朱成成,李凡,趙升噸,李帥鵬,董淵哲,孟德安
AA5052鋁合金筒體對(duì)輪強(qiáng)力旋壓力學(xué)性能演化規(guī)律
朱成成1a,李凡2,趙升噸2,李帥鵬3,董淵哲1a,孟德安1b
(1.長(zhǎng)安大學(xué) a.工程機(jī)械學(xué)院;b.汽車(chē)學(xué)院,西安 710064;2.西安交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,西安 710049;3.中信建投證券股份有限公司,西安 710001)
研究AA5052鋁合金筒體在對(duì)輪強(qiáng)力旋壓工藝下的材料變形規(guī)律和性能演化機(jī)理。以AA5052鋁合金對(duì)輪強(qiáng)力旋壓件為研究對(duì)象,通過(guò)單軸拉伸、硬度測(cè)試和金相觀察等方法,獲得材料強(qiáng)度、硬度和微觀組織在對(duì)輪旋壓過(guò)程中的變化規(guī)律。對(duì)輪旋壓后,AA5052鋁合金材料的微觀組織發(fā)生顯著改變,材料各向異性明顯,晶粒被拉長(zhǎng)形成流線,筒壁內(nèi)外側(cè)的晶粒比心部晶粒變形大,筒體硬度隨著對(duì)輪旋壓減薄率的增加而增大,筒體內(nèi)外側(cè)硬度高、心部硬度低,差值達(dá)2.9HV,經(jīng)對(duì)輪旋壓后材料斷裂強(qiáng)度提高了11.51%,而斷裂伸長(zhǎng)率減小了46.43%。對(duì)輪強(qiáng)力旋壓技術(shù)適于AA5052鋁合金筒體加工,可顯著改善材料力學(xué)性能,獲得兩側(cè)強(qiáng)度高的薄壁筒體。
鋁合金;對(duì)輪強(qiáng)力旋壓;力學(xué)性能;硬度;微觀組織
大型薄壁筒體是航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)件,多由卷焊、拼焊等傳統(tǒng)技術(shù)制造,這種加工方式存在效率低、成本高、精度差等問(wèn)題[1]。近年來(lái),國(guó)外開(kāi)發(fā)了針對(duì)大型薄壁筒體結(jié)構(gòu)件的對(duì)輪強(qiáng)力旋壓加工技術(shù),以大直徑的厚壁短筒為坯料,由成對(duì)的內(nèi)外旋輪沿軸向擠壓旋轉(zhuǎn)中的坯料以獲得長(zhǎng)薄壁筒體。對(duì)輪強(qiáng)力旋壓技術(shù)的旋輪尺寸小、位置靈活可調(diào),具有柔性好、加工范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn),克服了傳統(tǒng)加工技術(shù)的不足,得到了越來(lái)越多的關(guān)注[2]。
目前對(duì)輪強(qiáng)力旋壓技術(shù)尚處于初步研究階段,許多問(wèn)題亟待解決。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的研究包括對(duì)輪旋壓筒體精度預(yù)測(cè)[3]、旋壓裝置研發(fā)[4]、微觀組織演化探知[5]、材料變形原理揭示[6-7]、工藝拓展[8-9]等,均針對(duì)高強(qiáng)度和高韌性的特種材料,如AA2195鋁合金、30CrMnSiA鋼[10-11]。目前對(duì)輪強(qiáng)力旋壓加工領(lǐng)域仍缺少面向常規(guī)金屬材料的工藝和性能研究。文中以典型工業(yè)材料AA5052鋁合金為研究對(duì)象,通過(guò)研究對(duì)輪強(qiáng)力旋壓過(guò)程中AA5052鋁合金筒體的材料變形和力學(xué)性能演化規(guī)律,確定工藝可行性,為同類(lèi)加工提供依據(jù)。
通過(guò)元素測(cè)試、硬度測(cè)試、金相觀察、單軸拉伸和壓縮試驗(yàn)等手段研究AA5052鋁合金筒體在對(duì)輪強(qiáng)力旋壓過(guò)程中微觀組織和力學(xué)性能的演化規(guī)律。
