押媛媛

摘 ? 要：固體顆粒介質(zhì)熱成形工藝是通過(guò)耐熱固體顆粒介質(zhì)代替現(xiàn)有軟模熱成形工藝中液體或氣體介質(zhì)的作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)輕合金管、板材構(gòu)件成形的工藝方法。該工藝的提出與研發(fā)對(duì)我國(guó)加工高強(qiáng)度、低塑性、難變形管材以及復(fù)雜形狀、高尺寸精度和表面質(zhì)量要求高的輕合金管狀構(gòu)件有著非常重要的意義，有巨大的潛力。本文針對(duì)該工藝中固體顆粒介質(zhì)進(jìn)行了熱態(tài)下的傳壓性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，希望為該工藝中顆粒介質(zhì)在數(shù)值模擬中分析模型的建立及該工藝的理論建模奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：固體顆粒介質(zhì) ?傳壓性能 ?熱成形

中圖分類號(hào)：TG386 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0093-03

Abstract： The hot forming technology of solid particle medium is to replace the role of liquid or gas medium in the hot forming technology of soft die by heat resistant solid particle medium to realize the forming technology of light alloy tube and plate members.The development of this technology is of great significance and great potential for the processing of high strength， low plasticity， hard deformation pipes and light alloy tubular members with complex shapes， high dimensional precision and high surface quality.In this paper， the experimental study on the pressure transfer performance of the solid medium in the thermal state is carried out， hoping to lay a foundation for the establishment of the analytical model of the solid medium in the numerical simulation and the theoretical modeling of the process.

Key Words： Solid granular media; Pressure transmission performance; Thermoforming

鋁、鎂等輕質(zhì)合金的延伸率以及變形能力等在常溫的工作條件下加工性能不理想，在常溫條件下如果采用傳統(tǒng)的脹形、沖壓和拉深等工藝加工形狀復(fù)雜的零部件，制出的零部件可能存在很多缺陷，影響零部件的質(zhì)量甚至直接報(bào)廢。但是通過(guò)了解金屬的性質(zhì)可知，隨著加工溫度的升高，鋁、鎂等輕質(zhì)合金的變形能力可以得到有效提高。另外，金屬的溫度升高以后它的變形抗力還會(huì)明顯降低，所以提高加工溫度可以降低加工設(shè)備所需要的能力要求。因此固體顆粒介質(zhì)熱成形工藝應(yīng)運(yùn)而生[1]。該工藝的出現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零部件在室溫條件下的成形有著重要意義，不但使加工出的零部件符合當(dāng)代工業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，還使我國(guó)在高性能、高附加值產(chǎn)品上長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面發(fā)生轉(zhuǎn)變。

為了能夠?qū)腆w顆粒介質(zhì)熱成形工藝有更深入的了解，需要構(gòu)建合適的固體顆粒介質(zhì)的理論和數(shù)值模擬模型，所以我們需要了解在熱狀態(tài)下，影響固體顆粒介質(zhì)的力學(xué)性能的因素以及變化規(guī)律。本文以設(shè)計(jì)的固體顆粒介質(zhì)傳壓性能試驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，通過(guò)介質(zhì)的粒徑，加工溫度，體積壓縮率等因素，對(duì)固體顆粒介質(zhì)（GM顆粒）熱態(tài)下的力學(xué)特性及傳壓規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 ?固體顆粒成形介質(zhì)的選用

固體顆粒介質(zhì)按內(nèi)部材料成分可以分為兩類，一類是金屬顆粒（Metallic Granules，簡(jiǎn)稱MG），另一類是非金屬顆粒（Non-metallic Granules，簡(jiǎn)稱NMG）[2]。本文選用NMG為研究對(duì)象，即在鋁合金管狀構(gòu)件熱脹形過(guò)程中所使用的傳壓介質(zhì)為NMG。由于內(nèi)部材料性質(zhì)的影響，NMG可以在中等溫度（350℃以下）范圍內(nèi)仍然具有比較穩(wěn)定的機(jī)械和化學(xué)性能。直觀的表現(xiàn)為NMG在熱膨脹的高壓環(huán)境中能夠保持顆粒間無(wú)粘結(jié)，且各顆粒擁有一定的硬度。為了滿足HGMF的工藝需求，滿足要求的NMG介質(zhì)的直徑為Φ0.05mm～Φ2mm，其中不同類型的顆粒如圖1所示。

2 ?試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

我們可以通過(guò)如圖2所示的固體顆粒介質(zhì)熱態(tài)傳壓性能試驗(yàn)裝置，達(dá)到了解上述固體顆粒介質(zhì)在熱態(tài)下的傳力特性的目的。本裝置的主要結(jié)構(gòu)包括：承壓筒、壓頭、減力柱、壓力傳感器和測(cè)試系統(tǒng)。為了對(duì)模具和固體顆粒有較好的加熱和保溫控制，在承壓筒內(nèi)共有四組控制反饋單元，每組控制反饋單元由相鄰的兩根加熱棒（Φ80mm×230mm）一個(gè)熱電偶組成。承壓筒內(nèi)還有十根壓應(yīng)力傳感器，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，傳感器需要等差均勻分布在承壓筒的兩個(gè)側(cè)壁上。該裝置通過(guò)伸出桿9、側(cè)擋板7、壓應(yīng)力傳感器8以及上下壓頭處分別設(shè)置的1200kN的壓力傳感器（1和13）可以實(shí)時(shí)測(cè)出上下壓頭力的大小，通過(guò)位移傳感器可以測(cè)得上壓頭的位移。

