丁月霞，馬燕楠，郭 群，王 輝，馬福業(yè)，郭訓忠

（1.江蘇華陽金屬管件有限公司，鎮(zhèn)江 212400；2.南京航空航天大學先進材料及成形技術研究所，南京 211100；3.江蘇核能裝備材料工程實驗室，南京211100；4.南京航空航天大學材料科學與技術學院，南京 211100）

導管是現(xiàn)代軍機、民機上的關鍵部件之一，將各種介質輸送到飛機發(fā)動機、起落架、座艙等關鍵部位，滿足飛機包括燃油、氧氣、液壓、環(huán)境控制等方面的系統(tǒng)需求[1-3]。導管制造技術已經成為現(xiàn)代飛機制造的關鍵技術。飛機環(huán)境控制系統(tǒng)是眾多機載系統(tǒng)之一，它的主要作用是負責完成飛機座艙壓力、溫度、濕度、供氣量、空氣質量等參數的調節(jié)，承擔著為機上人員提供舒適工作環(huán)境的任務，環(huán)境調節(jié)系統(tǒng)能否正常工作對飛機整體運行起著至關重要的作用[4]。飛機環(huán)境控制系統(tǒng)所應用的導管通常具有形狀復雜多變、管壁較薄的特點，其中大部分是大直徑薄壁導管件，甚至是大直徑超薄壁導管件，特別是在大型民用客機上，大直徑薄壁導管零件所占的比例更高。目前，大直徑薄壁導管零件的制備主要采用數控彎曲技術[5-6]，但是采用數控彎曲技術制備的大直徑彎管存在著橫截面形狀畸變、回彈、彎曲變形區(qū)外側變薄、彎曲變形區(qū)內側增厚起皺等缺陷[7-9]，造成該類零件在實際服役過程中，極易產生彎曲變形區(qū)內側無法承受高壓而破裂的現(xiàn)象[10]。

本文首先采用有限元模擬的方法，對飛機環(huán)控系統(tǒng)用超薄壁彎管半片在拉深成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷進行預測，并基于模擬結果進行了實際的拉深成形試驗。另外，測試及分析了焊接后整管的局部微觀組織與承壓性能。

超薄壁彎管半片拉深成形模擬

1 材料本構模型的建立

采用單向拉伸試驗獲得了材料的真實應力-應變關系曲線，基于典型的本構關系擬合了基本成形性能參數，并通過相關系數這一重要指標進一步比較了不同本構關系的精確度。

通過單向拉伸試驗獲得的材料基本力學性能參數如表1所示，將獲得的工程應力-應變曲線轉換為真實應力-應變曲線，如圖1所示。

表1 6061鋁合金基本力學性能參數

圖1 退火態(tài)6061鋁合金真實應力-應變曲線Fig.1 Real stress-strain curve of annealed 6061 aluminum alloy

材料的應變硬化曲線是表征其塑性變形行為的重要途徑之一。由于試驗獲得曲線不便于直接應用，需采用一定的本構方程進行擬合后使用。目前，常用的材料應變硬化曲線方程主要有：

式中：σ為真實應力，ε為真實應變，k、B為應變硬化系數，ε0為初始應變，σy為屈服應力，R0、R1、b為待定的與材料相關的常數，n是應變硬化曲線上的指數，稱為應變硬化指數。一般說來，n值大的材料，成形零件厚度分布均勻，應變強化能力強，在危險斷面的承載能力得以強化。為比較不同本構方程對材料變形抗力的描述能力，對于退火態(tài)的6061鋁合金板材拉伸數據，用上述4種模型按最小二乘法進行擬合。用于擬合的試驗數據取自真實應力-應變曲線上0.2%～8%之間應變，計算結果如表2所示。

從表2所示的擬合結果可以看出，應變硬化曲線采用σ=σy+R0ε+R1[1-exp(-bε)]時，擬合相關系數r=0.9994，相比于其他3種方程都更接近于“1”，說明此方程與樣本曲線的重合度最高，相關性最好，所以將采用此方程作為退火態(tài)6061鋁合金板材的應變硬化曲線方程。

表2 不同本構方程應用結果比較

2 有限元數值模擬

（1）有限元模型的建立。

根據拉深成形工藝原理，對成形模具與板料直接接觸的工作面進行曲面建模，導入有限元軟件后劃分網格，如圖2所示。半片拉深成形的有限元模型中，包含凸模、凹模、板料及壓邊圈等部分。

