铝合金管材磁脉冲辅助内高压成形机理研究

本课题的核心思想是通过降低补料难度和高速率下成形性能提高的特点解决当前铝合金管件室温内高压成形困难的问题。取得的创新性成果如下： 基于多物理场有限元分析软件ANSYS，结合磁脉冲辅助内高压成形基本特征，解决了磁固耦合的数值仿真问题。提出采用电磁胀形衡量磁效应，评测了线圈结构及放电参数的结构合理性。确立了电磁辅助内高压成形线圈结构设计基本原则。 揭示了磁脉冲振动对摩擦的影响机制，克服铝合金管材内高压成形时补料困难的问题。设计了摩擦力测试专用装置，证实脉冲振动对降低摩擦的有益效果。磁场力和液体压力耦合做为变形驱动力实现了胀形区有益皱的量化分解进而累积利用，从而避免了传统加载模式下有益皱单次形成-一次展平时皱峰易发生破裂，成形件壁厚呈锯齿形分布的缺陷。通过轴压和脉冲磁场力共同作用对预成形件进行整形，提高了铝合金管坯的成形极限，特别是壁厚均匀性，在室温下成形极限提高了76.9%，壁厚不均性由23.3%降至12.8%。 提出利用微型花瓣形状重复形成展平机制，克服摩擦力对金属流动的抑制问题，圆角成形能力较准静态加载由0.2提高至0.5，整形压力由60MPa降至11MPa。电磁力辅助作用下成形件是在正变形和反变形的交替作用下成形，能充分利用包申格效应，抑制回弹。微型花瓣形状有助于将内压力转换为极大的水平推力，使管坯直壁部分始终处在沿厚向压应力状态，促进该部位自始至终参与塑性变形。从剪应力变化观察到过渡点处的剪应力由准静态就加载时的正剪应力转变为电磁辅助加载时的负剪应力。根据Tresca屈服准则分析了影响圆角成形的力学因素。证明了摩擦力降低和电磁力背推作用下形成的整形推力是改善变形区受力状态，降低圆角成形难度，提高成形极限的根本原因。 归纳了电磁辅助内高压成形中常见的三种缺陷形式：开裂、形状不足和橘皮。揭示了各缺陷成因，并据缺陷形成机制提出了消除缺陷的方法。胀形过程中变形速率不高是导致破裂发生的主要原因，提高变形速率可克服该缺陷；圆胀方中电磁力不足，致使摩擦力阻碍金属流动，使金属处在双拉应力状态是导致过渡圆角处发生破裂的原因。胀形和圆胀方过程中电磁力不足均可导致形状缺失。但胀形过程中，形状缺失的本质原因是电磁力不能进一步驱动管坯达到再屈服的塑性变形条件，而圆胀方过程中，则是由于未能形成整形推力导致金属填充困难，从而使圆角成形难度增大。成形中采用晶粒细小均匀的管材可避免桔皮缺

针对目前铝合金管件内高压成形中存在的两个难点问题- - 补料困难和室温成形性能低，提出磁脉冲辅助内高压成形技术。通过磁脉冲辅助降低成形过程中的摩擦力，改善管坯的受力状态，提高成形极限及壁厚均匀性，从而达到降低铝合金管材室温内高压成形难度的目的。脉冲磁场力具有纯电特性，易于实现精确控制，便于自动化生产。本课题采用力学分析、耦合场数值模拟和工艺试验相结合的方法，研究脉冲磁场力对铝合金管材内高压成形极限的影响规律、脉冲振动对摩擦行为的影响机制、磁脉冲辅助内高压成形中的应力应变和材料流动形为等塑性变形规律，并探讨缺陷形成机制及控制方法。从而掌握磁脉冲辅助内高压成形变形规律，提出工艺参数优化方法，形成磁脉冲辅助内压成形理论基础。对开发全新的具有自主知识产权的铝合金构件室温制造技术、进一步扩大铝合金构件在汽车行业的应用范围，促进车体轻量化具有重要意义。

变径管内高压成形技术适用于直径25 mm-200 mm，壁厚1-8mm的管件。像汽车进、排气系统，飞机管路系统，火箭系统等使用的异型和复杂截面管件，发动机曲轴等。

可以整体成形轴线为二维或三维曲线的异型截面空心零件，从管材的初始圆截面可以成形为矩形、梯形、椭圆形或其他异型的封闭截面。

优点有：

① 减轻质量，节约材料；

② 减少零件和模具重量，降低模具费用；

③ 可减少后续机械加工和组装焊接量，提高生产效率；

④ 提高强度和刚度，尤其是疲劳强度；

⑤ 材料利用率高；

⑥ 降低生产成本。

缺点：

① 内压高，需要大吨位液压机作为合模压力机；

② 高压源及闭环实时控制系统复杂，造价高；

③ 零件研发试制费用高。

工艺分为三个阶段：

第一个阶段，填充阶段，将管材放在下模内，然后闭合上模，使管材内充满液体(并排除气体)，将管的两端用水平冲头压封;

第二个阶段，成形阶段，对管内液体加压胀形的同时两端的冲头按照设定加载曲线向内推进补料，在内压和轴向补料的联合作用下使管材基本贴近模具;

第三个阶段，整形阶段，提高压力使过度区圆角完全贴靠模具而成形为所需的工件，这个阶段基本没有补料，从截面看可以把管材变为矩型、梯型、椭圆型或其他异型截面