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铝合金覆盖件成形新技术(2)

2008-02-15   中国金属加工在线(mw1950.com)

    2001年,美国能源部启动了“铝合金板材电磁成形” (Electromagnetic Forming of AluminumSheet) 项目,由Ford 、GM、Dai mlerchrysler 和PNNL ( Pacific Northwest National Laboratory) 等多家研究机构参加,合作开发铝合金板材电磁成形技术,目的是实现铝合金板材汽车零件加工的经济制造。主要进行了三项研究content:

    ( 1) 板材电磁成形系统的分析模型。
    ( 2) 用于生产的耐用线圈设计和开发,目标寿命10万次放电。
    ( 3) 开发集电磁成形和普通板料冲压成形于一体的复合成形系统( EMAS) 。

    美国能源部发布的该项目2005 年度的研究报告显示,已经在PNNL 设计和安装了放电能量150kJ 的板料电磁成形设备;建立了线圈耐用性试验装置、生产用线圈的热力学特征评价方法及线圈的有效冷却技术;开发了校形工艺,有效地减小了工件的回弹;开展了有助于工艺设计的数值模拟研究;并在上述研究成果的基础上,重点进行EMAS 整套技术的开发。铝合金板材电磁成形技术( Electromagnetic Forming of AluminumSheet) 也是美国橡树岭国家实验室( ORNL)正在进行的汽车用铝合金成形技术的研发项目之一。

    目前,多特蒙德大学在德国研究基金( Deutsche Forschungsgemeinschaft/ DFG - 443) 的支持下进行板料电磁成形机理( Investigation of the Working Mechanisms of Electromagnetic Sheet Metal Forming) 的研究工作,其中包括EMAS 技术及适于轿车变截面空心框架结构件的复合工艺( Bending - EMF- Hydroforming) 研究。在SAB开发银行的资助下,德国大众企业、西门子电气企业和夫琅和费成形工艺与装备研究所联合进行面向制造的板料电磁成形技术研究,主要解决设备、线圈、工艺和数值模拟等关键问题。

    自20世纪80年代中期以来,哈尔滨工业大学一直从事电磁成形技术的研究,已为国内多家单位研制了不同放电能量的设备近10台,系统地开展了铝合金管件电磁胀形、缩径及有模精密成形技术的数值模拟和试验研究,以及超细粉末材料磁脉冲动态致密技术,铝合金板材磁脉冲成形数值模拟和试验研究等工作。板材电磁成形过程中工件动态变形行为、高速变形条件下材料的成形性、耐用成形线圈和高能脉冲放电设备的研制及EMAS下多场耦合响应和工艺等方面的研究工作也在进行中,并取得了初步研究成果。国内武汉理工大学、北京机电研究所及航天领域的研究所等多家单位也开展了板材电磁成形技术的相关研究工作。

    二、传统塑性加工技术的应用

    近年来,新颖的铝合金板材成形技术主要有热冲压、热态液力成形和超塑成形等。

    1. 热冲压

    在热冲压加工过程中,通过嵌于模具中的电阻加热棒对其自身圆角等控制金属板料流动的关键部位和板料进行加热(一般介于200 ~300 ℃) 。研究表明,在上述温度下进行冲压成形,5000和6000系列铝合金的成形性大幅度提高。对5754 - O铝合金板材分别在室温、100℃、175℃ 和250℃下进行带锥度的盒形件拉深试验。最大拉深深度分别为35mm、38mm、45mm 和60mm。

    2002年,通用汽车公司的Paul Krajewski 在铝合金热冲压成形研究中,发明了一种含氧化镁乳液的新型润滑剂。通过在氮化硼等润滑剂中添加这种氧化镁乳液,可以成功地用于板料热冲压成形。

    2. 热态液力成形

    热态液力成形时,将加热到预置温度的专用耐热油注入到已预热的模具型腔,通过加热和冷却装置将模具及液体的温度控制在合适的范围内,然后按照设计的加载路径进行成形。欧美著名的汽车厂商和研究机构非常重视开发新的热态液力成形技术。德国于20世纪90年代初率先采用液力成形技术生产轿车的零部件,如底盘类零件、仪表盘支架、发动机与驱动系统、转向及悬挂系统等。大众、宝马、奥迪和美国的三大汽车制造公司等都采用了此技术。哈尔滨工业大学正在进行板材热态液力成形技术的研究,拟在温度场和热态压力的双重作用下解决室温下难成形轻质材料的塑性加工问题,并已取得了一系列研究成果。

    3. 超塑成形

    铝合金在特定的条件下,可以获得很好的超塑性。由于实际的生产效率很低,因此只应用在一些特殊的、小批量的生产领域,如航空航天、军工及一些豪华轿车的生产中,超塑成形才是铝合金及镁合金最合适的成形方法。目前,国外take用超塑成形技术成功地成形了5083 铝合金板材汽车覆盖件,其超塑性伸长率可达500% 。在福特公司为纪念成立100周年生产的Ford GT纪念车上,采用了全铝结构车身,而几乎所有的覆盖件都是用超塑性成形技术生产的。

    在传统的超塑性成形和热胀成形的基础上发展起来的热态金属气胀成形,对应变速率和温度的要求不像超塑成形那么严格,可以在较大的温度区间快速成形。因此,气胀成形已成为塑性加工领域的研究热点之一。

    三、结语

    从电磁成形技术的出现到现在,已经有近半个世纪的时间了。虽然在汽车制造、航空航天、军工、电子等领域得到了不同程度的应用,但是从未获得和传统成形工艺比肩的地位,或达到“应用广泛” 的程度。20世纪90年代中期以来,电磁成形技术又重新引起了人们的关注。德国的Kleiner教授认为引起关注的原因有两个: 一是汽车、飞行器等交通工具面临减重、节能降耗等问题;二是高能成形设备的开发和FEM 的应用使电磁成形技术的理论研究和过程预测取得新进展。磁脉冲辅助冲压成形技术( EMAS) 是电磁成形技术用于大型铝合金板料成形加工的主要途径之一,也是电磁成形技术在汽车制造和航空航天领域的轻质合金板料成形中真正得到广泛应用的希望所在。实现EMAS工业化应用还需要解决耐用线圈的设计和优化、多物理场数值模拟、磁脉冲作用下材料性能、工艺的设计和优化等关键技术。

    目前,在大批量的汽车制造中,钢板材料仍处于无可替代的地位,而在高端产品和中、小批量的生产中铝合金板材占据优势。可以预见,在不久的将来,随着以EMAS 技术为代表的铝合金板材成形技术的推广应用,铝合金必将在各主要工业领域得到更广泛应用。因此,在国内开展铝合金EMAS 技术的研究,以及借此扩大此类轻质材料在汽车、航天航空等行业的应用,不仅具有重要的学术价值,而且还具有十分重要的经济和战略意义。

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关键词:铝合金覆盖件,成形技术, | 作者 :

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