不锈钢和铝合金薄壁三通管内高压成形实验研究

不锈钢和铝合金薄壁三通管内高压成形实验研究

1内高压成形技术对于航空航天飞机的轻巧量化，有必要提高各种管道的结构。在满足强度指标的条件下，不同管道的结构应尽可能薄，以减轻结构的重量。因此，不同直径的薄管和不锈钢管的径厚比通常超过100。此类零件以往多采用冲压两个半片,再对焊成三通管的工艺,因纵向焊缝受到的拉应力较大,且焊接变形和焊缝质量较难控制,可靠性难以保证;采用两个管材插焊的工艺,角部焊缝质量难以检测,且支管与主管接头过渡不圆滑,内部流场受到影响,应用受到限制。20世纪60年代出现的三通管液压胀形技术,成形压力小于30MPa,成形精度不高;20世纪90年代,由于超高压和计算机控制技术的突破,内高压成形技术迅猛发展,为薄壁整体多通管的精密成形提供了一个新的技术途径。多通管内高压成形研究和应用主要涉及T型三通管、Y型三通管和十字型四通管等,其中Y型三通管由于非对称性,成形难度最大。在薄壁T型三通管内高压成形方面,德国学者提出了T型三通管内高压成形合模力、轴向进给力、反推冲头力、整形压力等工艺参数估算公式,推导了轴向失稳判据。美国学者提出,在压力不高时,摩擦力满足库仑定律;在接触压力接近管坯金属流动应力时,需要引入纯剪应力模型,给出了支管反推冲头的推力计算公式,对避免支管顶端开裂起到有益效果。日本学者研究了材料延伸率、硬化指数及补料量对铝合金T型三通管枝管高度的影响。国内学者主要研究了壁厚较大的T型三通管液压挤胀成形,采用的压力较低,三通管直径与厚度的比值(简称径厚比)小于35[8~11],在内高压成形方面研究较少。Y型三通管因主管两端所需进给量不同,成形控制难度最大。美国学者研究了内高压成形Y型三通管的工艺参数估算方法,采用径厚比34的不锈钢管坯,研制了支管夹角为60°的Y型三通管。上海交通大学介绍了一种Y型三通管液压挤胀模具装置,可制造三通管的最大径厚比28.6。本文主要介绍哈尔滨工业大学近年来在Y型三通管内高压成形方面获得的部分研究成果,尤其是在径厚比达183的不锈钢Y型三通管和径厚比为40的铝合金Y型三通管的内高压成形研究结果。2补料量对y型三元管成形影响图1为一个径厚比达183的不锈钢三通管示意图。设壁厚为t,其主管外径D=183t,支管轴线与主管夹角α=62°,支管外径为d=83t。采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管材,通过内高压成形研制了图2所示三通管件。为控制支管壁厚,采用优化的加载曲线,实现钝角侧补料量达0.26D,而锐角侧补料量仅0.05D,获得支管最大高度为0.33D的整体超薄三通管件,满足零件设计要求。Y型三通管内高压成形时,由于支管与主管存在夹角,在支管的钝角侧和锐角侧,材料流动难度不同,所需补料量也有很大差别。为掌握三通管两侧补料量的确定方法,揭示补料量对Y型三通管成形的影响,将钝角侧补料量与锐角侧补料量的比值定义为补料比,该不锈钢薄壁三通管实际补料比为5.0。由于管壁超薄,其成形难度主要在于沿轴向进行补料时,在轴向力的作用下,如果内压不足,主管极易发生失稳起皱,如图3a所示,尤其是Y型三通管因补料比大,单侧补料量远大于T型三通管的内高压成形,所以对起皱的控制更加困难。然而,提高成形内压,支管顶部易因过度的减薄导致开裂发生,并且,如果内压有波动或增压时机不当,管坯会在起皱后再发生开裂,即两种缺陷同时存在,如图3b所示。本文通过控制加载路径等综合技术措施,避免了起皱和开裂缺陷,实现了该超薄Y型三通管的成形。