在室溫條件下,在全電伺服對(duì)輪旋壓裝置上開(kāi)展AA5052鋁合金筒體的對(duì)輪強(qiáng)力冷旋壓試驗(yàn),以獲得材料性能測(cè)試所需工件。對(duì)輪旋壓裝置內(nèi)外旋輪為相同的雙錐面旋輪,筒體坯料固定于底部轉(zhuǎn)盤(pán)。旋壓前,將潤(rùn)滑脂均勻涂抹于筒形件內(nèi)外側(cè)加工區(qū)。各旋輪軸向擠壓旋轉(zhuǎn)中的坯料,實(shí)現(xiàn)對(duì)輪強(qiáng)力旋壓,如圖1所示,其中轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為4.19 rad/s,旋輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn),旋輪軸向進(jìn)給速度為1 mm/s。文中共開(kāi)展了2種不同壁厚減薄率的旋壓試驗(yàn),旋壓件的壁厚減薄率分別為35%和56%。其中,試驗(yàn)1通過(guò)2道次加工獲得壁厚減薄率為35%的筒體;試驗(yàn)2通過(guò)多道次旋壓獲得壁厚減薄為56%的筒體。所使用的AA5052鋁合金筒體坯料直徑為720 mm,壁厚為10 mm,由板材卷焊方式制造,且焊縫用砂紙打磨光滑,頂端尖角倒鈍。
元素組成決定了材料的基本微觀組織和力學(xué)性能,故需首先測(cè)定所用材料的成分。使用X射線熒光光譜儀(XRF)和能譜儀(EDS)檢測(cè)AA5052鋁合金原材料元素。AA5052鋁合金EDS分層圖如圖2所示,結(jié)果表明,該材料中Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%,Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.72%。AA5052鋁合金的合金元素含量較低,呈現(xiàn)出延展性良好、強(qiáng)度低、不能熱處理強(qiáng)化的特性[12],作為結(jié)構(gòu)件使用時(shí),需強(qiáng)化材料性能以增強(qiáng)其承載能力。故通過(guò)對(duì)輪強(qiáng)力旋壓進(jìn)行形變強(qiáng)化對(duì)提升該材料的使用性能具有重要意義[13-14]。
圖1 AA5052鋁合金筒體對(duì)輪強(qiáng)力旋壓試驗(yàn)
圖2 AA5052鋁合金EDS分層圖
材料的彈性及塑性特性包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等,是表征對(duì)輪強(qiáng)力旋壓前后材料力學(xué)性能的重要參數(shù),為衡量工件使用性能的必要指標(biāo),可通過(guò)單軸拉伸和壓縮試驗(yàn)測(cè)定。通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)可獲得對(duì)輪旋壓前后AA5052鋁合金材料的彈性及塑性性能變化規(guī)律,通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)可獲得對(duì)輪旋壓前后材料力學(xué)性能方向性的變化規(guī)律。單軸拉伸和壓縮試驗(yàn)均在Instron萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成。
硬度為另一個(gè)重要的材料力學(xué)性能指標(biāo),表征了材料抵抗外界侵入的能力,為材料屈服、塑性變形等特性的綜合體現(xiàn),對(duì)工件承載能力、耐磨性均有重要影響。材料的大變形加工可引發(fā)硬度變化,需研究對(duì)輪強(qiáng)力旋壓對(duì)筒體材料硬度的影響規(guī)律。通過(guò)顯微硬度計(jì)測(cè)定了AA5052鋁合金筒體在對(duì)輪旋壓前后的硬度變化情況,測(cè)試設(shè)備為HV–1000B維氏硬度計(jì),生產(chǎn)商為煙臺(tái)華銀。試驗(yàn)中使用金剛石正四棱錐體壓頭,壓力值為2 000 N,測(cè)試時(shí)間為20 s,試驗(yàn)測(cè)定壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后,即可計(jì)算出顯微硬度值,如圖3所示,AA5052鋁合金筒體原材料三點(diǎn)測(cè)試的硬度數(shù)據(jù)均值為56.2HV。
圖3 AA5052鋁合金原材料顯微硬度測(cè)試
