内压对薄壁铝合金管材充液压弯过程的影响.pdf

第 2 l 卷第 2期 Vb 1 ． 2 1 NO 2 中国有色金属学报 Th e Ch i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s M e t a l s 2 0 1 1 年 2月 Fe b ． 2 0l 1 文章编号 1 0 0 4 - 0 6 0 9 2 0 1 1 0 2 - 0 3 1 1 - 0 7 内压对薄壁铝合金管材充液压弯过程的影响 宋鹏，王小松，徐永超，苑世剑 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要采用实验和数值模拟研究 5 A 0 2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 6 3 mm、壁厚为 1 mm 的 5 A 0 2 一 O铝合金管材 ，其 内压临界值为 2 ． 8 MP a 。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。 关键词内压；薄壁管；铝合金；充液压弯；起皱 中图分类号T G 3 9 4 文献标志码A I n f l u e nc e o f i n t e r na l pr e s s ur e o n h y d r o be nd i ng o f t h i n - wa l l e d a l umi n u m a l l o y t ub e S O NG P e n g ， WANG Xi a o - s o n g ， XU Y o n g c h a o ， Y UA N S h i i a n S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e i n flu e n c e o f i n t e r n a l p r e s s u r e o n f a u l t s wa s i n v e s t i g a t e d f o r a 5 A0 2 a l u mi n u m a l l o y t h i n - wa l l e d tub e i n h y d r o - b e n d i n g p r o c e s s b y e x p e r i me n t a n d fi n i t e e l e me n t me t h o d ． T h e e ff e c t s o f i n t e r n a l p r e s s u r e o n wr i n k l i n g o n t h e i n n e r a r c ， c r o s s - s e c t i o n d i s t o r t i o n a n d wa l l t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n we r e an a l y z e d ， a n d t h e t h i c k n e s s v a r i a t i o n r e g u l a r i t y wa s a c h i e v e d ．T h e me c h a n i s m o f d e f e c t wa s r e v e a l e d t h r o u g h s tre s s s t a t e g i v e n b y n u me r i c a l s i mu l a t i o n ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a b s o l u t e v a l u e o f a x i a l c o mp r e s s i v e s tre s s c a n b e r e d u c e d b y i mp r o v i n g t h e i n t e r n a l p r e s s u r e ， a n d t h e wri nk l i n g t e n d e n c y d e c l i n e s ． Th e wrink l e s c a n b e c o mp l e t e l y e l i m i n a t e d wh i l e t h e i n t e r n a l p r e s s ur e r e a c h e s a c r i t i c a l v a l u e ， a n d t h e c ri t i c a l v a l u e i s 2 ． 