CN113134519B - 一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法，所述铝合金型材为方形合金管，其包括：S1、将方形合金管其中一个变形平面划分为三个区域；S2、获取所述三个区域内对应的合金和橡胶上的压力分析模型；S3、创建所述三个区域对应的径向剪应力的模型；S4、创建所述三个区域内部和外部零件对应的径向分析方程；S5、获取在压制过程中用于显示变形平面上管子的形状和尺寸变化参数即径向厚度比；S6、获取另一显示变形平面上管子的形状和尺寸变化参数即横向厚度比；S7、基于所述径向厚度比以及横向厚度比，对所述铝合金型材进行变形预测。本发明可保持良好的截面形状及尺寸，其中不论横纵截面均可在等径角挤压过程中维持初始精度。

Description

一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法

技术领域

本发明涉及大塑性变形技术领域，尤其涉及一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法。

背景技术

铝合金型材因其形状复杂，故可应用在航空、航天、汽车、船舶、机械、建筑、装潢等领域。铝合金比重较轻，可大幅减轻工业成品重量，节约燃油能源消耗，同时因型材的空心结构可以进一步减轻重量。作为拥有材料轻量化与结构轻量化的双重轻量化材料——铝合金型材正越来越多的成为国民工业中不可或缺的重要材料产品。有数据统计，全世界铝材产量超过六千万吨，其中铝合金型材产品约占90％左右。这类产品因具有特殊的功能和用途，尺寸需具有极高精度。同时铝合金型材作为各个应用领域中关键的力学承载部件，其结构强度同样需要满足严苛的要求，以综合力学性能为保证的轻量化才能真正得以应用和实现。

现今铝合金型材的生产制造大多采用分流模挤压或铸造等加工方式，在加工过程中，有限的变形量无法给予型材理想的力学性能提升，同时型材的尺寸也无法在变形中得到有效地保持。根据塑性加工领域经典的霍尔佩奇公式，需要给予材料剧烈变形方可获得足够细小的晶粒尺寸，从而使得材料获得理想的力学性能提升。但需要指出，剧烈塑性变形方法又称大塑性变形方法(SPD，Severe Plastic Deformation)的发明主要针对块状固体或板带类材料，并不适用于空心型材的加工制造。

如图1所示，图1(a、b)分别为等径角挤压方法和高压扭转方法，其主要针对块状固体材料；如图1(c)为累积叠轧方法，其主要针对板带材。与此类方法类似的还有一些其他针对实心材料的大塑性变形方法，但如若变形材料为空心结构，则材料的空心结构在变形中便不能得以有效维持，因此上述方法均无法有效地对空心型材进行大塑性变形加工。

如图2(a)，图2(b)和图2(c)分别为旋转挤压法，高压管扭转法以及管材径角挤压法。上述方法借助一定的固定或者旋转管芯，在给予管材大塑性变形的同时良好地维持了管材的截面尺寸精度。但需要指出，上述针对管材的大塑性变形方法在使用时，管材均需具有回转对称结构，且截面中心不可具有复杂结构。如若需对复杂结构铝合金型材进行大塑性变形，则上述方法均不可适用。

为将针对块状材料的大塑性变形方法应用至中空材料，Nagasekhar和Jafarlou分别将沙子和液压油填装至管材中，通过上述可变形芯材的使用管状材料得以采用等径角挤压方法进行大塑性变形过程。但仍需指出，沙芯破坏了材料内壁的表面质量，而液压油芯的剪切力变化机理较为复杂，型材截面控制效果有限。为解决上述问题，Mufadi和Ebrahimi尝试将聚氨酯材料装填入铝合金管中，并通过等径角挤压方式完成了对铝合金管材的大塑性变形。但仅将管材作为极其特殊的型材种类，其变形特点与复杂型材相差甚远。管材具有回转体结构，同时管材的变形仅仅集中在管壁，管壁与中心部分之间的应力应变传递关系并不明确，如何将更为复杂的铝合金型材添加聚氨酯软芯，建立应力应变在铝合金与聚氨酯芯材间的传递关系，并最终在等径角挤压过程中实现对复杂型材的剧烈塑性变形成为现今亟需解决的关键问题。

发明内容

基于此，为解决在现有技术所存在的不足，特提出了一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法。

一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法，所述铝合金型材为方形合金管，其特征在于，包括：

S1、将方形合金管其中一个变形平面划分为三个区域，其分别为第一区域，其对应

第二区域对应/>

第三区域对应/>

其中，t_D为变形平面内的总通道厚度；dθ为极坐标下变形平面的挤压路径；

S2、获取所述三个区域内对应的合金和橡胶上的压力分析模型，所述模型与对应的公式为

其中，p是施加在合金和橡胶上的压力，k为铝合金的剪切屈服应力，τ_r为沿径向的剪应力，τ_f为合金与通道间的摩擦应力；

S3、创建所述三个区域对应的径向剪应力的模型，所述模型的表达式为当r_i＜＜t_D＜r_o，

表示为：

其中，τ_f＝m_{alloy-channel}k，τ_mf＝m_alloy-rubberk，τ_mf为合金和橡胶之间的摩擦应力，m_{alloy-channel}为合金与通道表面的摩擦因数，m_alloy-rubber为合金与橡胶表面的摩擦系数Φ为变形区的内角，Ψ为变形区外角；