通過(guò)對(duì)輪強(qiáng)力旋壓試驗(yàn)獲得了目標(biāo)筒體工件。文中以壁厚減薄率35%的對(duì)輪強(qiáng)力旋壓件為主要研究對(duì)象。AA5052鋁合金筒體經(jīng)對(duì)輪強(qiáng)力旋壓后,實(shí)際壁厚由原來(lái)的10 mm減為6.57 mm,減薄率為34.3%,接近于理論減薄率35%,故用理論減薄率代替實(shí)際減薄率。
微觀組織決定了材料的使用性能,且不同加工方法對(duì)AA5052鋁合金的微觀組織有不同的影響[15-16]。在對(duì)輪強(qiáng)力旋壓過(guò)程中,筒體材料發(fā)生的大壓縮及剪切變形顯著改變了材料微觀組織和力學(xué)性能,故以對(duì)輪強(qiáng)力旋壓過(guò)程中的微觀組織變化規(guī)律為首要研究目標(biāo)。通過(guò)機(jī)械拋光、電解拋光和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的HF酸腐蝕獲得的AA5052鋁合金原始金相如圖4所示,可以發(fā)現(xiàn),組織以粗大等軸晶為主,晶粒平均尺寸為63.36 μm。
圖4 AA5052鋁合金原始微觀組織
經(jīng)對(duì)輪旋壓后,材料晶粒沿軸向被顯著拉長(zhǎng),發(fā)生類(lèi)似于冷軋材料微觀組織的變化[17]。對(duì)輪旋壓工件邊緣為接觸條件及摩擦作用復(fù)雜的旋輪工作區(qū),與心部區(qū)域的材料變形狀況不同。35%減薄率的AA5052鋁合金對(duì)輪旋壓件的微觀組織如圖5所示,可看到旋壓件邊緣和心部的晶粒均被拉長(zhǎng),且存在較多第二相顆粒,旋壓件內(nèi)外側(cè)的晶粒較心部的晶粒更為細(xì)長(zhǎng)和均勻,與傳統(tǒng)芯模旋壓的單側(cè)變形組織不同。其中旋壓件邊緣的晶粒被拉長(zhǎng)至143.98 μm,為絲狀;心部晶粒的長(zhǎng)度約為79.98 μm,為帶狀。對(duì)輪旋壓件內(nèi)外側(cè)邊緣材料的變形程度大于心部,位錯(cuò)密度更高、冷作硬化更明顯,導(dǎo)致材料硬度沿筒體壁厚方向變化。這些絲狀、帶狀的晶粒也使旋壓件呈現(xiàn)力學(xué)各向異性[18]。
AA5052鋁合金筒體對(duì)輪旋壓后,材料硬度變化明顯。沿徑向切開(kāi)壁厚為6.57 mm的旋壓筒體后,自?xún)?nèi)而外測(cè)量斷面各處的硬度。取間距為1.54 mm的5個(gè)共線點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試,如圖6所示,其中點(diǎn)在筒體內(nèi)表面,點(diǎn)在筒體中面,點(diǎn)在筒體外表面。所得筒體內(nèi)表面的硬度為58.9HV,中面硬度為57.1HV,外表面硬度為60HV,端面平均硬度為58.5HV。相比原材料56.2HV的硬度,對(duì)輪強(qiáng)力旋壓將AA5052鋁合金的平均硬度提高了2.3HV,相對(duì)提高了4.1%。筒壁內(nèi)外表面硬度高、心部硬度低,最大差值達(dá)到了2.9HV。由于筒體心部的變形較小、材料強(qiáng)化作用較弱,晶粒筒壁心部較原材料的硬度僅提高了0.9HV,這種硬度分布規(guī)律是由對(duì)輪旋壓材料的非均勻變形導(dǎo)致的。筒體兩側(cè)均為加工區(qū)域,材料變形大于筒體心部,且外側(cè)的減薄率略大于內(nèi)側(cè),導(dǎo)致各處晶粒變形程度、位錯(cuò)密度均不同,宏觀表現(xiàn)為硬度的差異。最終旋壓件呈現(xiàn)出兩側(cè)硬度高、中間硬度低的特征。
圖5 對(duì)輪強(qiáng)力旋壓件邊緣區(qū)域與心部微觀組織
圖6 對(duì)輪旋壓件硬度測(cè)試
旋壓件的硬度不僅與取樣位置有關(guān),還與旋壓減薄率直接相關(guān)。AA5052鋁合金對(duì)輪旋壓件硬度與減薄率的關(guān)系如圖7所示。鋁合金材料的硬度隨著對(duì)輪旋壓減薄率的增加而增大。當(dāng)旋壓件減薄率從35%增加至56%時(shí),AA5052鋁合金的顯微硬度從58.5HV增加到84.2HV,提高了25.7HV。材料硬度增高、塑性下降顯著,表現(xiàn)為旋壓力顯著增大,且旋壓筒體表面開(kāi)始出現(xiàn)材料剝落,產(chǎn)生了細(xì)小的薄鋁皮。內(nèi)在機(jī)理為在大減薄率條件下,材料晶粒被嚴(yán)重拉長(zhǎng),產(chǎn)生了位錯(cuò)塞積,變形抗力和損傷度增大,局部筒體表面材料達(dá)到了斷裂閾值,并發(fā)生斷裂,鋁合金筒體對(duì)輪旋壓難以繼續(xù)進(jìn)行。因此,對(duì)輪旋壓減薄率達(dá)到一定程度后,必須退火軟化材料、提高材料塑性,才能進(jìn)行后續(xù)加工。