試驗(yàn)流程：先對(duì)加工時(shí)所用的NMG顆粒介質(zhì)加熱，為了確保所有NMG達(dá)到溫度，用接觸式溫度傳感器測(cè)量承壓筒5內(nèi)顆粒堆的中心部位，當(dāng)接觸式溫度傳感器的測(cè)試通道全部達(dá)到預(yù)期溫度時(shí)對(duì)其進(jìn)行保溫。在正式加壓前，使用接觸式溫度傳感器測(cè)量NMG的溫度，確保符合溫度要求。通過(guò)上壓頭2對(duì)NMG施加壓力，在加壓過(guò)程中，固體顆粒介質(zhì)通過(guò)伸出桿9將壓力傳遞給壓應(yīng)力傳感器8和下壓頭11，隨即可得到該溫度下承壓筒5和下壓頭11的壓力值以及上壓頭2的位移值。壓應(yīng)力傳感器的信號(hào)通過(guò)YD-28A型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀輸出，位移傳感器的信號(hào)通過(guò)5CB-10C型精密數(shù)字位移計(jì)將數(shù)據(jù)輸出，到此一組試驗(yàn)完成。通過(guò)改變固體顆粒的加熱溫度以及承壓筒5的高度可以得到多組數(shù)據(jù)，最后使用INV306N-6260型智能信號(hào)采集分析儀對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)中繼續(xù)處理。

3 ?試驗(yàn)結(jié)果及分析

選取8#顆粒、Φ60mm的料筒、100MPa壓力、有無(wú)減力柱為例進(jìn)行分析。通過(guò)得到的數(shù)據(jù)繪制折線圖，即繪制不同溫度不同位置高度的徑向壓力傳感器壓力值隨著壓頭位置的變化關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3（a）和（b）表示的是不同溫度下，沖頭壓力P0=100MPa的Φ60mm的料筒，壓頭形式為平?jīng)_頭的徑向傳壓系數(shù)隨徑向傳感器與上壓頭距離的變化曲線，兩者的區(qū)別在于有無(wú)減立柱。圖3（c）和（d）分別表示在沖頭壓力P0=60MPa的Φ60mm的料筒，壓頭形式為平?jīng)_頭，有減力柱和無(wú)減力柱情況的試驗(yàn)關(guān)系曲線。通過(guò)這四個(gè)曲線之間的聯(lián)系，可以得到徑向傳壓系數(shù)與溫度之間呈反比例關(guān)系。由圖3中（a）和（c）的曲線變化趨勢(shì)可以得知，在有減力柱輔助的情況下，當(dāng)徑向傳感器與上壓頭的距離在60～160mm范圍內(nèi)時(shí)，徑向傳壓系數(shù)隨溫度變化不明顯，且傳壓系數(shù)的衰減率變緩。當(dāng)上壓頭移動(dòng)到離徑向傳感器60mm以下范圍時(shí)，徑向傳壓系數(shù)對(duì)溫度的影響比較顯著;隨著工作溫度的升高，徑向傳壓系數(shù)逐漸降低，且傳壓系數(shù)的衰減率較大。通過(guò)圖3中（c）和（d）的關(guān)系曲線可以得出，在不裝配減力柱時(shí)，不同的加工溫度對(duì)徑向傳壓系數(shù)的影響明顯不同，隨著加工溫度的升高，傳壓系數(shù)的衰減率較緩、徑向傳壓系數(shù)逐漸降低。

固體顆粒在不同溫度不同壓力差下的性能可以通過(guò)固體顆粒的體積壓縮率來(lái)分析研究。這是由于固體顆粒之間存在縫隙且固體顆粒會(huì)發(fā)生彈性變形等因素，在壓頭逐漸下移的過(guò)程中，壓頭壓力逐漸增大，顆粒的體積隨之減小，因此體積壓縮率可以設(shè)為不同壓力下的行程值與初始裝料高度的比值。在施加壓力前，通過(guò)測(cè)得沖頭上端面到模具的距離，可以計(jì)算出初始裝料高度和體積。

由圖4可知，隨著上壓頭壓力值的增大，固體顆粒的體積壓縮率呈線性增長(zhǎng);在上壓頭壓力相等的情況下，溫度越高，體積壓縮率越小。

由圖5可知，體積壓縮率與上下壓頭壓力差成正比例關(guān)系，與加工溫度成反比例關(guān)系。

4 ?結(jié)語(yǔ)

（1）不同溫度下顆粒對(duì)筒壁的側(cè)壓會(huì)隨著顆粒深度的增加而衰減。

（2）顆粒介質(zhì)的體積壓縮率會(huì)隨上下壓頭壓力差的增大而逐漸升高，隨著溫度的升高而逐漸降低。

參考文獻(xiàn)

[1] Research on technological parameters of pressure forming with hot granule medium on AA7075 sheet[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：英文版， 2016（4）：765-777.

[2] 趙長(zhǎng)財(cái).固體顆粒介質(zhì)成形新工藝及其理論研究[D].燕山大學(xué)，2005.

[3] 陳曉華.AA5083管材顆粒介質(zhì)脹形工藝分析與試驗(yàn)研究[D].燕山大學(xué)，2016.