 論】
（1）提出了鋁合金異形管件超低溫介質(zhì)壓力成形方法，解決了復(fù)雜異形管類構(gòu)件常溫成形易開裂的難題；建立了管材超低溫介質(zhì)壓力脹形原理裝置，并進(jìn)行了新工藝可行性驗(yàn)證。
（2）通過(guò)自由脹形試驗(yàn)測(cè)試了6061鋁合金固溶態(tài)管材在常溫和超低溫（-196℃）條件下的脹形性能。超低溫條件下，鋁合金管材脹形性能顯著提高，膨脹率由常溫的17.4%增加至34.5%，提高了近1倍。
（3）隨著溫度的降低，集中變形程座明顯減弱，變形均勻性顯著提高。相同變形階段，加工硬化指數(shù)（n值）越大，自由脹形變形區(qū)的極限應(yīng)變和應(yīng)變梯度越小。鋁合金管材在超低溫條件下的硬化指數(shù)顯普增加，可以大幅提高脹形過(guò)程的均勻變形能力。
