客車輪轂輪罩支架輕量化材料7075G鋁合金管材煨彎成型及性能測試分析

劉少利 李辛

摘 要：文章介紹了高強高韌7075G輕量化新材料管材的機械強度主要測試指標及要求，同時就7系鋁合金改制材料彈性模量的選擇與計算，彎曲強度的模型建立、7075G管材冷煨彎的基本質量要求做了一定的分析。

關鍵詞：輕量化材料;7075G鋁合金管材;測試分析

中圖分類號：U465? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-200-04

Abstract： In this paper， the main test indexes and requirements of mechanical strength of 7075g lightweight new material pipe with high strength， high toughness and toughness are introduced. at the same time， the selection and calculation of elastic modulus of 7 series aluminum alloy modified material， the establishment of bending strength model and the basic quality requirements of 7075g pipe cold simmering bending are analyzed.

Keywords： Lightweight materials; 7075G aluminum alloy pipe; Test analysis

CLC NO.： U465? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-200-04

前言

為了減輕現有客車輪轂輪罩支架的重量，西安鋁輕新材料科技有限公司在新能源客車車架總成設計時，將輪轂支架材料，選擇為最新研制的新型高強高韌鋁合金輕量化材料7075G（新材料已申請國家專利，專利號201910759628.2，發明人：劉少利、章偉、李辛、周霞），以達到減輕新能源客車行駛過程中車輪行駛阻力，這樣設計使結構更加簡化，既減輕了重量還降低了成本。

1 性能測試過程分析

1.1 測試性能指標

輪轂輪罩支架的性能一般測試如下面的各項指標：

（1）抗拉強度σb;

（2）屈服強度σs;

（3）塑性延伸強度σp0.2;

（4）沖擊韌性ak，（單位為J/cm2）（GB/T229-2007沖擊吸收功）;

（5）屈強比（σs/σb）;

（6）斷后伸長率δL（Lu-L0）;

（7）斷面收縮率ψ;

（8）夏比試驗Charpy impacttest 測定鋁合金煨彎材料抗缺口敏感性（韌性）;

（9）煨彎橢圓度;

（10）彎曲強度計算（σt）。

1.2 試驗適用范圍

適用于所有新能源客車輪轂輪罩支架及副支架的機械性能測試。

1.3 試驗樣品來源

西安鋁輕新材料科技有限公司/西北鋁業有限公司。

1.4 試件取樣加工方法

（1）所有試件加工尺寸符合GB/T16865-2013;

（2）《鋁鎂合金加工制品拉伸試用試樣加工方法》;

（3）GB/T 228.1-2010;《金屬材料拉伸試驗方法.第1部分 室溫試驗部分》;

（4）ISO178、ASTM D790M、DIN 53452以及JIS K7203等標淮。

1.5 試驗設備

性能測試-材料萬能試驗機、電子引伸計;管材彎曲強度試驗模擬設施。

1.6 客車輪罩支架用鋁合金拉伸強度/屈服強度的測試及彈性模量的選擇

（1）拉伸強度測試

由于客車輪轂輪罩支架管材主要承受客車中乘客及其它載重體的承重力，極端路況及突發事件時會受到來自車架本身的較大沖擊力及彎曲力矩，一般汽車車架生產制造廠設計確定好原材料牌號后，會按研發流程安排進行機械性能測試。研究院所等單位則會在輪罩支撐架煨彎前后均進行全面的性能測試，具體測試時，關鍵根據不同的試驗目的及試驗要求，決定是否取拉伸變薄部分進行取樣，而且不管是材料煨彎前后的測試試驗，其試件的幾何尺寸同樣須符合GB/T 16865國家標準，萬能試驗機或電子引伸儀自主記錄的F-ΔL曲線的彈性直線段上取相距盡可能遠的兩點，如下圖OC線段，并讀取其相應的載荷增量值ΔF和伸長增量值δL，則所測材料的彈性模量為：鋁合金材料的屈服強度是衡量材料機械性能的重要指標之一，高強高韌7075G材料時測試時，取ε =0.2﹪時的應力作為衡量材料強度的指標，并用R0.2表示，稱為材料的名義屈服強度或規定延伸屈服強度R0.2，其數值的確定方法如圖2所示。圖中的CD直線與彈性階段內的直線部分平行，即在ε軸上取OC=0.2﹪，過C點作直線CD平行于σ-ε圖中的直線段，交曲線于D點，于是 點D 的縱坐標。

通常是延伸屈服強度RP0.2。指試樣非比例延伸率等于引伸計標距的0.2﹪時的應力，定義為規定非比例延伸強度，通常是用RP0.2表示，7075G高強高韌鋁合金就是沒有明顯屈服階段的塑性鋁基材料。此先介紹用圖解法測定其規定非比例延伸強度RP0.2。