圖7 對(duì)輪旋壓件硬度與減薄率關(guān)系
對(duì)輪旋壓工藝對(duì)材料的力學(xué)性能有顯著影響。沿軸向切割旋壓件和原材料得到的拉伸試樣尺寸如圖8a所示,該試樣形狀特殊,寬度小、厚度大,與傳統(tǒng)板材拉伸試樣不同。試樣的變形區(qū)長(zhǎng)度為25 mm,寬度為2 mm。2種試樣僅厚度方向尺寸有差異,旋壓件試樣厚度為6.57 mm,寬度與厚度的比值為0.3;原材料試樣厚度為10 mm,寬度與厚度的比值為0.2。2種拉伸試樣寬度與厚度的比值差異極小,對(duì)材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)特性的影響均可忽略不計(jì)[19-20]。旋壓件和原材料試樣的拉伸結(jié)果如圖8b所示,二者的斷裂特性(包括斷裂伸長(zhǎng)量和斷口特征)有明顯差異。通常AA5052鋁合金在各種應(yīng)力條件下均為韌性斷裂,但對(duì)輪強(qiáng)力旋壓改變了其斷裂特性[21]。AA5052鋁合金的斷裂伸長(zhǎng)量自原材料的0.28 mm下降至旋壓件的0.15 mm,減少了46.43%。原材料試樣的斷面傾斜于試樣拉伸方向,為剪切斷口,由剪應(yīng)力導(dǎo)致。旋壓件試樣的斷面平直,伴隨顯著的頸縮和韌窩,為頸縮杯錐狀斷口,由正應(yīng)力導(dǎo)致。對(duì)輪旋壓加工顯著改變了材料的微觀組織,使材料發(fā)生了晶粒變形、產(chǎn)生了大量位錯(cuò)、提高了損傷度,導(dǎo)致材料在相同變形條件下更容易發(fā)生局部失穩(wěn),產(chǎn)生頸縮,發(fā)生斷裂。
圖8 單軸拉伸試樣及結(jié)果
采用應(yīng)力–應(yīng)變曲線對(duì)比旋壓件和原材料的力學(xué)性能差異,二者的單軸拉伸真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖9所示,其彈性、塑性行為和斷裂行為均不同。AA5052鋁合金的拉伸曲線沒(méi)有明顯屈服點(diǎn),以條件屈服強(qiáng)度0.2代替屈服強(qiáng)度s。采用常用的Hollomon硬化方程建立2種試樣的應(yīng)力–應(yīng)變模型,該方程如式(1)所示。原材料的強(qiáng)度因子為426,硬化指數(shù)為0.37,旋壓件的強(qiáng)度因子為482,硬化指數(shù)為0.22。在相同應(yīng)變條件下,旋壓件應(yīng)力顯著大于原材料應(yīng)力,且旋壓件的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度均顯著高于原材料的對(duì)應(yīng)值。旋壓件和原始材料的屈服強(qiáng)度分別為178.90 MPa和62.23 MPa,對(duì)輪旋壓后材料的屈服強(qiáng)度提升了187.48%,材料的斷裂強(qiáng)度也由原材料的246.13 MPa提高至旋壓件的274.45 MPa,提升了11.51%,但材料斷裂伸長(zhǎng)量減少了46.43%。對(duì)輪旋壓有顯著的材料強(qiáng)化特性和韌性劣化特性,加工過(guò)程中晶粒和位錯(cuò)變化劇烈,冷作硬化效果顯著。以斷裂極限之前的區(qū)域?yàn)闊o(wú)損變形區(qū),斷裂極限之后的區(qū)域?yàn)閾p傷演化區(qū),旋壓件的無(wú)損變形區(qū)小于原始材料的無(wú)損變形區(qū)。故達(dá)到斷裂極限后,原材料損傷演化極為迅速,斷口呈剪切斷裂狀態(tài),而旋壓件試樣損傷演化過(guò)程較長(zhǎng),呈現(xiàn)頸縮杯突狀斷口。
圖9 對(duì)輪強(qiáng)力旋壓件與原始材料的拉伸應(yīng)力–應(yīng)變曲線
式中:為應(yīng)力;為強(qiáng)度因子;為應(yīng)變;為加工硬化指數(shù)。