8 MP a for a 5 A0 2 - O a l um i n um a l l o y t u b e wi t h an o u t e r d i a me t e r o f 6 3 r l l l n a n d a wa l l t h i c k n e s s o f 1 I n r n ． T h e c r o s s s e c t i o n dis t o r t i o n d e c r e a s e s wi th t h e i n t e ma l p r e s s ur e i n c r e a s i n g ． Th e b i g g e s t thi c kn e s s t h i n n i n g o f t h e s p e c i me n a p p e a r s a t t h e b o t t o m o f the o u t e r a r c ． T h e ax i a l s t r e s s a n d h o o p s tre s s e n h anc e a s t h e i n t e rna l p r e s s u r e r i s e s ， a n d t h e t e n d e n c y o f t h i c kn e s s thi n n i n g o n t h e o u t e r a r c i n c r e a s e s ． Ke y wo r d s i n t e r n a l p r e s s u r e ； t h i n -- wa l l e d tub e ； a l umi n u m a l l o y； h y dr o -- b e n d i n g ； wr i nk l i n g 薄壁铝合金弯 曲管件在汽车、航空和航天等领域 中有着广泛的应用，常用于汽车进气管件、车体结构 件及航空航天各系统管路中【 卜 。 相对于厚壁管件， 薄 壁 径厚比大于 5 0 管件弯 曲成形中更易发生弯曲内侧 管壁的起皱及弯曲外侧壁厚减薄甚至开裂等缺 。 - 4 ] 。 与钢相比， 铝合金的伸长率低、塑性差，开裂倾 向大； 弹性模量仅为钢的 1 ／ 3 ，起皱趋势严重。因此，薄壁铝 合金管件弯曲成形更加困难。 为避免或减轻上述缺陷，在管坯内填料作为支撑 是常用的方法。常见填充物有砂子、松香或低熔点合 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 8 7 5 0 6 0 收稿 日期2 0 1 0 ． 0 3 0 9 修订日期2 0 1 0 ． 0 6 一 o 1 通信作者王小松，副教授，博士；电话0 4 5 1 8 6 4 1 5 7 5 4 ；E - ma i l h i t x s wa n g h i t ．e d u ． c n 31 2 中国有色金属学报 2 0 1 1 年 2月 金等，但这些填充物不仅装填耗时，并且支撑内压不 可控，还容易造成管坯内部损伤，弯曲质量较差[ 5 咱 】 。 为了解决这些问题， L O V R I C [ ] 提出充液弯曲方法。 通 过在管坯内部施加一定压力的液体介质作为支撑，降 低起皱和截面畸变趋势，适用于二维变曲率轴线和薄 壁管件的弯曲成形。 支撑内压是充液弯曲关键工艺参数之一。对低碳 钢管材的三辊充液压弯研究表明充液压弯与压弯相 比，内侧起皱趋势明显减小；并且随内压的增大，截 面畸变减小，外侧减薄率增大[ 1卜 。对不锈钢一 碳钢双 层复合弯头的充液压弯研究表明提高内压，截面长 轴长度变化不大，短轴长度提高较大，内层管的截面 畸变得到有效控制；但如果内压过高，反而导致外层 管外侧开裂[ 9 】 。 径厚比和相对弯 曲半径是管材弯曲成形中用于确 定工艺可行性及设备选择的两个重要参数，极限相对 弯 曲半径用 于衡量一定径 厚 比管材 的弯 曲成形性 能【 1 们 。许多学者对不同径厚比时 5 A0 2 一 O铝合金管材 C N C 弯曲的相对弯曲半径进行研究，当径厚比为 4 7 时，相对弯曲半径达到 1 ． 5 E “ 】 ；当径厚比为 5 0时，相 对弯曲半径达到 2 t ] 。由一系列尺寸铝合金管材 C NC 弯曲实验数据得到的经验公式计算出径厚比为 6 3时 的极限相对弯曲半径为 3 ． 2 6 。以上研究结果表明径 厚比越大，极限相对弯曲半径随之增大。此外，径厚 比较大时，铝合金管材 C N C 弯曲不仅受设备限制， 而且极易出现外侧拉裂、内侧失稳起皱，表面划痕、 夹痕等缺陷也难以控制，限制管材的弯曲成形极限。 相比之下，有关铝合金管材充液压弯的研究报道 较少。有学者通过对 5 A 0 2 ． O铝合金管材的三辊充液 压弯实验研究得出当径厚比为 6 3时， 极限相对弯曲 半径为 5 t l 3 】 。通过对径厚比为 6 3的 A 1 Mg 3 ． 0 Mn铝合 金管材充液压弯过程 内侧起皱的分析，得到管材在不 同相对弯曲半径时的内压临界值，随相对弯曲半径的 减小，内压临界值增大；其中，当最小相对弯曲半径 1 5 ． 7 9时的内压临界值为 2 MP a [ 1 4 - 1 5 ] 。 对弯 曲半径较小 时 的研究 尚未见报道 。 本文作者采用实验和数值模拟方法，对径厚比为 6 3的薄壁铝合金管材充液压弯成形进行研究， 试件的 相对弯曲半径为 1 ． 1 4 。 