鋁合金2A16板材成形極限研究

郭禪,郎利輝,楊希英,劉康寧,張文尚

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京100191)

鋁合金2A16板材成形極限研究

郭禪,郎利輝,楊希英,劉康寧,張文尚

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京100191)

目的 掌握硬鋁合金在溫?zé)釛l件下的成形性能變化規(guī)律。方法 采用結(jié)合半球凸模脹形和橢圓液壓脹形的復(fù)合試驗(yàn)法進(jìn)行了FLD試驗(yàn),用最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了成形極限預(yù)測(cè)模型。結(jié)果 試樣均在凸模頂端或附近發(fā)生破裂,在室溫下網(wǎng)格保持較小的圓形,在210℃和300℃下網(wǎng)格被不同程度的拉長(zhǎng)和變大,溫度對(duì)鋁合金2A16的成形性能影響很大,隨溫度升高,成形極限曲線上移。結(jié)論 復(fù)合脹形試驗(yàn)法具有較高的可靠性與準(zhǔn)確性;鋁合金2A16在高溫下成形性能更好;預(yù)測(cè)模型較好地表述了極限應(yīng)變值與溫度的關(guān)系,根據(jù)模型可快速得出FLD。

鋁合金;成形極限;橢圓液壓脹形;預(yù)測(cè)模型

出于節(jié)能和環(huán)保的需求,各種輕量化的新材料被不斷使用,尤其在汽車及航空航天制造領(lǐng)域,鋁合金等輕質(zhì)合金的應(yīng)用十分廣泛。在汽車工業(yè)中,鋁合金主要用來(lái)制造殼體類零件和底盤零件,所占比重越來(lái)越高[1]。現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)翼、框等部位均用超高強(qiáng)鋁合金制造,火箭主體結(jié)構(gòu)、整流罩等也采用鋁合金等輕質(zhì)合金[2—4]。2系硬鋁合金具有韌性和耐熱性[5],但常溫下成形較為困難,需采用熱成形方法。

溫度對(duì)硬鋁合金的成形性能提升較大,為了研究溫度對(duì)材料成形性能的影響規(guī)律,需要進(jìn)行成形極限研究。研究成形極限的理論方法有很多,如 Swift[6]提出的分散性失穩(wěn)理論,Hill[7]的集中性失穩(wěn)理論以及M-K凹槽理論[8—9]。試驗(yàn)方法有剛模脹形、橢圓液壓脹形和雙向拉伸法。剛性模脹形的加載路徑簡(jiǎn)單,雙向拉伸試驗(yàn)?zāi)軌蛟囼?yàn)復(fù)雜路徑加載,北京航空航天大學(xué)自主研發(fā)了十字形雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)[10—12]。針對(duì)2系硬鋁合金在航空航天中的應(yīng)用,采用半球凸模脹形和橢圓液壓脹形想結(jié)合的方法研究其在溫?zé)釛l件下的成形極限,掌握其成形性能對(duì)于合理制定材料的工藝流程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 橢圓液壓脹形試驗(yàn)原理

板材在橢圓液壓脹形時(shí),其脹形頂點(diǎn)的微元體如圖1所示。設(shè)微元面內(nèi)的主應(yīng)力分別為σ1,σ2,橢圓長(zhǎng)軸與短軸在微元面內(nèi)形成的曲率半徑分別為ρ1, ρ2,微元厚度為t,液壓壓力為p。對(duì)于各向同性材料,橢圓液壓脹形頂點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算方法如下:

圖1 脹形頂點(diǎn)微元體Fig.1 Micro unit of the top bulging part

根據(jù)以上公式,利用不同橢圓度x(x=b/a,表示橢圓短軸半徑a與長(zhǎng)軸半徑b長(zhǎng)度的比值)的橢圓形凹模液壓脹形,能夠得到脹形頂點(diǎn)兩向主應(yīng)力關(guān)系曲線。改變橢圓凹模的橢圓度,其液壓脹形均能保持線性加載,且兩向主應(yīng)力保持線性關(guān)系[13—14],不同的橢圓度凹模脹形可得到材料不同的應(yīng)力狀態(tài),且橢圓度x與應(yīng)力比α之間滿足線性關(guān)系關(guān)系:

式中:m,n分別為與材料有關(guān)的常數(shù)。在簡(jiǎn)單加載,且材料各向同性的條件下,極限應(yīng)變比β與應(yīng)力比α由如下關(guān)系[15]:

因此利用不同橢圓度的凹模進(jìn)行液壓脹形能使材料獲得不同的應(yīng)力狀態(tài),根據(jù)式(5),不同的應(yīng)力狀態(tài)能夠?qū)?yīng)不同的極限應(yīng)變狀態(tài),因此該方法具備獲得不同極限應(yīng)變狀態(tài)的條件,可以用來(lái)進(jìn)行成形極限研究。

2 復(fù)合FLD試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為厚度1.2 mm的硬鋁合金2A16。該材料在高溫下具有較高的持久強(qiáng)度,在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下:Si0.3%,Fe 0.3%,Cu 6.0% ～7.0%,Mn 0.4% ～0.8%,Mg 0.05%,Zn 0.1%,Ti0.1%～0.2%,Zr 0.2%,其他占0.1%,余量為鋁。

2.2 半球形凸模脹形試驗(yàn)

用半球形凸模脹形試驗(yàn)獲取左半部分極限應(yīng)變點(diǎn)。試驗(yàn)中所使用的半球形凸模脹形模具尺寸如圖2所示。試樣長(zhǎng)度方向均沿板材軋制方向裁出,長(zhǎng)度均為220 mm,寬度分別為20,50,80,110 mm。

圖2 半球形凸模脹形模具尺寸Fig.2 Themold size of rigid punch bulging

試驗(yàn)溫度從室溫開(kāi)始,分別為20,210,300℃。為了測(cè)定試樣的極限應(yīng)變,需要在試樣的一側(cè)板面制取直徑為2.5 mm的應(yīng)變網(wǎng)格圓。室溫試驗(yàn)時(shí),試樣和凸模之間用油膜潤(rùn)滑,高溫試驗(yàn)時(shí),在試樣未印制網(wǎng)格的一面噴涂高溫潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑。圖3所示為3個(gè)溫度下的凸模脹形結(jié)果。不同寬度的試件在凸模頂端或者附近發(fā)生破裂,試驗(yàn)具有可靠性。圖3c為3個(gè)溫度下試件網(wǎng)格變形,可以看到在室溫下網(wǎng)格保持較小的圓形,在210℃和300℃下網(wǎng)格被不同程度的拉長(zhǎng)和變大。說(shuō)明溫度對(duì)鋁合金2A16的成形性能影響很大。

圖3 半球形凸模脹形結(jié)果Fig.3 The results of rigid punch bulging test

2.3 橢圓液壓脹形試驗(yàn)

用橢圓液壓脹形試驗(yàn)獲取右半部分極限應(yīng)變點(diǎn)。圖4展示的是試驗(yàn)采用的橢圓脹形凹模,其長(zhǎng)軸直徑均為100 mm,短軸直徑依次為40,60,80,100 mm。

圖4 不同短軸直徑的橢圓液壓脹形凹模實(shí)物Fig.4 The elliptic dies for hydraulic bulging with differentminor axis diameters

試驗(yàn)溫度也設(shè)置為20,210,300℃。同樣,在試樣的一側(cè)板面有效范圍內(nèi),制取直徑為2.5 mm的應(yīng)變網(wǎng)格圓。橢圓液壓脹形結(jié)果見(jiàn)圖5,由于液壓脹形沒(méi)有摩擦力影響,試樣破裂點(diǎn)基本在脹形最高點(diǎn),通過(guò)改變橢圓凹模短軸直徑,可得到試樣不同的極限應(yīng)變值,如圖5a,通過(guò)改變?cè)囼?yàn)溫度也可改變?cè)嚇訕O限應(yīng)變值如圖5b。

圖5 橢圓液壓脹形結(jié)果Fig.5 The results of elliptic hydraulic bulging test

圖6 不同溫度下2A16板材的成形極限曲線對(duì)比Fig.6 The FLCs of 2A16 sheet under different temperatures

2.4 溫度對(duì)成形極限的影響

試驗(yàn)后對(duì)試樣進(jìn)行網(wǎng)格測(cè)量和數(shù)據(jù)處理,得出鋁合金2A16的成形極限圖,如圖6所示。可以看出,溫度對(duì)鋁合金2A16板材成形極限影響十分明顯。隨著溫度提高,板材的極限應(yīng)變值增大,成形極限曲線整體向上移動(dòng)這說(shuō)明,成形的安全區(qū)域擴(kuò)大,板材成形性能提升。在室溫下,板材的單拉極限點(diǎn)和雙拉極限點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值較小,當(dāng)溫度升到210℃和300℃時(shí),兩個(gè)極限點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值增大幅度較大。板材的平面應(yīng)變點(diǎn)(ε2=0)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)變值也隨著溫度的提高有較大提升,室溫下的極限主應(yīng)變值為0.142,210℃條件下該值提高到了0.192,300℃條件下該值提高到了0.256。可見(jiàn),隨著溫度升高,板材的成形極限平穩(wěn)上升,高溫下板材的成形性能更好。

