液壓脹形對雙金屬復合管性能的影響

液壓脹形對雙金屬復合管性能的影響

近年來，管道健身房的建模技術是一種新的塑料建模技術。采用無縫管一次液壓脹形,不僅能顯著地提高制件的力學性能,還可大幅度降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。圖1所示為三通管液壓脹形工藝示意圖。原理是將液體介質充入金屬管材毛坯的內(nèi)部,產(chǎn)生超高壓,由軸向沖頭對管坯的兩端密封,并且施加軸向推力進行補料,兩者配合作用使管坯產(chǎn)生塑性變形,最終與模具型腔內(nèi)壁貼合,得到形狀與精度均符合技術要求的中空零件。雙金屬復合管是根據(jù)使用要求采用特殊性能材料作為內(nèi)襯與普通金屬結構材料復合,從而滿足不同工況的耐腐蝕或耐磨損的需求,具有廣闊的市場前景。管層之間為冶金結合的復合管,受外力作用時共同變形,由于涉及到雙層金屬共同變形問題,所以采用雙金屬復合管進行液壓脹形的難度較大。目前,對于單層三通管液壓脹形方面的研究較多,翟江波等研究比較了軸向壓縮脹形和復合脹形過程中應力應變變化規(guī)律、脹形支管高度、壁厚分布的差異;王忠堂等采用數(shù)值模擬方法研究了三通管液壓脹形工藝,給出了不同軸向進給速度下零件的壁厚及等效應變分布,并分析了軸向進給速度對成形性能的影響。在復合管塑性成形的數(shù)值模擬及試驗研究方面,也有部分學者已經(jīng)進行了初步研究工作。IslamMD等對銅和黃銅復合管的液壓脹形進行了有限元模擬,但是變形之前銅和黃銅沒有實現(xiàn)結合,兩層金屬處于分離狀態(tài);王冬平等對SA210A1+INCONEL625復合管的彎曲工藝進行了試驗研究。根據(jù)現(xiàn)有研究情況可知,對于雙金屬復合管液壓脹形的有限元模擬的研究還比較少,尤其是兩層材料具有“牽扯效應”的冶金結合復合管塑性成形鮮有報道。因此,對于管層之間冶金結合的雙金屬復合管的冷成形管件厚度分布進行研究,為進一步探討復合管的成形性能具有重要意義。鋁具有比重小、塑性高、抗氧化和防腐蝕的特點,但其強度低,可以選擇將鋁焊接在結構材料上來滿足強度要求。本文選擇利用爆炸焊接將純鐵管和純鋁管制造成Fe/Al復合管。純鐵和純鋁中所含雜質元素較少,復合管界面元素組成受雜質干擾較少,使得分析界面處Fe,Al及其可能產(chǎn)生的金屬間化合物的情況變得更為容易;另外,爆炸焊接Fe/Al復合管可以為不銹鋼/Al復合管的界面物質組成和界面成形能力提供參考,所以對爆炸焊接Fe/Al復合管的研究具有積極意義。本文利用有限元軟件對Fe/Al雙金屬復合正三通管的塑性成形過程進行了模擬計算,研究了內(nèi)壓力和摩擦系數(shù)對復合正三通管件減薄率分布的影響,并比較了純鐵層和純鋁層之間的壁厚減薄率分布差異,最后以模擬結果為指導進行了成形試驗,成功制備了Fe/Al雙金屬復合正三通管件。1有限模擬1.1工藝有限元模型利用通用有限元軟件Marc2007進行復合管液壓脹形工藝的數(shù)值模擬。純鐵層外徑為18mm,厚度為2.3mm;純鋁層外徑13.4mm,厚度為0.8mm;兩層材料長均為104mm。如圖2所示為三通管液壓脹形工藝有限元模型。液壓通過在純鋁層內(nèi)表面施加面載荷來實現(xiàn);由于管件厚度與直徑的比值較大,故沒有添加平衡沖頭;最后通過控制兩端沖頭的相向軸向進給來實現(xiàn)整個工藝過程。純鐵和純鋁的部分材料屬性見表1。采用彈塑性模型,兩種材料的硬化曲線見圖3。Fe/Al復合管因采用爆炸焊接工藝制備,純鐵和純鋁之間為冶金結合,所以設置兩變形體之間應力達到一定程度時才能分離。1.2塑性成形過程中點主要研究兩處截面線上的壁厚減薄率分布,截面線為圖4所示的A和B,從管件端部開始,沿箭頭方向每兩個節(jié)點取一個厚度值,取值點見圖4。A和B區(qū)都是復合管塑性成形過程中的典型區(qū)域:A區(qū)主管部分增厚程度最小,且材料越過圓弧區(qū)補充到支管區(qū)繞過的角度最大,材料流動比較困難,管件厚度不均勻性較為明顯;B區(qū)為復合管增厚最為明顯的的區(qū)域,增厚程度最大。模擬結果中Fe和Al接觸狀態(tài)沒有出現(xiàn)異常,這說明管件成形過程中兩層材料結合良好,沒有出現(xiàn)分離現(xiàn)象。圖5所示為純鋁層與純鐵層界面的接觸狀態(tài)圖。1.2.1純鐵層和復合管層減薄率分布曲線(1)A區(qū)厚度減薄率。圖6a所示為復合管A區(qū)減薄率曲線,從圖中可知,對于任一成形壓力,主管區(qū)皆出現(xiàn)增厚現(xiàn)象。