北京航空航天大学学报：力约束管材自由胀形试验研究与材料性能测试
2022-06-06【作 者】程鹏志;郎利辉;葛宇龙;阮尚文;王韬;武海
管材充液成形技术(tube hydroforming)是指管材在内部液压力和轴向推力作用下充满模具型腔并贴模，进而成形具有一定复杂型面的空心薄壁零件高压柔性成形工艺，也被称为内高压成形或液压成形工艺，鉴于其特别适用于成形整体、复杂、薄壁的空心零件，及其成形精度高、材料利用率高、生产成本低的特点，该技术在21世纪初得到了快速发展，并开始广泛应用于航空航天、汽车制造等产业[1-3].随着工艺应用的发展，研究人员发现由于高压均匀面力等因素的作用，原始板材单向拉伸试验获得的材料性能参数不能很好地适用于管材充液成形工艺分析，实际生产对材料准确度的要求也越来越高，目前管材充液成形性能测试方法和装置尚不够完善和统一[4-8].需要采用更为准确、可靠的胀形方法获得材料性能数据.He等通过比较现有的解析模型，针对AA6061材料建立了基于不同边界条件的管材胀形统一解析模型，认为胀形轮廓为椭圆，并考虑了模具圆角的影响[7-8]. Velasco和Zribi等通过有限元模拟和试验研究了材料性能参数对管材胀形过程中材料分布和胀形轮廓的影响[9-10];Imaninejad等采用挤出铝管材对充液胀形中不同的管端约束条件及对管材应变状态的影响进行了试验研究，并对试验中的摩擦力进行了定性分析和定量测量.试验结果表明，不同的管端约束和摩擦状态对材料变形有非常大的影响，以至于可以得到成形极限图上大范围内的点，材料厚向异性指数与管材的轴向收缩量呈显著正相关[11-12].
本文根据大量工程经验，针对现有TBT (Tube Bulging Test)方法存在的不足之处，提出了一种基于轴向自由胀形的管材充液成形性能测试试验方法及装置，建立了与之对应的理论解析模型，以获得实时胀形高度、轴向收缩量和壁厚变化等数据，进而获得应力应变曲线和材料性能参数.试验管材受力边界简单、清晰，摩擦干扰误差小，易于检测、采集和处理数据.
【结 论】
1、相对于国际上现有的管材胀形试验机，本文所描述的试验方法和设备解决了3个固有问题:
①将实现管端约束的对开螺母卡套部件和密封组件附着在管材两端，从而保证了管材胀形过程中卡套与半圆形导套的滑动间隙，即保证了管端的自由滑动，排除摩擦干扰的同时准确获得了管材胀形时的轴向自由收缩数据;
②鉴于翻边特征的良好试验效果，比例伺服油缸可以对管材两端施加精确的推力(或拉力)，并能有效阻止管端被夹持材料向变形区的流动;
③采用超声测厚仪实时采集管材顶点的厚度变化信息，直接准确测量推导出厚向应变.试验数据的采集具有较好的可重复性精度.
2、在管材胀形过程中，环向应力óθ远大于轴向应力óz，受力状态接近于单向拉伸，轴向力的抵消起到了很好的效果，测试结果能够很好地反映管材的环向成形性能.
以下是正文：
