熱態固體顆粒介質傳壓性能研究

押媛媛

摘 ? 要：固體顆粒介質熱成形工藝是通過耐熱固體顆粒介質代替現有軟模熱成形工藝中液體或氣體介質的作用，來實現輕合金管、板材構件成形的工藝方法。該工藝的提出與研發對我國加工高強度、低塑性、難變形管材以及復雜形狀、高尺寸精度和表面質量要求高的輕合金管狀構件有著非常重要的意義，有巨大的潛力。本文針對該工藝中固體顆粒介質進行了熱態下的傳壓性能測試實驗研究，希望為該工藝中顆粒介質在數值模擬中分析模型的建立及該工藝的理論建模奠定基礎。

關鍵詞：固體顆粒介質 ?傳壓性能 ?熱成形

中圖分類號：TG386 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0093-03

Abstract： The hot forming technology of solid particle medium is to replace the role of liquid or gas medium in the hot forming technology of soft die by heat resistant solid particle medium to realize the forming technology of light alloy tube and plate members.The development of this technology is of great significance and great potential for the processing of high strength， low plasticity， hard deformation pipes and light alloy tubular members with complex shapes， high dimensional precision and high surface quality.In this paper， the experimental study on the pressure transfer performance of the solid medium in the thermal state is carried out， hoping to lay a foundation for the establishment of the analytical model of the solid medium in the numerical simulation and the theoretical modeling of the process.

Key Words： Solid granular media; Pressure transmission performance; Thermoforming

鋁、鎂等輕質合金的延伸率以及變形能力等在常溫的工作條件下加工性能不理想，在常溫條件下如果采用傳統的脹形、沖壓和拉深等工藝加工形狀復雜的零部件，制出的零部件可能存在很多缺陷，影響零部件的質量甚至直接報廢。但是通過了解金屬的性質可知，隨著加工溫度的升高，鋁、鎂等輕質合金的變形能力可以得到有效提高。另外，金屬的溫度升高以后它的變形抗力還會明顯降低，所以提高加工溫度可以降低加工設備所需要的能力要求。因此固體顆粒介質熱成形工藝應運而生[1]。該工藝的出現對復雜零部件在室溫條件下的成形有著重要意義，不但使加工出的零部件符合當代工業化生產的標準，還使我國在高性能、高附加值產品上長期依賴進口的局面發生轉變。

為了能夠對固體顆粒介質熱成形工藝有更深入的了解，需要構建合適的固體顆粒介質的理論和數值模擬模型，所以我們需要了解在熱狀態下，影響固體顆粒介質的力學性能的因素以及變化規律。本文以設計的固體顆粒介質傳壓性能試驗裝置為基礎，通過介質的粒徑，加工溫度，體積壓縮率等因素，對固體顆粒介質（GM顆粒）熱態下的力學特性及傳壓規律進行了研究。

1 ?固體顆粒成形介質的選用

固體顆粒介質按內部材料成分可以分為兩類，一類是金屬顆粒（Metallic Granules，簡稱MG），另一類是非金屬顆粒（Non-metallic Granules，簡稱NMG）[2]。本文選用NMG為研究對象，即在鋁合金管狀構件熱脹形過程中所使用的傳壓介質為NMG。由于內部材料性質的影響，NMG可以在中等溫度（350℃以下）范圍內仍然具有比較穩定的機械和化學性能。直觀的表現為NMG在熱膨脹的高壓環境中能夠保持顆粒間無粘結，且各顆粒擁有一定的硬度。為了滿足HGMF的工藝需求，滿足要求的NMG介質的直徑為Φ0.05mm～Φ2mm，其中不同類型的顆粒如圖1所示。

2 ?試驗方案設計

我們可以通過如圖2所示的固體顆粒介質熱態傳壓性能試驗裝置，達到了解上述固體顆粒介質在熱態下的傳力特性的目的。本裝置的主要結構包括：承壓筒、壓頭、減力柱、壓力傳感器和測試系統。為了對模具和固體顆粒有較好的加熱和保溫控制，在承壓筒內共有四組控制反饋單元，每組控制反饋單元由相鄰的兩根加熱棒（Φ80mm×230mm）一個熱電偶組成。承壓筒內還有十根壓應力傳感器，為了減小實驗誤差，傳感器需要等差均勻分布在承壓筒的兩個側壁上。該裝置通過伸出桿9、側擋板7、壓應力傳感器8以及上下壓頭處分別設置的1200kN的壓力傳感器（1和13）可以實時測出上下壓頭力的大小，通過位移傳感器可以測得上壓頭的位移。