（2）有限元計算結果。

圖3為采用較高的摩擦系數μ=0.125，同時采用大壓邊力F=100kN時的拉深成形有限元仿真結果。

從圖3所示的成形極限圖可知，當采用較大的摩擦系數以及大壓邊力時，彎管內弧靠近法蘭邊位置易出現(xiàn)連續(xù)拉裂的現(xiàn)象；同時，在外弧靠近法蘭邊的最外側也出現(xiàn)了明顯的斷裂現(xiàn)象。

圖2 半片拉深成形有限元模型Fig.2 Finite element model of half sheet deep drawing

圖3 μ=0.125、F=100kN時的拉深成形有限元仿真結果Fig.3 Finite element simulation results of deep drawing when μ=0.125， F=100kN

彎管內弧靠近法蘭邊位置之所以出現(xiàn)連續(xù)拉裂，是因為內弧處材料向型腔內流動受阻，受阻的本質原因在于板料與凹模之間的摩擦力過大。而摩擦力的大小則取決于壓邊力與摩擦系數的共同作用，所以在不改變摩擦系數的前提下，先通過調整壓邊力的大小以調整成形結果。當壓邊力縮小后，可以從圖4所示的結果中看到，拉深半片內弧處的連續(xù)斷裂消失，外弧兩端的材料拉裂完全消除。

盡管通過調整壓邊力可以消除連續(xù)斷裂，但是法蘭邊的材料起皺仍較為嚴重。為進一步改善成形效果，應采用較低的摩擦系數以考察成形效果。圖5為當摩擦系數為0.05，壓邊力為20kN時，內弧處的模擬結果。模擬顯示，斷裂區(qū)域進一步減少，在法蘭區(qū)域出現(xiàn)局部拉裂， 可通過后續(xù)工序切除。將多余的法蘭邊材料切除后，可以得到合格的半管零件。

上述模擬主要關注于內弧的拉裂，采用半片拉深成形，主要矛盾不在于起皺，而在于內弧處的拉裂。通過上述分析可知：實際成形時，應采用較大的壓邊力和較小的摩擦系數對板料進行成形。若采用較小的摩擦系數和較小的壓邊力，在外弧處將出現(xiàn)明顯的起皺，如圖6所示。

圖4 μ=0.125、F=20kN時的拉深成形有限元仿真結果Fig.4 Finite element simulation results of deep drawing when μ=0.125， F=20kN

圖5 μ=0.05、F=20kN時的拉深成形有限元仿真結果Fig.5 Finite element simulation results of deep drawing when μ=0.05， F=20kN

圖6 μ=0.05、F=10kN時的拉深成形有限元仿真結果Fig.6 Finite element simulation results of deep drawing when μ=0.05， F=10kN

實際成形零件組織性能研究

基于以上模擬結果，采用雙動拉深成形設備對6061鋁合金Ф202mm×1mm彎管半片進行實際拉深成形試驗，采用合適的壓邊力和潤滑條件對板料進行成形，成形后采用拉深模對其進行檢驗。圖7所示為半片拉深成形實際試驗結果。經測量，管材前后端直徑為Ф202.2mm、Ф202.5mm，管材中部直徑為Ф201.7mm；前端壁厚內外側分別為0.98mm及0.94mm，中部壁厚內外側分別為0.96mm及0.93mm，后端壁厚內外側分別為0.97mm及0.95mm。經驗證，試驗結果與模擬結果誤差較小，模擬參數準確度較高。

在完成沖壓半片之后，進行配套胎修整，后配套切割留余量，經酸洗及熒光滲透檢驗后，定位焊接修配，而后去余量焊接。焊接完成后實施X射線檢測，評判焊縫質量。

圖7 半片拉深成形實際試驗結果Fig.7 Experimental results of half sheet deep drawing

1 耐壓試驗及爆破試驗結果分析

6061鋁合金Ф202mm×1mm異型管的耐壓試驗及爆破試驗后的導管實物圖片如圖8所示，爆破試驗結果如圖9所示。

圖8 爆破后焊接彎管Fig.8 Welding elbow after blasting

圖9 6061鋁合金焊接彎管爆破試驗結果Fig.9 Blasting results of 6061 aluminum alloy welding elbow

從圖8及圖9所示的爆破試驗結果可知，Ф202mm×1mm焊接彎管在測試壓力最低為1.2MPa時出現(xiàn)了明顯的破壞，而該類管件的最低爆破壓力值遠高于工作壓力0.45MPa，說明其能夠承受的破壞極限值滿足實際使用要求（測試壓力大于工作壓力的2倍），并且據實物觀測，斷裂位置均產生于彎管內弧位置。