（2）高強高韌韌7075G鋁合金材料彈性模量的測定

在萬能材料試驗機上電子引伸儀自動記錄的F-ΔL曲線的彈性直線段上取相距盡可能遠的兩點，并讀取其相應的載荷增量值ΔF和伸長增量值δL，則所測材料的彈性模量為：

式中：E為需要測算的7075G鋁合金材料彈性模量;Le為引伸計標距;Sav為所用試樣原始橫截面平均面積;ΔF為所加的載荷增量值;δL為試件的伸長增量值。

鋁合金就是一種沒有明顯屈服階段的塑性金屬材料。在試驗機自動記錄的F-ΔL曲線上，載荷（見圖2）。因此，材料的規定非比例伸長應力為：

（4）彎曲強度計算：

彎曲強度測試加載模型：

目前國內使用較多的煨彎機為功能型鋁型材煨彎液壓設備，基本上使用三或四點（滾輪）加載法。彎曲性能測試模型基于此原理建模如下圖所示：

由于客車車架及其支撐部分的高負荷特殊性，具體試驗時，一般取5根試樣，測試5組數據并取算術平均值。如試樣測試時斷裂，則應補充試樣重新測試。管材彎曲試驗時影響數據的因素較多，如尺寸的測量、試驗跨度的調整、應變速率的快慢、操作間的溫度等都會影響測試數據。應變速率越慢，則測試數據越接近真實性，試驗室溫度越高，測試出的彎曲強度則越小。

1.7 鋁合金管材煨彎后的橢圓度測試

鋁合金管材在機加工煨彎過程中圓弧處的變形（橢圓度）作為一個關鍵的性能指標參數，在實際管材加工的過程具有重要的實際意義。管材在機加工煨彎過程中，不同的煨彎速度對管材圓弧處橢圓度有較大的影響 。管材在煨彎加工的過程中，管材發生彎曲變形，在彎曲的圓弧外側對應的管壁會變薄，圓弧內側對應的管壁 會起褶皺，降低管材承受內壓力的能力，同時管材彎曲后截面形狀會發生由圓形到橢圓形的變化，管材的截面面積也會有所減小，增大對管內流體流動的阻力，從而影響管材在實際應用中的功能和效果。

由于管材彎曲段內 外側管壁厚度的變化，還使得彎段截面由原來的圓形變成了橢圓形。一般對彎管的橢圓度做下規定：管徑不大于 150 mm時，要求橢圓度不大于 10%;管徑大于 150 mm、小于或等于200 mm時，要求橢圓度不大 于8%;

管材橢圓度可按下式進行計算：

（1）基本質量要求

汽車高強高韌鋁合金管材煨彎最基本的要求就是表面無裂紋、擦傷、碰痕等外觀缺陷，在7075G型材鋁合金型材料的煨彎過程中，彎曲背面管壁被拉伸變薄，彎曲凹面受擠壓變厚;由于鋁合金材料抗壓性能優于抗拉性能，總體上鋁合金管材被拉長;管道彎曲凹凸方向受力，側面不受力，煨煨后的型材管道截面變為橢圓形狀。汽車行業一般要求折彎處溝槽深度不得大于管材原材料壁厚的5～10%，彎前與彎后管壁厚度之差控制在（特殊管道≤彎前管壁厚的 10% 或 一般≤15%）;航天航空行業則一般小于5%，管端中心偏差Δ控制（特殊管道≤1.5mm/m，當L超過3 m時，Δ≤5 mm;一般≤3mm/m，當L超過3 m時，Δ≤10 mm。

（2）7075G材料煨彎工藝要求分析

高強高韌7系列金相改制后鋁合金煨彎工藝，目前還沒有國家標準，行業內執行起來魚龍混雜，大的加工企業只有編制自己的企業標準臨時執行。

目前，高性能7075G材料的煨彎技術及工藝，國內還是空白。由于目標客戶的新能源客車輪轂支架管材外徑大都在100mm左右，屬超大管徑管材煨彎，目前國內常見的管材煨彎機均無法達到要求，進口數控煨彎機由于其程序設計上的缺陷均無法煨彎7075G較大外徑鋁合金的管材。

西安鋁輕新材料科技有限公司及合作伙伴西北鋁業有限公司通過多次試驗，研制并改裝了多套抱彎式滾輪彎管器冷彎煨彎機附件設施，目前還未編制企業標準，抱彎式煨彎機在拉伸過程中，材料的主要變形為，研制改裝后的抱彎型煨彎機基本參數如下：管材煨彎半徑：R40～R60;煨彎角度：45°～90°;送進速度：800～1100mm/s;旋轉速度：60°/s;由于7075G材料的特殊特性，煨彎機設備運行經過多次調試，得以保障7075G材料的成形試制，其外觀及性能均達到客戶要求。（應合作伙伴要求，新研制的大功率推彎式管材煨彎機結構及工作參數有一定的知識產權訴求）

2 結論

汽（客）車輕量化研究是汽車行業永恒的課題，高強高韌客車車架輕量化材料7075G的成功發明，為客車車架總成包括輪罩支撐煨彎技術奠定了輕量化試制的科學基礎。大型客車輪罩支撐煨彎技術的突破，大大推動了客車車架輕量化項目的研發進程。西安鋁輕公司項目團隊研制客車車架及其附件已經通過了各項機械性能的測試（部分性能測試由西安交通大學材料與科學工程學院試驗室完成）。

參考文獻

[1] 陳曉強，姜春鵬.常用力學性能的規范表達.金屬熱處理第38卷第8期.

[2] 黃曉艷，翁寧，陳鋒.金屬材料煨彎速度對管材截面橢圓度的影響[J].機械工程師.