分析内压对弯曲内侧起皱、 截面 畸变及壁厚分布的影响， 揭示内压对缺陷的影响规律。 管材充液压弯原理 充入液体，密封后形成一定的压力，然后在模具中进 行弯 曲，并随上模下压的过程控制管坯内的压力，利 用液压的支撑作用避免起皱和截面畸变，在合模后， 可提高内压进行整形，使管坯贴模定形。 图 I 充液压弯原理示意图 Fi g ． 1 P r i n c i p l e o f h y d r o - b e n d i n g l a t e d 管坯在内压p的作用下，通过管端密封装置产生 一 定轴向拉应力，抵消内侧一部分压应力，有效地减 小弯曲内侧发生起皱的趋势。对于一定弯曲半径，内 压存在一个临界值， 超过该值时， 可以完全消除皱纹。 2 试件与材料 试件形状和尺寸如图 2所示。试件轴线为三弯变 曲率形状，左右不对称。管坯外径为 6 3 m m，壁厚为 1 m i l l ，径 厚比为 6 3 。中间弯相对弯 曲半径 为 2 ． 8 6 ， 弯曲角度为 3 9 。 ；两侧弯相对弯曲半径均为 1 ． 1 4 ，弯 曲角度分别为 2 7 。 和 l 2 。 。 两侧弯与中间弯之间均为直 段 ，直段长度分别为 2 5 n l l n和 1 7 2 n l l T l 。 采用不圆度来描述截面畸变程度 尺 ，定义为 [ 一d ra i n ／ d o ] 1 0 0 ％ 1 式中 为截面长轴长度；d m | n 为截面短轴长度；d o 为管坯初始直径。 图 2 试件形状示意图 图 1所示为管材充液压弯基本原理。首先从管端 F i g 2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s p e c i m e n s h a p e m m 匾 匮 第 2 l 卷第 2期 宋鹏，等内压对薄壁铝合金管材充液压弯过程的影响 3 1 3 实验中， 选取试件中间截面测量几何尺寸和壁厚， 典型壁 厚测 点为 内侧 点 A和 外侧 点 。 实验所用材料为 5 A 0 2 一 O 铝合金管材，假定材料 遵循指数硬化规律 O “ i K 6 i 2 式中 为流动应力；6 “ i 为等效应变； 为硬化指数； 为 强化 系数 。 经 沿 管 材 轴 向 切 取 弧 形 拉 伸 试 样 在 英 国 I NS T R O N 5 5 6 9 R 电子万能材料试验机进行单向拉伸 试验， 测得 n 0 ． 2 4 ， K 3 4 3 MP a ， 屈服强度 O “ s 8 0 MP a ， 均匀伸长率为 1 4 ． 6 ％。 3 初始 内压及整形内压计算 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 c r z 和环向应力 分 别为 O“ z 一p r 4 2 t 罢 1 等 5 式中P为 内压；R 6 为弯曲半径；， ． 为环壳上任一点 到对称轴的距离。 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O “ z 为一常量，环向应力 在外 环 侧 c 点 达 到 最 小 值 等 1 。 由T r e s c a屈服准则得到 C点的屈服内压P 为 c I R b ／ R b r 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 点的屈服内压为整个环壳的整形内压。由试件 管坯的受力情况相当于承受内压作用的封闭薄壁筒， 的几何尺寸，根据式 6 得到的试件整形内压为 2 7 4 由T r e s c a 屈服准则得管坯初始屈服时的内压p 。 为 MP a 。 f ps 一 ， 式中t 为管坯壁厚； 为管坯半径 。 根据式 3 ，得到的试件初始内压为 2 ． 5 4 MP a 。 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 0 所 b 图3 环壳的应力分布 F i g ． 3 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t o r o i d a l s h e l l a S tr e s s s t a t e i n b e n d i n g z o n e ； b S tr e s s d i s t r i b u t i o n 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 MP a 。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 MP a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 1 V [ P a 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 MP a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。 图 6所示为弯曲内侧皱纹尺寸测量示意图。