共同的變化規(guī)律還體現(xiàn)在圓弧區(qū)厚度變化值較大,尤其是內(nèi)壓力超過70MPa時壁厚減薄尤為明顯,支管處的減薄率較大,故內(nèi)壓力不可過大。由圖6所示復合管、純鐵層和純鋁層A區(qū)減薄率分布曲線可知,純鐵層減薄率的變化趨勢與復合管具有很大的相似性,而純鋁層與復合管差距較大。減薄率分布曲線的這種差異原因主要有兩個,一是純鐵層厚度比純鋁大,另一個是純鐵的屈服強度比純鋁高,故純鐵層的成形性能決定了復合管的成形性能。比較圖6b和圖6c純鐵和純鋁層A區(qū)厚度減薄率分布曲線可知,隨著內(nèi)壓力的增加減薄率都逐漸增加,而其明顯的不同點在于純鐵層剛進入圓弧區(qū)(a處)時減薄率出現(xiàn)明顯的極小值,即該位置出現(xiàn)了材料堆積,而純鋁層該位置厚度基本沒有變化,這跟材料屈服強度與內(nèi)壓力的大小有關。模擬過程中的內(nèi)壓力大小與純鋁屈服強度相差不多,但小于純鐵的屈服強度。對于純鋁層,內(nèi)壓力大小在純鋁屈服點附近甚至超過其屈服點,所以材料更容易屈服,材料更容易流動,這也就增加了材料的均勻性,所以材料在圓弧區(qū)堆積不明顯。而純鐵則不然,但對于純鐵層,隨著壓力的增加,越接近純鐵的屈服強度,a處的減薄率波動逐漸減小即材料堆積現(xiàn)象逐漸消失;結合純鋁層該區(qū)域減薄率分布曲線,可知屈服強度與內(nèi)壓力之間的差值決定了a處材料的厚度均勻性,差距越小a處厚度均勻性越好。(2)B區(qū)厚度減薄率。觀察圖7所示純鐵層和復合管層減薄率曲線,純鐵層和復合管層的減薄率變化趨勢依然有很大的相似性。界面線B區(qū)域在沖頭的作用下沿軸向發(fā)生壓縮變形,導致材料增厚,特別是b部分增厚嚴重。壓力越小增厚越嚴重,隨著內(nèi)壓力的增加,材料增厚程度逐漸減小,但厚度減薄率曲線各部分曲率并沒有明顯變化,所以在B區(qū)域內(nèi)壓力主要對管件厚度產(chǎn)生影響,對厚度分布的影響不大。1.2.2抗靜電劑a與純鐵層摩擦摩擦(1)A區(qū)的各層減薄率變化。觀察比較圖8所示純鐵層和純鋁層厚度減薄率曲線可知,摩擦系數(shù)越小,減薄率曲線上最大值和最小值的差就越小,即厚度分布越均勻,這主要也是跟低摩擦系數(shù)下金屬流動受到的阻礙較小,支管處金屬容易得到補充有關。純鐵層與模具接觸,受到摩擦系數(shù)的直接影響;純鋁與純鐵為冶金結合,界面結合強度高,這就使純鐵和純鋁的變形有一定的協(xié)調(diào)性,純鋁層隨著純鐵層的增厚而增厚。而純鐵層在不同摩擦系數(shù)條件下a部分減薄率曲線都出現(xiàn)了極值且曲率沒有明顯的變化,所以摩擦系數(shù)不是a處產(chǎn)生金屬堆積的直接原因。(2)B區(qū)減薄率變化。由圖9所示純鐵層減薄率曲線可知,摩擦系數(shù)越大壁厚減薄率越小;純鐵層B部分,摩擦系數(shù)越小,壁厚越均勻。由此可見,摩擦系數(shù)是影響B(tài)部分厚度不均勻的重要因素。對于純鐵層該區(qū)域變形較大,加工硬化嚴重,隨著摩擦系數(shù)的增加,材料受到的摩擦力越大,材料流動受到的阻礙就越大,所以材料會在b部分產(chǎn)生堆積,從而在減薄率曲線上出現(xiàn)極值;b區(qū)最左側的相對移動距離最大,克服摩擦力做功最大,所以金屬流動最困難,所以在該處產(chǎn)生堆積,即減薄率曲線上此處出現(xiàn)極值。2潤滑和模擬對比研究根據(jù)模擬計算結果可知,實際成形過程中可以通過改變摩擦系數(shù)和內(nèi)壓力來控制Fe/Al雙金屬復合管的成形質量,摩擦系數(shù)越低越好,而內(nèi)壓力過大過小都不妥。管坯下料尺寸為104mm,與數(shù)值模擬中的管坯尺寸相同;左右推進距離均為25mm,推進速度為2mm·s-1;內(nèi)壓力為70MPa。成形前先將管坯表面噴涂潤滑劑,以降低管坯表面摩擦系數(shù)。二硫化鉬摩擦系數(shù)范圍是0.05～0.1,靠近模擬參數(shù),故選擇二硫化鉬作為潤滑劑。圖10所示為Fe/Al雙金屬三通管件1/4實物圖。表2為三通管典型位置厚度模擬值和實際值,取值點見圖10,模擬值取內(nèi)壓力為70MPa,摩擦系數(shù)為0.07時的模擬結果。經(jīng)比較,管件成形后沿截面線A的厚度分布與模擬結果較為接近;而由于成形后界面線B上管件過度增厚,導致其結果與模擬值有不小差距,但增厚程度不影響管件的質量,所以認為成形試驗是成功的,即能夠成功制備出Fe/Al雙金屬復合三通管件。3影響液壓脹形運行的摩擦系數(shù)