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        6061鋁合金管件磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形變形規(guī)律研究*

        2022-07-16 01:54:52徐俊瑞王宇陽趙雨東王元豐汪強(qiáng)昆閆亮明
        航空制造技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:薄率管件成形

        徐俊瑞,李 毅,王宇陽,趙雨東,王元豐,汪強(qiáng)昆,閆亮明

        (1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)先進(jìn)輕金屬材料開發(fā)與加工防護(hù)教育部工程研究中心,呼和浩特 010051;3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)輕金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010051)

        零部件輕量化是航空業(yè)發(fā)展需求,這促進(jìn)了鋁合金管材及其構(gòu)件的應(yīng)用[1–2]。6061鋁合金管材的高質(zhì)量與高效成形工藝,對于航空制造具有重要的技術(shù)研究價值。磁脈沖成形就是順應(yīng)這一需求而迅速發(fā)展起來的鋁合金管材成形方法之一。

        磁脈沖成形是一種高速率成形技術(shù),其原理是利用線圈產(chǎn)生的磁場將洛倫茲力施加到工件上。與準(zhǔn)靜態(tài)過程相比,具有較高的應(yīng)變速率,能夠提高材料的成形極限[3]。研究表明,高成形速率可以將6061–T4鋁合金的成形極限提高兩倍以上[4]。在高成形速率下,慣性效應(yīng)抑制了頸縮過程中試樣的應(yīng)變梯度,從而使失效應(yīng)變增加[5]。

        目前,磁脈沖成形在管件上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)管件的脹形、縮頸和連接[6–8]。對放電能量預(yù)測[9]、管件長度與位置的選擇[10]和線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究[11],使管件磁脈沖成形理論愈加成熟。設(shè)計凹型線圈[12]或采用漸進(jìn)成形的方法[13]解決了傳統(tǒng)磁脈沖脹形存在的管件壁厚減小、軸向變形不均勻等問題。多向磁壓力的管件脹形工藝可以顯著增加軸向進(jìn)給量,減小拉應(yīng)力和壁厚減薄,因此可以獲得較高的脹形高度[14]。

        傳統(tǒng)的磁脈沖管件脹形依然存在著一些問題,線圈的大小受限于管直徑的大小,如成形效果受限于管材料的導(dǎo)電性,并且存在壁厚減薄嚴(yán)重、軸向變形不均勻等問題。本文采用管件磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形工藝,將磁脈沖成形與柔性脹形工藝相結(jié)合[15],用平板線圈代替螺旋線圈,利用其與驅(qū)動板產(chǎn)生的電磁力沖擊介質(zhì)從而使管件發(fā)生脹形。為了研究該工藝的可行性,在ANSYS中建立2D模型,選用6061鋁合金管件作為研究對象,通過仿真方法,研究管件脹形變形規(guī)律。

        1 管件脹形工藝及其結(jié)構(gòu)

        管件傳統(tǒng)磁脈沖脹形與磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。圖1(a)為管件傳統(tǒng)磁脈沖脹形結(jié)構(gòu),圖1(b)為管件磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形結(jié)構(gòu)。管件傳統(tǒng)磁脈沖脹形結(jié)構(gòu)中,螺線管線圈置于管件內(nèi)部,管件受線圈施加的瞬間電磁力作用,發(fā)生高速率脹形;磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形結(jié)構(gòu)利用平板線圈代替螺線管線圈,線圈中通過快速變化的電流,周圍產(chǎn)生變化的磁場,銅驅(qū)動板在變化的磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流并形成與線圈反向的磁場,銅驅(qū)動板受到電磁力作用驅(qū)動沖擊裝置向下運(yùn)動,介質(zhì)在沖擊作用下被壓縮變形,管件受到介質(zhì)變形的作用力發(fā)生塑形變形。此方法中平板線圈不受限于管內(nèi)徑大小。沖擊裝置包含帶有臺階的放大器和沖頭,為防止驅(qū)動板變形,臺階與沖頭部分選用鋼結(jié)構(gòu),高度為2mm,直徑與驅(qū)動板一樣。錐形部分大、小端直徑分別為84mm和24mm,底角為45°。依據(jù)曹增強(qiáng)等[16]的研究,放大器結(jié)構(gòu)采用臺階形式,旨為提高沖擊力作用。

        圖1 管件脹形結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tube bulging

        2 有限元模型

        2.1 電磁場模型

        利用ANSYS Multiphysics模塊,建立電磁場有限元模型(圖2(a)),采用ANSYS Multiphysics/LS–DYNA,建立變形場有限元模型 (圖2(b))。電磁場有限元模型中包含線圈、銅驅(qū)動板、近場空氣、遠(yuǎn)場空氣。線圈、銅驅(qū)動板、近場空氣采用PLANE13單元,遠(yuǎn)場空氣采用INFIN110單元。具體參數(shù)見表1。