3 成形極限圖預(yù)測(cè)模型

材料在不同的溫度下具有不同的成形極限曲線,一般通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)獲取。而在生產(chǎn)實(shí)踐中,有時(shí)需要盡快知道材料的FLD,需要建立該材料的成形極限預(yù)測(cè)模型。由于溫度對(duì)材料成形極限的影響較大,所建立的模型需包含溫度影響因子。鋁合金2A16板材成形極限預(yù)測(cè)模型如下所示:

式中:fld0為平面應(yīng)變狀態(tài)極限應(yīng)變點(diǎn);k1,k2,k3均為與溫度T相關(guān)的函數(shù)。確定這4個(gè)參數(shù)就能確定該預(yù)測(cè)模型。使用前述FLD試驗(yàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn),按照式(6)、式(7)進(jìn)行最小二乘法擬合,所得參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 成形極限預(yù)測(cè)模型參數(shù)值Tab le 1 Param eter values of the p red iction m odel of form ing lim it

從表1可以看出,4個(gè)參數(shù)均為以溫度T為自變量的函數(shù),其中fld0,k2隨溫度的升高而增大,k1,k3隨溫度的升高而減小。使用二次多項(xiàng)式對(duì)4個(gè)參數(shù)進(jìn)行擬合,得出他們與溫度之間的關(guān)系:

確定模型參數(shù),即確定了鋁合金2A16成形極限預(yù)測(cè)模型,該模型說(shuō)明了材料主應(yīng)變、次應(yīng)變以及溫度之間的關(guān)系。在工程實(shí)際中,給定試材料和試驗(yàn)溫度,就可根據(jù)預(yù)測(cè)模型快速得出FLD。

4 結(jié)語(yǔ)

1)使用半球凸模脹形和橢圓液壓脹形相結(jié)合的復(fù)合試驗(yàn)方法得出鋁合金2A16板材的成形極限圖,試驗(yàn)效果良好,該復(fù)合方法具有較高的可行性和準(zhǔn)確性。

2)溫度對(duì)鋁合金2A16板材成形極限影響十分明顯,隨著溫度提高,板材的成形極限曲線整體向上移動(dòng),成形的安全區(qū)域擴(kuò)大,2A16在高溫下具有更好的成形性能。

3)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,建立了鋁合金2A16成形極限預(yù)測(cè)模型,確定了模型參數(shù)與溫度之間的關(guān)系,與實(shí)際相符,該模型有助于在工程實(shí)踐中快速得出FLD。

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Form ing Lim it of Alum inum Alloy 2A16

GUO Chan,LANG Li-hui,YANG Xi-ying,LIU Kang-ning,ZHANGWen-shang
(School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)

This research aimed to learn the changing law of formability of aluminum alloy under warm/hot environment.In this research,the FLD test by amethod combined of rigid punch bulging and hydraulic bulging was conducted, then the predictionmodel of forming limitwas established using the least squaremethod.The results showed that the fracture points were on or near the top of the specimens,the grids remained small under the room temperature while they became bigger and longer under 210℃ and 300℃,indicating the temperature had huge influence on the formability of aluminum alloy 2A16 that the curve of forming limitwas shifted upward with the increase of temperature.The compound bulgingmethod for test had high reliability and accuracy which revealed that aluminum alloy 2A16 had greater formability under high temperatures.The prediction model well described the relationship between the limit stain and the temperature, and FLD can be quickly gained using this predictionmodel.

aluminum alloy;forming limit;elliptic hydraulic bulging;prediction model

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.016

TG115

:A

:1674-6457(2015)04-0076-04

2015-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175024)

郭禪(1989—),男,湖北人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榘宀某湟簾岢尚巍?/p>

郎利輝(1970—),男,河南人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橐簤撼尚巍⒎勰岬褥o壓等塑性成形技術(shù),以及數(shù)值模擬、并行工程、CAD/CAM/CAE/CAPP。