輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法

圖1是管材熱態(tài)內高壓成形及模具初始狀態(tài)結構的剖視圖，圖2是管材熱態(tài)內高壓成形及模具終了狀態(tài)結構的剖視圖。

圖中1是沖頭，2是模具，3是管還，4是熱態(tài)液體，5是加熱裝置，6是管路。

《輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法》涉及管材零部件的成形方法。

能源危機和環(huán)境污染是人類面臨的二大難題。汽車、飛機等運輸工具在能源消耗中占有很大比例，汽車尾氣也是主要的空氣污染源。減輕汽車、飛機的自重是減少能源消耗和污染排放的措施之一。輕量化主要途徑是采用輕質材料和輕體結構。輕質材料包括鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料等。輕體結構主要形式包括整體結構、薄殼和空心變截面。對千空心變截面零部件，傳統(tǒng)的制造工藝一般為先沖壓成形兩個半片然后再焊接成整體，工藝復雜，質量難以保證。而內高壓成形特別適合成形空心變截面零部件。內高壓成形時，管坯在內部高壓液體和兩端軸向載荷的共同作用下發(fā)生變形并最終貼合模具成形零件。與傳統(tǒng)工藝相比，內高壓成形的特點是可以一次整體成形空心變截面構件，具有質量輕，剛度好，零件數量少，可減少組裝焊接量和成本低等優(yōu)點。截至2005年10月25日，內高壓成形所采用的材料主要是焊接鋼管。為了進一步減輕結構重量，可以采用鋁合金、鎂合金等輕質合金。但是，鋁合金的主要缺點是常溫下成形性差，而鎂合金在常溫下很難成形，所以在常溫下采用內高壓成形方法成形過程中因沒有施加軸向載荷，當管材脹形量過大會使管壁減薄直至破裂，而且成形后的管壁厚度不均勻，對成形復雜空心變截面零部件而言就更困難。

《輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法》為了解決輕合金管材在常溫下采用內高壓成形方法成形過程中因沒有施加軸向載荷，當管材脹形量過大會使管壁減薄直至破裂，而且成形后的管壁厚度不均勻，對成形復雜空心變截面零部件困難的問題，提供了一種輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法解決上述問題的具體技術方案如下：

《輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法》的輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法由下列步驟實現：

步驟一、將模具2加熱到150~500°C；

步驟二、將管還3放入經步驟一加熱的模具2中，將模具2閉合；

步驟三、將沖頭l與管還3的兩端部接觸并密封，然后通過管路6向管蚽3內注入150~500°C的熱態(tài)液體介質4；

步驟四、當模具2、管還3以及熱態(tài)液體介質4的溫度達到150~500°C時，通過控制滑動沖頭（1）的軸向位移或軸向推力及與管還（3）內熱態(tài)液體介質（4） 的壓力相匹配，使管蚽3發(fā)生變形，即得制備出設計的輕合金管材零部件。

《輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法》的輕合金管材空心變截面零部件熱態(tài)內高壓成形方法的特點在于，將鋁合金、鎂合金等輕質管材加熱到適當溫度，可以顯著提高其成形性能，同時又充分利用了內高壓成形方法柔性高的優(yōu)點能夠次成形出形狀復雜的輕 合金管狀空心變截面零部件。與傳統(tǒng)工藝相比，該方法生產的零件具有質董輕、剛度好、零件數量少和成本低的優(yōu)點。適合千汽車排氣系統(tǒng)異形管件、副車架、 儀表盤支架、車身框架、空心軸類件和復雜管件等的成形。

• 具體實施方式一

步驟一、首先將模具2加熱到150~500°C；模具2的溫度可通過模具2上設置的加熱裝置5（加熱裝置5采用熱電阻或熱油循環(huán)方式）以及注入的熱態(tài)液體介質4（熱態(tài)液體介質4采用熱油）的溫度進行控制；

步驟二、將常溫下或經過預熱的鋁合金或鎂合金管還3放入經步驟一加熱的模具2中，將模具2閉合；

步驟三、將經步驟二閉合后的模具2中部的滑動沖頭l與管蚽3的兩端部 接觸并采用高壓密封后，通過管路6向管蚽3內注入溫度為150~500°C和壓 力為0~250Mpa的熱態(tài)液體介質4（見圖1）；

步驟四、當經步驟三的模具2、管還3以及熱態(tài)液體介質4的溫度為150~500°C范圍時，通過控制滑動沖頭l的軸向位移或軸向推力以及管蚽3內的熱態(tài)液體介質4的壓力之間相匹配，熱態(tài)液體介質4的壓力為0~250Mpa，使管坯3產生變形，最終制備出圖2所示的輕合金管材零部件。

鋁合金和鎂合金在加熱到一定溫度后其形變性能將顯著提高。對于鋁合金錐形零件拉深，室溫拉深高度為35mm，當溫度增加到250°C時，拉深高度達到60mm。鎂合金管材在250°C時拉深比達到3.0，超過了鋼板在常溫下的拉深成形極限（拉深比2.2）。

在輕合金管材零部件成形的過程中，控制滑動沖頭的軸向位移或軸向推力以及管坯3內熱態(tài)液體介質4的壓力兩者之間的匹配關系，同時，要控制管坯3的溫度以及模具2和管還3接觸區(qū)的溫度。管坯3的加熱可以通過內部的熱態(tài)液體介質4和模具2的溫度進行控制。

《輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法》的方法可按模具的設計，制備出不同形狀的輕合金管材零部件。

• 具體實施方式二

該實施方式與具體實施方式一的不同點在于步驟一的模具2加熱到150°C，步驟四中模具2、管坯3以及熱態(tài)液體介質4的溫度為500°C。 其它步驟與具體實施方式一相同。

• 具體實施方式三

該實施方式與具體實施方式 的不同點在于步驟一的模具2加熱到300°C，步驟四中管坯3以及熱態(tài)液體介質4的溫度為300°C，熱態(tài)液體介質4的壓力為150Mpa。其它步驟與具體實施方式一相同。

• 具體實施方式四

該實施方式與具體實施方式的不同點在于步驟一的模具2熱500°C，步驟四中管坯3以及熱態(tài)液體介質4的溫度為150°C，熱態(tài)液體介質4的壓力為150Mpa。其它步驟與具體實施方式一相同。

2018年12月20日，《輕合金管材熱態(tài)內高壓成形方法》獲得第二十二中國專利獎金獎。

針對鎂合金管材熱態(tài)內壓成形存在的壁厚不均、膨脹率小等問題，提出利用溫度差控制變形的差溫熱態(tài)內壓成形新方法。開展非均勻溫度場和復雜應力場作用下的鎂合金管材塑性失穩(wěn)和摩擦行為研究，揭示溫度場和應力場對鎂合金熱態(tài)內壓成形影響規(guī)律；分析鎂合金熱態(tài)內壓成形組織演變，揭示管材原始組織與構件最終性能的內在規(guī)律。創(chuàng)新之處在于采用可控非均勻溫度場調整變形順序和變形程度，并采用應變強化和應變速率強化耦合的雙硬化粘塑性本構方程，分析非均勻溫度場的管材成形過程。提高鎂合金熱態(tài)內壓成形極限和壁厚均勻性，探索改善成形件組織性能的途徑，為鎂合金輕量化構件在汽車、航空和航天等領域的應用奠定技術基礎。

針對鎂合金管材熱態(tài)內壓成形存在的壁厚不均、膨脹率低等問題，本項目提出了利用溫度差控制變形的差溫熱態(tài)內壓成形新方法。按計劃完成了三個方面的研究工作：1）研究了非均勻溫度場和復雜應力場作用下鎂合金管材塑性失穩(wěn)行為。首先研制了差溫熱態(tài)氣壓成形裝置，突破了氣體壓力介質增壓、傳輸和壓力控制關鍵技術，實現了氣體壓力和軸向位移的閉環(huán)伺服控制；通過感應加熱和冷卻系統(tǒng)，實現了軸向溫度梯度控制。采用三維實體單元建立了鎂合金管材變徑管成形的熱力耦合有限元模型，研究了非均勻溫度場內壓和軸壓雙軸載荷作用下的鎂合金管材塑性失穩(wěn)行為，建立了起皺臨界應力條件，揭示了起皺順序發(fā)生機制及其對成形極限的影響規(guī)律。2）研究了差溫熱態(tài)內壓成形塑性變形及壁厚分布規(guī)律。建立了鎂合金管材熱態(tài)摩擦行為測試裝置，揭示了內壓和溫度對摩擦因數的影響規(guī)律；并研究了不同溫度梯度、不同加載曲線對變徑管差溫熱態(tài)內壓成形的塑性變形過程的影響，實現了屈服條件調控，揭示了變徑管成形壁厚分布規(guī)律，給出了變徑管成形的合理預成形形狀。3）研究了鎂合金熱態(tài)內壓成形組織演變及雙硬化粘塑性本構方程。在覆蓋差溫成形的全溫度范圍和應變速率范圍內，測試了鎂合金管材的流動應力應變曲線，給出應變硬化指數和應變速率硬化指數，建立了雙硬化粘塑性本構方程；對差溫熱態(tài)內壓成形前后管坯不同部位微觀組織演變進行了測試分析，揭示了差溫熱態(tài)內壓成形中的組織演變規(guī)律。

針對目前鋁合金管件內高壓成形中存在的兩個難點問題- - 補料困難和室溫成形性能低，提出磁脈沖輔助內高壓成形技術。通過磁脈沖輔助降低成形過程中的摩擦力，改善管坯的受力狀態(tài)，提高成形極限及壁厚均勻性，從而達到降低鋁合金管材室溫內高壓成形難度的目的。脈沖磁場力具有純電特性，易于實現精確控制，便于自動化生產。本課題采用力學分析、耦合場數值模擬和工藝試驗相結合的方法，研究脈沖磁場力對鋁合金管材內高壓成形極限的影響規(guī)律、脈沖振動對摩擦行為的影響機制、磁脈沖輔助內高壓成形中的應力應變和材料流動形為等塑性變形規(guī)律，并探討缺陷形成機制及控制方法。從而掌握磁脈沖輔助內高壓成形變形規(guī)律，提出工藝參數優(yōu)化方法，形成磁脈沖輔助內壓成形理論基礎。對開發(fā)全新的具有自主知識產權的鋁合金構件室溫制造技術、進一步擴大鋁合金構件在汽車行業(yè)的應用范圍，促進車體輕量化具有重要意義。