        表1 材料屬性、單元類型和網(wǎng)格劃分Table 1 Material properties, element types and meshing

        圖2 管件磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形有限元模型Fig.2 Finite element model of medium bulging with magnetic pulse impacting of tube

        模擬中采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)EMF–20型電磁成形機(jī)參數(shù)[17],電容為100μF,最大能量為20kJ。線圈由截面為2mm×5mm的紫銅繞制而成,內(nèi)徑為15mm,匝數(shù)為30匝,每匝間隙為1mm。驅(qū)動板厚度通過趨膚深度確定,根據(jù)式(1)計算得到趨膚深度為1.48mm,考慮抵抗沖擊變形,選用厚3mm的驅(qū)動板。

        式中,μ為真空磁導(dǎo)率;δ為材料電導(dǎo)率;ω為放角頻率。

        通過計算,獲得磁脈沖成形等效電路中電阻R為0.04Ω,電感L為64.5×10–6H。利用公式(2)~(4)獲得線圈中電流的變化,將電流密度(電流/線圈截面積)加載于仿真模型中的線圈結(jié)構(gòu),有

        式中,Uc為放電電壓;β為放電電流衰減系數(shù);ω為角頻率;L為電感;R為電阻;C為電容。

        2.2 變形場模型

        本文以6061鋁合金管件為研究對象,管坯外徑為50mm,壁厚為1mm,長度為100mm。

        變形場有限元模型 (圖2(b))中包含線圈、銅驅(qū)動板、絕緣板、鋼板、沖擊裝置、壓板、介質(zhì)、下模、6061鋁合金管件、上約束模和下約束模。模型均采用PLANE162單元。

        磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形屬于高速率成形,需要考慮應(yīng)變率的影響,材料本構(gòu)模型選用Johnson–Cook模型[18]:

        式中,A為屈服應(yīng)力,MPa;B為應(yīng)變硬化模量,MPa;n為硬化系數(shù);Cs為應(yīng)變率敏感性系數(shù);T *為無量綱溫度;m為溫度軟化系數(shù);εp為等效塑性應(yīng)變;為無量綱應(yīng)變速率。

        模擬中不考慮溫度的影響,6061鋁合金材料的本構(gòu)模型參數(shù)參考劉再德等[18]的研究,見表2。管件與介質(zhì)的摩擦系數(shù)為0.2,管件與模具的摩擦系數(shù)為0.1[19]。

        表2 6061鋁合金Johnson–Cook本構(gòu)模型參數(shù)[18]Table 2 Johnson–Cook constitutive model parameters of 6061 aluminum alloy[18]

        介質(zhì)選用硅橡膠,本文介質(zhì)選用不可壓縮橡膠模型Mooney–Rivlin模型,介質(zhì)參數(shù)見表3[19–20]。

        表3 Mooney–Rivlin模型參數(shù)[19–20]Table 3 Mooney–Rivlin model parameters[19–20]

        3 結(jié)果分析

        3.1 管件脹形對比分析

        3.1.1 脹形輪廓與減薄率

        為了便于對比分析,設(shè)置傳統(tǒng)磁脈沖脹形與磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形的最大脹形高度相同,為4.45mm。管件和模具參數(shù)一致,脹形輪廓如圖3所示??梢钥闯?,磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形,除管件中心高度外,其他變形區(qū)域均高于傳統(tǒng)磁脈沖脹形。

        圖3 脹形輪廓對比Fig.3 Comparison of bulging contours

        盧永進(jìn)[21]指出,當(dāng)|Dmax–Dmin|≤ 0.2|Dmax|時滿足均勻變形,其中Dmax為最大節(jié)點(diǎn)位移,Dmin為最小節(jié)點(diǎn)位移,脹形時節(jié)點(diǎn)位移為正。由圖4可知最大節(jié)點(diǎn)位移為4.45mm,推出最小節(jié)點(diǎn)位移為3.56mm??捎嬎愠鰝鹘y(tǒng)磁脈沖脹形的均勻變形長度為8.2mm,磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形的均勻變形長度為10.1mm,較傳統(tǒng)脹形提高了23.17%。因介質(zhì)具有柔性作用,對管件的充填性比較好,有助于提高管件變形輪廓高度和均勻性。