試驗流程：先對加工時所用的NMG顆粒介質加熱，為了確保所有NMG達到溫度，用接觸式溫度傳感器測量承壓筒5內顆粒堆的中心部位，當接觸式溫度傳感器的測試通道全部達到預期溫度時對其進行保溫。在正式加壓前，使用接觸式溫度傳感器測量NMG的溫度，確保符合溫度要求。通過上壓頭2對NMG施加壓力，在加壓過程中，固體顆粒介質通過伸出桿9將壓力傳遞給壓應力傳感器8和下壓頭11，隨即可得到該溫度下承壓筒5和下壓頭11的壓力值以及上壓頭2的位移值。壓應力傳感器的信號通過YD-28A型動態電阻應變儀輸出，位移傳感器的信號通過5CB-10C型精密數字位移計將數據輸出，到此一組試驗完成。通過改變固體顆粒的加熱溫度以及承壓筒5的高度可以得到多組數據，最后使用INV306N-6260型智能信號采集分析儀對試驗數據進行處理并導出到計算機中繼續處理。

3 ?試驗結果及分析

選取8#顆粒、Φ60mm的料筒、100MPa壓力、有無減力柱為例進行分析。通過得到的數據繪制折線圖，即繪制不同溫度不同位置高度的徑向壓力傳感器壓力值隨著壓頭位置的變化關系曲線，如圖3所示。

圖3（a）和（b）表示的是不同溫度下，沖頭壓力P0=100MPa的Φ60mm的料筒，壓頭形式為平沖頭的徑向傳壓系數隨徑向傳感器與上壓頭距離的變化曲線，兩者的區別在于有無減立柱。圖3（c）和（d）分別表示在沖頭壓力P0=60MPa的Φ60mm的料筒，壓頭形式為平沖頭，有減力柱和無減力柱情況的試驗關系曲線。通過這四個曲線之間的聯系，可以得到徑向傳壓系數與溫度之間呈反比例關系。由圖3中（a）和（c）的曲線變化趨勢可以得知，在有減力柱輔助的情況下，當徑向傳感器與上壓頭的距離在60～160mm范圍內時，徑向傳壓系數隨溫度變化不明顯，且傳壓系數的衰減率變緩。當上壓頭移動到離徑向傳感器60mm以下范圍時，徑向傳壓系數對溫度的影響比較顯著;隨著工作溫度的升高，徑向傳壓系數逐漸降低，且傳壓系數的衰減率較大。通過圖3中（c）和（d）的關系曲線可以得出，在不裝配減力柱時，不同的加工溫度對徑向傳壓系數的影響明顯不同，隨著加工溫度的升高，傳壓系數的衰減率較緩、徑向傳壓系數逐漸降低。

固體顆粒在不同溫度不同壓力差下的性能可以通過固體顆粒的體積壓縮率來分析研究。這是由于固體顆粒之間存在縫隙且固體顆粒會發生彈性變形等因素，在壓頭逐漸下移的過程中，壓頭壓力逐漸增大，顆粒的體積隨之減小，因此體積壓縮率可以設為不同壓力下的行程值與初始裝料高度的比值。在施加壓力前，通過測得沖頭上端面到模具的距離，可以計算出初始裝料高度和體積。

由圖4可知，隨著上壓頭壓力值的增大，固體顆粒的體積壓縮率呈線性增長;在上壓頭壓力相等的情況下，溫度越高，體積壓縮率越小。

由圖5可知，體積壓縮率與上下壓頭壓力差成正比例關系，與加工溫度成反比例關系。

4 ?結語

（1）不同溫度下顆粒對筒壁的側壓會隨著顆粒深度的增加而衰減。

（2）顆粒介質的體積壓縮率會隨上下壓頭壓力差的增大而逐漸升高，隨著溫度的升高而逐漸降低。

參考文獻

[1] Research on technological parameters of pressure forming with hot granule medium on AA7075 sheet[J]. 中南大學學報：英文版， 2016（4）：765-777.

[2] 趙長財.固體顆粒介質成形新工藝及其理論研究[D].燕山大學，2005.

[3] 陳曉華.AA5083管材顆粒介質脹形工藝分析與試驗研究[D].燕山大學，2016.