壓縮性能表征了材料壓力加工的變形能力,材料力學(xué)性能各向異性對(duì)工件加工精度、使用性能都至關(guān)重要。故采用單軸壓縮試驗(yàn)研究材料經(jīng)對(duì)輪旋壓后的壓縮性能和力學(xué)性能各向異性的變化規(guī)律。沿軸向在旋壓件和原材料上切割直徑為6 mm、高為10 mm的圓柱試樣,并將試樣壓縮至5.3 mm高,結(jié)果如圖10a所示,旋壓件和原材料的試樣壓縮后所得形狀略有不同。各向同性材料的力學(xué)性能與方向無(wú)關(guān),圓柱試樣單軸壓縮后端面為正圓,可用Tresca、Mises等屈服準(zhǔn)則建立本構(gòu)模型;各向異性材料的屈服面呈現(xiàn)方
向性,圓柱試樣單軸壓縮后端面為橢圓等非圓形狀,需用Hill、Barlat等屈服準(zhǔn)則建立本構(gòu)模型,壓縮件端面形狀不對(duì)稱(chēng)性越強(qiáng),各向異性越嚴(yán)重。原材料試樣壓縮后,截面為近似圓形的橢圓,長(zhǎng)短徑分別為8.70 mm和7.98 mm,長(zhǎng)短徑的比值為1.09,說(shuō)明原材料存在一定的各向異性。旋壓件試樣壓縮后,截面呈長(zhǎng)橢圓形,長(zhǎng)短徑約為9.08 mm和7.62 mm,長(zhǎng)短徑的比值為1.19。旋壓件的長(zhǎng)徑比原料長(zhǎng)徑大4.37%;旋壓件的短徑比原材料短徑小4.51%。表明通過(guò)對(duì)輪旋壓加工之后,AA5052鋁合金各向異性顯著增強(qiáng),材料力學(xué)性能不均勻。在對(duì)輪旋壓過(guò)程中,材料處于近似平面應(yīng)變的變形狀態(tài),以軸向伸長(zhǎng)和徑向壓縮變形為主,因此材料會(huì)發(fā)生特異的晶粒變形和位錯(cuò)堆積,使材料呈現(xiàn)宏觀的力學(xué)各向異性。旋壓件與原材料試樣壓縮的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖10b所示。AA5052鋁合金的壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大。2種試樣的彈性模量相等,但旋壓件的屈服點(diǎn)較高。原材料和旋壓件的屈服強(qiáng)度分別為195 MPa和269 MPa,旋壓件較原材料屈服強(qiáng)度提高了37.95%。在相同應(yīng)變條件下,旋壓件的應(yīng)力比原材料的應(yīng)力更高。例如,當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.4時(shí),原材料和旋壓件的應(yīng)力分別為774 MPa和1 231 MPa。對(duì)輪旋壓可明顯提升材料的壓縮強(qiáng)度。
圖10 旋壓件及原材料的壓縮試驗(yàn)
通過(guò)對(duì)輪強(qiáng)力旋壓試驗(yàn),獲得了典型鋁合金材料AA5052筒體在加工過(guò)程中力學(xué)性能的演化規(guī)律,驗(yàn)證了該工藝的可行性,得到結(jié)論如下。
1)AA5052鋁合金筒體材料的硬度隨著對(duì)輪旋壓減薄率的增加而增大,當(dāng)減薄率從原始材料的0增加到56%時(shí),硬度從56.2HV變?yōu)?4.2HV;對(duì)輪旋壓筒體呈現(xiàn)內(nèi)外側(cè)硬度高、心部硬度低的特征,差值可達(dá)2.9HV。
2)在對(duì)輪強(qiáng)力旋壓后,AA5052鋁合金材料的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度顯著提高,其中拉伸屈服強(qiáng)度提高了187.5%、斷裂強(qiáng)度提高了11.5%,材料的斷裂伸長(zhǎng)率下降明顯。旋壓件的長(zhǎng)徑比原料長(zhǎng)徑大4.37%;旋壓件的短徑比原材料短徑小4.51%,對(duì)輪旋壓后材料的各向異性增強(qiáng)。
3)在對(duì)輪強(qiáng)力旋壓后,AA5052鋁合金微觀組織顯著改變,晶粒被拉長(zhǎng)并形成流線,對(duì)輪旋壓中心部位材料與兩側(cè)存在明顯差異,導(dǎo)致了非均勻的冷作硬化和材料力學(xué)性能各向異性。
[1] 張立武, 韓冬, 王常建. 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)金屬件制造技術(shù)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2016: 1-20.