        圖4為壁厚減薄率對比分析??梢钥闯?,磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形中間變形區(qū)域壁厚減薄率明顯低于傳統(tǒng)磁脈沖脹形;最大減薄率由傳統(tǒng)磁脈沖脹形的10.5%減少為8.5%。主要原因?yàn)榻橘|(zhì)對管件表面施加切向黏著力,當(dāng)管件變形時,切向黏著力會帶動管件上端向變形區(qū)域移動,對變形區(qū)域進(jìn)行軸向補(bǔ)料,從而避免管件的局部減薄。

        圖4 壁厚減薄率對比Fig.4 Comparison of thickness reduction rate

        將模擬結(jié)果與Ouyang等[22]傳統(tǒng)管件脹形試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,如圖5所示。利用本文的模擬方法,先進(jìn)行傳統(tǒng)磁脈沖脹形模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對比,結(jié)果偏差較小,表明模擬方法可行。與傳統(tǒng)磁脈沖脹形試驗(yàn)值對比發(fā)現(xiàn),磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形均勻性更好,均勻性長度由28mm提高到53mm,提高了將近1倍。結(jié)合圖3的變形輪廓圖,發(fā)現(xiàn)當(dāng)管件變形量與變形區(qū)域更大時,本工藝對管件均勻性提高更加顯著。

        圖5 模擬結(jié)果與Ouyang等[22]傳統(tǒng)管件脹形試驗(yàn)對比Fig.5 Simulation results are compared with traditional bulging test of Ouyang et al[22]

        3.1.2 塑性應(yīng)變與受力分析

        管件脹形塑性應(yīng)變對比如圖6所示。兩種工藝應(yīng)變最大區(qū)域均為管件最大變形處,磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形最大塑性應(yīng)變?yōu)?.169,傳統(tǒng)磁脈沖脹形為0.177,表明磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形可有效降低塑性應(yīng)變分布??傮w上,磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形環(huán)向和軸向應(yīng)變高于傳統(tǒng)磁脈沖脹形,且環(huán)向應(yīng)變?yōu)檎?,變形直徑變大;厚向?yīng)變小于傳統(tǒng)磁脈沖脹形,表明壁厚減薄小于傳統(tǒng)磁脈沖脹形。

        圖6 塑性應(yīng)變對比Fig.6 Plastic strain comparison

        圖7為管件磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形受力分析。介質(zhì)對管件產(chǎn)生壓力,壓力可以隨管件局部變形而迅速增加,建立起適用于管件變形的壓力。同時,介質(zhì)摩擦力f2會對管件進(jìn)行補(bǔ)料,控制局部減薄。脹形區(qū)受到徑向壓應(yīng)力σr、軸向壓應(yīng)力σz和環(huán)向拉應(yīng)力σθ作用,變形最大處應(yīng)力值分別為–14.6MPa、–61.3MPa和302.8MPa。直壁段受徑向壓應(yīng)力σr、軸向壓應(yīng)力σz(最大應(yīng)力值為–144.8MPa),以及介質(zhì)與管件之間的摩擦力f2和管件與模具之間的摩擦力f1,因受模具的限制環(huán)向不發(fā)生變形,故環(huán)向應(yīng)力σθ為0。圓角處受徑向壓應(yīng)力σr、軸向拉應(yīng)力σz(最大處應(yīng)力值為294.7MPa)、環(huán)向拉應(yīng)力σθ(最大處應(yīng)力值為284.3MPa)和摩擦力f2和f1。

        圖7 管件脹形受力分析(MPa)Fig.7 Analysis of force on tube bulging process (MPa)

        3.2 工藝參數(shù)對脹形的影響

        3.2.1 放電能量的影響

        為研究不同放電能量對管件成形的影響,將介質(zhì)高度固定不變。研究中選用30mm的介質(zhì)高度,放電能量分別設(shè)置為7.5kJ、8kJ、8.5kJ、9kJ、9.5kJ和10kJ。圖8為不同放電能量下管件變形區(qū)域的脹形輪廓??梢钥闯觯畲竺浶胃叨入S放電能量的增加而增加,膨脹率由7.5kJ時的8.92%,提高到10kJ下的16.04%。在7.5kJ時管件中心均勻變形長度為8.33mm,10kJ時為8.58mm。介質(zhì)高度不變時,放電能量增加,均勻變形長度變化較小。由于沖擊脹形時,管件下端受約束,上端受介質(zhì)黏著力作用向軸向補(bǔ)料,使得兩端圓角處的變形有不同。