其中 皱纹深度 h是指两皱峰与皱谷之间的垂直距离，皱纹 实验得到的不同内压下的皱纹尺寸。 由表 l 可以看出， 31 6 中国有色金属学报 2 0 1 1 年 2月 坯的应力状态接近于平面应力状态。 将内压为2 ． 2 MP a 时中间弯内侧皱谷处的节点在起皱前的应力数值与内 压为 2 ． 8 m．P a时同一节点在同一时刻的应力数值进行 对比。图 1 3所示为不同内压下皱谷节点的应力状态。 由图 1 3可以看出， 该点均处于环向受拉、 轴向受压的 状态，但数值上发生了变化。当内压为 2 ． 2 MP a时， 轴向压应力为一 1 4 8 ． 5 MP a ；而当内压为2 ． 8 MP a时， 轴向压应力为一 1 0 2 ． 7 MP a ，轴向压应力的绝对值明显 降低。因此，提高内压能降低轴向压应力绝对值，减 小失稳起皱趋势，有效避免弯 曲内侧起皱的产生。 图 1 3 不同内压下皱谷节点的应力状态 F i g ． 1 3 S t r e s s s t a t e a t b o t t o m o f wr i n k l e s a t d i ffe r e n t i n t e ma l p r e s s u r e s a 2 ． 2 MP a ； b 2 ． 8 MP a 5 ． 3 弯曲外侧应力状态与开裂机制 图 1 4所示为内压为2 ． 8 i I P a 和 3 ． 2 M．P a 下相对压 下量为 8 5 ％时外侧点的应力状态。由图 1 4可以看出， 外侧点处于轴向和环向双拉的应力状态，并且轴 向应 力大于环 向应力。随内压的增大，两个方向上的拉应 力均呈增大趋势，由于轴向拉应力过大，弯曲外侧沿 环向很容易发生开裂现象。 75．2M Pa 0 6 ． 7M P a 图 1 4 不同内压下外侧点的应力状态 Fi g ． 1 4 S tre s s s t a t e a t b o t t o m o f o u t e r a l e at d i ffe r e n t i n t e r n a l p r e s s u r e s a 2 ． 8 MP a ； b 3 ． 2 MP a 6 结论 1 内压对充液压弯成形起皱影响显著， 提高内压 能降低轴向压应力绝对值，减小失稳起皱趋势，弯曲 内侧皱纹的深度和宽度均逐渐减小，当内压超过一个 临界值时，皱纹完全消除。 2 对于直径为 6 3 m l n 、壁厚为 1 m i l l 的 5 A 0 2 ． O 铝合金管材，当相对弯曲半径为 1 ． 1 4时，内压临界值 为 2 。 8 MP a 。 3 充液能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。当内压为 2 ． 8 MP a时， 不圆度仅为 1 ． 3 7 ％。 4 弯曲后壁厚最大减薄点位于弯曲外侧点， 随内 压的增大，轴向和环向拉应力均呈增大趋势，弯曲外 侧壁厚减薄趋势增大。当内压为 2 ． 8 MP a 时，最小壁 厚为 0 ． 8 9 3 mi l l ，减薄率为 1 0 ． 7 ％。 REFERENCES [ 1 ] S CH US T E R C， L OR E T Z C， KL AS S F ’ S E I F E R T M． P o t e n t i a l s a n d l i mi t s wi t h h y d r o f o r mi n g o f a l u mi n i u m a l l o y s [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f the 4 th I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Hy d r o f o r mi n g ． F e l l b a c h M AT I NFO． 2 0 0 5 1 1 3 1 35 ． 【 2 】L OV RI C M． P r e s s - b e n d i n g o f thi n - wa l l e d t u b e s ／ I n c r e a s i n g the p r o d u c ti v i t y o f i n t e r n a l h i g h p r e s s u r e f o r mi n g p r o c e s s e s [ C ] ／ ／ Pr o c e e d i n g s o f the 4 th I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Hy d r o f o r mi n g． Fe l lba c h M AT I NFO， 2 0 0 5 3 6 5 3 8 6 ． 【 3 】P E E K R．Wr in k l e o f tub e s i n b e n d i n g f r o m fi n i t e s t r a in t h r e e d i me n s i o n a l c o n t i n u u m the o r y [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ， 3 9 7 0 9 7 2 3 ． 