Ф202mm×1mm焊接彎管在內側出現(xiàn)破壞，主要是在半片拉深成形過程中，內側反而出現(xiàn)了過度減薄現(xiàn)象（從模擬結果中可以看出）。另外在進行液壓爆破試驗時，材料的破壞極限主要取決于（2t/D）×σb。所以從該經驗公式可知，外徑越大，壁厚越薄，能夠承受的破壞極限值越小。

2 微觀組織分析

由于爆破后的異型管普遍破壞在內弧位置而很少出現(xiàn)在外弧位置，故對其內外弧位置的微觀組織進行了分析。從圖10（a）中可以看出，內弧位置熱影響區(qū)的晶粒尺寸遠大于基體及焊縫處。對金屬的常溫力學性能來說，晶粒越細小，其強度和硬度越高，同時塑性與韌性也越好。由于熱影響區(qū)的晶粒尺寸遠大于基體及焊縫處，故相應的力學性能較差，在進行爆破試驗時，在各處壓力均等時，成為最先失效部位。從圖10（b）中可以看出，外弧位置熱影響區(qū)的晶粒尺寸遠小于內弧位置，外弧位置相應力學性能優(yōu)于內弧位置，所以最先失效位置通常出現(xiàn)在內弧位置，微觀組織分析結果與宏觀試驗結果是基本吻合的。

圖10 6061超薄壁鋁合金管彎曲段金相照片F(xiàn)ig.10 Metallographic photos of 6061 aluminum alloy thin wall tube

結論

（1）采用半片拉深工藝成形彎管半片沖壓件時，應采用較大的壓邊力和較小的摩擦系數對板料進行成形。若采用較小的摩擦系數和較小的壓邊力，在外管的外弧處將出現(xiàn)明顯的起皺現(xiàn)象。

（2）實際制造的6061鋁合金Ф202mm×1mm異型管最低爆破壓力值為1.2MPa，其實際工作壓力為0.45MPa，管件承受的破壞極限值滿足實際使用要求。

（3）熱影響區(qū)的晶粒尺寸遠大于基體及焊縫處，故相應的力學性能較差，在進行爆破試驗時，在各處壓力均等時，成為最先失效部位。

[1]李光俊， 蘭勇， 孫林， 等.柔性組合夾具在飛機導管數字化快速制造中的應用[J].航空制造技術， 2012(9)：58-61.

LI Guangjun， LAN Yong， SUN Lin， et al.Application of flexible modular fixture in the rapid manufacture of aircraft conduit[J].Aeronautical Manufacturing Technology， 2012(9)：58-61.

[2]劉穎， 張海艷， 趙海濤， 等.航空用不銹鋼焊接導管的損傷容限研究[J].航空制造技術 ， 2012(13)：94-97.

LIU Ying， ZHANG Haiyan， ZHAO Haitao，et al.Study on the damage tolerance of the welded pipe of the stainless steel for aviation[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2012(13)：94-97.

[3]壽榮中， 何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社， 2004.

SHOU Rongzhong， HE Huishan.Aircraft environmental control[M].Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2004.

[4]李振強.大直徑薄壁導管數控彎曲回彈解析及工藝數據庫[D].西安： 西北工業(yè)大學， 2007.

LI Zhenqiang.Springback analysis and process database of large diameter and thin wall pipe numerical control bending[D].Xi’an：Northwestern Polytechnical University， 2007.

[5]ADIB A M L， BAPTISTA C A R P， BARBOZA M J R， et al.Aircraft engine bleed system tubes： material and failure mode analysis[J].Engineering Failure Analysis，2007，14(8)：1605-1617.

[6]許旭東， 李光俊.飛機導管數字化生產線探討[J].航空制造技術， 2005(9)：83-89.

XU Xudong， LI Guangjun.Discussion on digital production line of aircraft conduit[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2005(9)：83-89.

[7]YANG H， LIN Y.Wrinkling analysis for forming limit of tube bending processes[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，152(3)：363-369.

[8]LI H， SHI K P， YANG H， et al.Numerical control bending springback of 6061-T4 thin wall aluminum alloy tube[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，22(S2)：357-363.

[9]金先玉， 李華冠， 凌娟， 等.6061鋁合金超薄壁管的充液壓彎數值模擬與試驗[J].塑性工程學報， 2015(5)：69-75.

JIN Xianyu， LI Huaguan， LING Juan， et al.Numerical simulation of hydro bending and test 6061 aluminum alloy thin wall tube[J].Journal of Plasticity Engineering， 2015(5)：69-75.

[10]MATSUHASHI S.Fatigue tests of welded aircraft tubes[J].Journal of the Japanese Welding Society， 1941，11(8)：293-294.