ZHANG Li-wu, HAN Dong, WANG Chang-jian. Manufacturing Technology of Solid Rocket Motor Metal Parts[M]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press, 2016: 1-20.
[2] ZHU Cheng-cheng, ZHAO Sheng-dun, LI Shuai-peng, et al. Comparison of Mandrel and Counter-Roller Spinning Methods for Manufacturing Large Sheaves[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 100(1): 409-419.
[3] 王大力, 郭亞明, 李亦楠, 等. 大型薄壁筒形件對(duì)輪旋壓成形數(shù)值模擬及成形精度分析[J]. 鍛壓技術(shù), 2020, 45(3): 47-55.
WANG Da-li, GUO Ya-ming, LI Yi-nan, et al. Numerical Simulation and Forming Precision Analysis on Counter-Roller Spinning for Large Thin-Walled Cylindrical Parts[J]. Forging & Stamping Technology, 2020, 45(3): 47-55.
[4] 徐文臣, 矯健, 陳宇, 等. 立式四對(duì)輪新型旋壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析[J]. 鍛壓技術(shù), 2019, 44(1): 102-112.
XU Wen-chen, JIAO Jian, CHEN Yu, et al. Analysis on Design and Optimization of a New Vertical Counter-Roller Spinning Machine with Four Pairs of Rollers[J]. Forging & Stamping Technology, 2019, 44(1): 102-112.
[5] LP T, DOMACK M S, WAGNER J A. Microstructural and Mechanical Characterization of Shear Formed Aluminum Alloys for Airframe and Space Applications[J]. Materials Science Forum, 2000, 403(331): 489-494.
[6] ZHU C C, ZHAO S D, ZHANG Q. An Algorithm of Counter-Roller Flow-Forming Force[C]// 7th International Conference on Tube Hydroforming, Xi'an, 2015.
[7] GUO Ya-ming, LI Ming-zhe, WANG Da-li, et al. Research on the Power Spinning Method of Large High-Strength Cylindrical Parts[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 104(1/2/3/4): 1005-1016.
[8] ABD-ELTWAB A A, EL-ABDEN S, AHMED K I, et al. An Investigation into Forming Internally-Spline Sleeves by Ball Spinning[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2017, 134: 399-410.
[9] ZHANG H R, ZHAN M, GUO J, et al. Forming the Transverse Inner Rib of a Curved Generatrix Part through Power Spinning[J]. Advances in Mavufacturing, 2019, 7(1): 105-115.
[10] 孫于晴, 韓冬, 楊延濤, 等. 大直徑30CrMnSiA筒形件對(duì)輪旋壓成形過(guò)程的數(shù)值模擬[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2018, 53(6): 89-94.
SUN Yu-qing, HAN Dong, YANG Yan-tao, et al. Research on Precision of Spinning Forming of Large Diame-Ter 30CrMnSiA Cylinder[J]. China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology, 2018, 53(6): 89-94.
[11] LI Fan, ZHAO Sheng-dun, ZHU Cheng-cheng, et al. Influence of Process Parameters on the Forming Results of Large-Sized Cylindrical Parts during Counter-Roller Spinning[J]. Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, 2022, 16(1): 1-14.
[12] XU Ping, YU Hai-yan, SHI Hui-ru, et al. Kinematic Hardening Performance of 5052 Aluminium Alloy Subjected to Cyclic Compression-Tension[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2018, 1063(1): 12119.
[13] HAGHSHENAS M, WOOD J, KLASSEN R. Investigation of Strain-Hardening Rate on Splined Mandrel Flow Forming of 5052 and 6061 Aluminum Alloys[J]. Materials Science & Engineering A, 2011, 532: 287-294.