3管顶开裂缺陷针对航空航天薄壁整体铝合金三通管件需求,采用5A03铝合金挤压管材,进行了铝合金三通内高压成形研究。其主管直径D=40t,支管轴线与主管夹角α=62°,支管直径为d=36t。其径厚比达到40,在内高压成形时主管起皱和支管顶端开裂仍为需重点解决的关键问题。由于铝合金材料塑性较低,通过增加预成形工序完成该三通管件的内高压成形,预成形件和最终三通管件如图4所示。支管最大高度达0.71D。该件实际钝角侧补料量达1.22D,而锐角侧补料量仅0.06D,补料比已达20,几乎所有补料均沿钝角侧单侧进行。由于管壁较薄,且铝合金管材与钢模具之间摩擦系数较大,材料向支管区的流动比较困难,在轴向补料过程中易发生起皱缺陷,如图5a所示。同时,由于该铝合金材料硬化指数仅0.23,远低于不锈钢材料,成形过程易发生支管顶部开裂缺陷,往往起皱与开裂伴随发生,这与薄壁不锈钢三通管成形的缺陷类似,如图5b所示。只有通过预成形分解成形难度,并合理控制加载路径,才能避免缺陷,获得形状和尺寸满足要求的零件。4补料比对枝管成形质量的影响研究表明,补料比的确定对Y型三通管成形有重要作用。以一个相对简单的Y型三通管为对象,研究了补料比对成形件壁厚分布的影响,仍采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管材,其外径D=21t,壁厚2mm,支管轴线与主管夹角α=47°。采用补料比2,3和4.5获得实验件,如图6所示。当补料比为2,钝角侧补料1.02D,锐角侧补料0.51D时,枝管顶部发生破裂(图6a)。这是由于钝角侧补料量不足,支管顶部发生过大减薄,引起破裂。当补料比为3和4.5,均可获得三通管的成形,如图6b和图6c,此时由于钝角侧补料量较大,保证了支管成形的材料需求,避免了开裂发生。但是补料比为4.5的成形件在钝角侧的圆角部位出现内凹,因该管件径厚比小,仅为21,并未发生明显起皱。对补料比为2.5,3,3.5,4和4.5的实验件进行壁厚测量,典型测点位置如图7所示。A点为钝角侧圆角中点,B为锐角侧圆角中点,C点为枝管顶部最高点。G点和H点为切掉枝管顶部后,三通管有效部位支管对称面上的两个顶点,壁厚分布测试结果如图8所示。可见,在A点和B点壁厚均较大,随补料比增加,A点增厚最严重,当补料比为3时,A点最大增厚率达64.9%。钝角侧G点的壁厚为三通管有效壁厚的最小值,当补料比为3时,G点的壁厚最大(1.58mm,减薄率为21%),继续增大补料比,G点壁厚反而下降。这是因为补料比过大时,钝角侧圆角处发生了内凹,钝角侧增加的补料量没有用于支管成形,而是产生了轻微的起皱。因此,支管壁厚应通过主管两侧的合理补料比保证,而不能一味增大钝角侧的补料量。5y型三元管道高压成形工艺哈尔滨工业大学在突破了内高压成形机多轴闭环伺服控制技术基础上,结合加载路径优化和预成形设计,研制了最大径厚比达183的超薄不锈钢三通管件和径厚比达40的铝合金三通管件,为航空航天管路系统轻量化整体构件的制造提供了一个新的途径。内高压成形具有一次加压整体成形异型截面构件的特点,可利用管材制造各种整体空心变截面构件,因此在航空、航天和汽车等行业对改善零件内部流场,减少焊缝,提高零部件可靠性,提高疲劳强度等方面具有重要意义。超薄Y型三通管内高压成形的典型缺陷是主管起皱和支管顶端开裂,有时二者伴随发生,因此成形控制难度大。通过优化加载曲线,严格控制内压、补料比和中间冲头后退量,并适当结合预成形工序,可实现超薄Y型三通管