【 4 】 詹梅， 杨合， 江志强． 管材弯曲成形的国内外研究现状 及发展趋势[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 4 ， 2 3 1 2 1 5 0 9 1 5 1 4 ． Z HAN Me i ，YANG He ，J I ANG Zh i q i an g ．S t a t e o ft h e a r t o f r e s e a r c h o n tub e b e n d i n g p r o c e s s [ J ] ．Me c h ani c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 2 1 5 0 9 1 5 1 4 ． [ 5 ] VO L L E R T S E N F ，S P R E NGE R A，K RR AUS J ，A R NET H． E x t r u s i o n ， c h a n n e l ， and p r o fi l e b e n d i n g A r e v i e w[ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i ng Te c h no l o g y， 1 99 7 ， 8 7 卜2 7． 【 6 ] 赵 长喜．低 熔 点合金在 复杂薄 壁零件 制造 中的应 用研究 【 J ] _ 航天制造技术， 2 0 0 6 2 1 5 1 8 ． ZHAO Ch a n g x i ．Ap p l i c a t i o n o f l o w me l ti n g p o i n t a l l o y s t o ma n u f a c t u r i n g o f c o mp l e x t h i n - wa l l e d p a r t s [ Y ] ．Ae r o s p a c e Manu f a c t u r i n g T e c hno l o gy, 2 0 0 6 2 1 5 1 8 ． I 7 ] 刘泽宇． 薄壁管的充液压弯成形研究【 D 】 ． 哈尔滨 哈尔滨工 业 大学， 2 0 0 7 ． LI U Ze - y u ．P r e s s - b e n d i n g o f the thi n - wa l l e d tub e wi th i n t e r n a l 第 2 l卷第 2期 宋鹏 ，等内压对薄壁铝合金管材充液压弯过程的影响 3 1 7 [ 8 ] [ 9 】 [ 1 0 ] p r e s s u r e [ D] ． H a r b i n Harb i n I n s t i t u t e o f F e c h n o l o g y , 2 0 0 7 ． 刘泽 字，滕 步刚，苑世剑 ．内压 对薄壁 管充 液压弯 时 的影 响 【 ．r ] ．塑性工程 学报， 2 0 0 9 ， 1 6 4 3 5 3 8 ． L I U Z e y u ， T E NG Bu - g a n g ， Y UA N S h i - j i a n ． E ff e c t o f in t e r n a l p r e s s ure o n t h i n - wa l l e d t u b e s b e n d i n g wi t h i n t e r n a l p r e s s ure [ J ] ． J o u r n a l o f P l a s t i c i t y E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 1 6 4 3 5 3 8 ． 戴宇 昕．不锈钢一碳钢双层 复合弯 头充液 成形研 究[ D】 ．哈 尔 滨哈尔滨工业大学， 2 0 0 9 ． DAI Yu - x i n ． Re s e a r c h o n h y d r o f o r mi n g o fd o u b l e - l a y e r c l a d d i n g e l b o w c o mp o s e d o f s t a i n l e s s s t e e l a n d l o w c a r b o n s t e e l [ D] ． Harb i n Harbi n I ns t i t u t e o fT e c h no l o g y , 2 0 0 9． S HR S h i u a n g ua n g．Be n ding o f t u b e s f o r h y d r o f o r mi n g A s t a t e - 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