        圖8 不同放電能量的脹形輪廓Fig.8 Bulging profile of different discharge energy

        圖9為不同放電能量下管件減薄率變化。放電能量7.5kJ時,脹形直徑小,管件中心區(qū)域壁厚減薄率較小。放電能量增加,減薄率增加。介質(zhì)高度不變,變形量增大,介質(zhì)難以充分填充變形區(qū)域,切向黏著力不足以對管件脹形區(qū)進(jìn)行充分補(bǔ)料,使管件的最大脹形處明顯減薄。最大減薄率發(fā)生在最大脹形直徑處,放電能量10kJ時為7.57%,是放電能量7.5kJ時的1.95倍。

        圖9 不同放電能量下的減薄率Fig.9 Thinning rate of different discharge energy

        當(dāng)放電能量增加到11.25kJ時,介質(zhì)高度不變,較大的電磁力會使沖擊裝置過度壓縮介質(zhì),使得介質(zhì)從上端壓板與管件之間溢出,導(dǎo)致成形失效,如圖10所示。

        圖10 放電能量為11.25kJ時管件脹形Fig.10 Tube bulging at 11.25kJ

        3.2.2 介質(zhì)高度的影響

        圖11為不同介質(zhì)高度下管件脹形最大高度變化。可以看出,低介質(zhì)高度對應(yīng)相對高的成形高度,但介質(zhì)高度太小,不足以使管件產(chǎn)生變形;介質(zhì)高度增加導(dǎo)致脹形高度下降,這是因?yàn)榉烹娔芰坎蛔?,增加介質(zhì)高度時,壓縮介質(zhì)需要更多的能量。

        圖11 不同介質(zhì)高度對成形的影響Fig.11 Effect of different medium heights on forming

        通過大量的模擬研究發(fā)現(xiàn),管件脹形高度對應(yīng)合適的介質(zhì)高度,介質(zhì)高度的選擇需在自由脹形區(qū)高度即為上下約束模具之間的距離 (本文自由脹形區(qū)域高度為29mm)的基礎(chǔ)上,隨管件的變形量增加而增加,增加的高度最少為管件最大脹形高度的兩倍。最大脹形高度大于等于5mm時,上述增加值可向上浮動2~3mm。

        下文進(jìn)行舉例分析。自由脹形區(qū)域高度為29mm,設(shè)計3種組合。組合1:脹形高度3mm,介質(zhì)高度35mm;組合2:脹形高度4.5mm,介質(zhì)高度38mm;組合3:脹形高度6mm,介質(zhì)高度43mm(上浮2mm)。3種組合下的脹形輪廓云圖如圖12所示。從等值線可以看出,隨著脹形高度的增加,中心變形區(qū)域的等值線在擴(kuò)大,均勻變形長度增加。通過計算,組合1的均勻變形長度為9.5mm,組合2為10.2mm,組合3為12.85mm。組合2均勻性相比于組合1提高了7.37%,組合3均勻性相比于組合2提高了26%。根據(jù)管件變形量,適當(dāng)增大介質(zhì)高度,能提高變形均勻性、模具圓角處貼模性,也可防止介質(zhì)頂端失效。

        圖12 3種組合的脹形輪廓Fig.12 Bulging contours of 3 kinds of combinations

        圖13為3種組合下的最大等效應(yīng)變。組合3的最大等效應(yīng)變?yōu)?.226,小于常溫下準(zhǔn)靜態(tài)6061鋁合金的極限應(yīng)變0.24[23];此時膨脹率為24%,高于常溫下的最大膨脹率(17.4%),而最大減薄率僅為12.73%。

        圖13 3種組合的最大等效應(yīng)變Fig.13 Maximum equivalent strain of 3 kinds of combinations

        4 結(jié)論

        (1)與傳統(tǒng)磁脈沖脹形對比,磁脈沖沖擊介質(zhì)脹形中變形輪廓增大,最大塑性應(yīng)變、減薄率降低,變形均勻長度增加;環(huán)向和軸向應(yīng)變高于傳統(tǒng)磁脈沖脹形,厚向應(yīng)變減小。管件與介質(zhì)之間的摩擦力對管件進(jìn)行補(bǔ)料,控制局部減薄。

        (2)放電能量增加,最大脹形高度增加;介質(zhì)高度不變時,放電能量增加,均勻變形長度變化較?。环烹娔芰吭龃?,減薄率增加;放電能量較大時,介質(zhì)從上端壓板與管件之間溢出,成形失效。

        (3)介質(zhì)高度增加,脹形高度降低;介質(zhì)高度太小,不足以使管件充分變形;最佳介質(zhì)高度為自由脹形區(qū)高度加上管件最大脹形高度的兩倍;最大脹形高度大于等于5mm時,增加值可向上浮動2~3mm;變形量增大,填充合適的介質(zhì)高度,能提高變形均勻性,也可防止介質(zhì)頂端失效。

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