[14] ZHU Han-liang, GHOSH A, MARUYAMA K. Effect of Cold Rolling on Microstructure and Material Properties of 5052 Alloy Sheet Produced by Continuous Casting[J]. Materials Science & Engineering A, 2005, 419(1): 115-121.
[15] HOWEYZE M, EIVANI A, ARABI H, et al. Effects of Deformation Routes on the Evolution of Microstructure, Texture and Tensile Properties of AA5052 Aluminum Alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2018, 732: 120-128.
[16] WANG Bo, CHEN Xian-hua, PAN Fu-sheng, et al. Effects of Cold Rolling and Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of AA5052 Aluminum Alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(8): 2481-2489.
[17] 楊勇, 張全成, 田青超. 中間退火對(duì)5052鋁合金組織與性能的影響[J]. 上海金屬, 2021, 43(1): 13-19.
YANG Yong, ZHANG Quan-cheng, TIAN Qing-chao. Effect of Intermediate Annealing on Microstructure and Mechanical Properties of 5052 Aluminum Alloy[J]. Shanghai Metals, 2021, 43(1): 13-19.
[18] LEI Zhen-ni, GAO Peng-fei, WANG Xian-xian, et al. Analysis of Anisotropy Mechanism in the Mechanical Property of Titanium Alloy Tube Formed through Hot Flow Forming[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 86: 77-90.
[19] 曲占元, 宮旭輝, 薛鋼. 寬厚比對(duì)船用厚板拉伸性能的影響[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2014, 29(3): 6-8.
QU Zhan-yuan, GONG Xu-hui, XUE Gang. Effect of Width-Thickness Ratio on Tensile Property of Ship Steel[J]. Development and Application of Materials, 2014, 29(3): 6-8.
[20] 陳昭, 鄭英, 朱晨, 等. 預(yù)拉伸對(duì)7075鋁合金中厚板幾何精度和力學(xué)性能的影響[J]. 有色金屬科學(xué)與工程, 2019, 10(6): 40-47.
CHEN Zhao, ZHENG Ying, ZHU Chen, et al. Effect of Pre-Stretching on Geometric Accuracy and Mechanical Properties of 7075 Aluminum Alloy Plates[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2019, 10(6): 40-47.
[21] FANG J, ZHU Z, ZHANG X, et al. Tensile Deformation and Fracture Behavior of AA5052 Aluminum Alloy under Different Strain Rates[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2021, 30(12): 9403-9411.
Mechanical Property Evolution Rules of AA5052 Aluminum Alloy Tube during Counter-roller Flow-forming Process
ZHU Cheng-cheng1a, LI Fan2, ZHAO Sheng-dun2, LI Shuai-peng3, DONG Yuan-zhe1a, MENG De-an1b
(1. a. School of Construction Machinery; b. School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 3. China Securities Co., Ltd., Xi'an 710001, China)
The work aims to study the deformation mechanism and mechanical property evolution rules of the AA5052 aluminum alloy tube during counter-roller flow-forming process. With AA5052 aluminum alloy tube during the counter-roller flow-forming process as the object, the change rules of material strength, hardness, and microstructure were obtained through uniaxial elongation, hardness test, metallographic observation, etc. The microstructure of the AA5052 aluminum alloy changed obviously. The material had obvious anisotropy. The grains were elongated to form streamline. The inner and outer grains at the tube wall were deformed larger than the grain at the center. The hardness of the tube increased with the increase of the thinning ratio of counter-roller flow-forming process. The hardness at the outer part of the tube was high, and that at the center part was low. The difference value could be 2.9HV. The strength of the material increased by 11.51% after counter-roller flow-forming process, while the breaking elongation decreased by 46.43%. The counter-roller flow-forming process is suitable for processing of AA5052 aluminum alloy tube. It can increase the mechanical properties of material and obtain thin-walled tube of high strength at both sides.
aluminum alloy; counter-roller flow-forming; mechanical property; hardness; microstructure
10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.006
TG394
A
1674-6457(2022)07-0044-07
2022–05–05
國(guó)家自然科學(xué)基金–聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1937203);陜西省自然科學(xué)基金(2021JQ–278);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2022JQ–440);現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金。
朱成成(1988—),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)椴牧霞庸ぁ?/p>
孟德安(1989—),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)椴牧霞庸ぁ?/p>
責(zé)任編輯:蔣紅晨