S4、创建所述三个区域内部和外部零件对应的径向分析方程；

/>

其中，t_ax为合金原始体的厚度，对应的表达式为

t_ax＝C_xe^-∫H(θ)dθ(x＝1,2)；

H(θ)对应的表达式为，

S5、获取在压制过程中用于显示变形平面上管子的形状和尺寸变化参数即径向厚度比，对应的表达式为

S6、获取另一显示变形平面上管子的形状和尺寸变化参数即横向厚度比；

S7、基于所述径向厚度比以及横向厚度比，对所述铝合金型材进行变形预测。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

采用了上述技术之后，实现了铝合金型材截面不论简单或复杂在聚氨酯芯等径角挤压后均可保持良好的截面形状及尺寸，其中不论横纵截面均可在等径角挤压过程中维持初始精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：图1(a)、(b)、(c)分别为常见的块状材料大塑性变形方法中的等径角挤压法、高压扭转法以及累积叠轧法示意图；

图2(a)、(b)、(c)分别为常见的管状材料大塑性变形方法中的旋转挤压法、、高压管扭转法、管材等径角挤压法示意图；

图3(a)、(b)分别为管状材料等径角挤压变形方法中砂芯-等径角挤压法、油芯-等径角挤压法示意图；

图4为一个实施例中实施步骤流程图；

图5(a)、(b)为一个实施例中R-ECAP变形面及变形带示意图；

图6为一个实施例中I区分析示意图；

图7(a)、(b)、(c)分别为一个实施例中正常坐标系下模型、产生变形截面、横向平面示意图；

图8为一个实施例中合金型钢和聚氨酯芯棒的横截面示意图；

图9(a)、(b)、(c)分别为一个实施例中铝合金晶粒细化金相过程(分别为初始、一道次、二道次)示意图；

图10为一个实施例中铝合金方管型材聚氨酯芯等径角挤压过程仿真示意图；

图11为一个实施例中铝合金方管型材聚氨酯芯等径角挤压前后型材对比示意图；

图12(a)、(b)分别为一个实施例中铝合金圆管型材聚氨酯芯等径角挤压前后型材对比示意图；

图13(a)、(b)、(c)分别为一个实施例中复杂铝合金型材等径角挤压后前后对比示意效果图；

图14(a)、(b)分别为一个实施例中复杂铝合金型材等径角挤压截面前后对比示意效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

解决在面对现有技术中在界面设计方案时存在的不足，在本实施例中，特提出了一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法，所述铝合金型材为方形合金管，如图4所示，该方法包括：S1、将方形合金管其中一个变形平面划分为三个区域，其分别为第一区域，其对应

第二区域对应/>

第三区域对应/>

其中，t_D为变形平面内的总通道厚度；dθ为极坐标下变形平面的挤压路径；在一些具体的实施例中，为分析R-ECAP的变形过程，需采用方形合金管作为代表。由于ECAP是一个典型的平面变形过程，所以对其中一个变形平面面进行了分析。如图5所示，其中一个变形平面的变形区域可分为三个区域。一区为OA～OB，该区域通道总厚度t_D增大。由于变形区可以用极坐标来描述，所以用dθ来表示压下行程。在区域I(OAB)中,可以看出/>

而在第二区(OBC)和第三区(OCD)，分别是/>

和/>

变形区有两个角，内角定义为Φ，外角定义为Ψ；合金的内部和外部分别定义为A₁和A₂，且此型号的橡胶芯为R₁；变形平面上方合金的厚度分别定义为t_a1和t_a2，橡胶的厚度是t_r1，基于几何关系得出t_D＝t_a1+t_r1+t_a2。因此，变形区边界在变形平面可由两个圆来限制，这两个圆的半径分别是r₁₂和r₂₃，其分别是A₁-R₁和R₁-A₂之间两个边界的径向半径。

S2、获取所述三个区域内对应的合金和橡胶上的压力分析模型，所述模型与对应的公式为

其中，p是施加在合金和橡胶上的压力，k为铝合金的剪切屈服应力，τ_r-沿径向的剪应力，τ_f为合金与通道间的摩擦应力；在一些具体的实施例中，从一般性的角度出发，区域I被选为第一个对象。从图6中，ξ₁和ξ₂是A₁-R₁和R₁-A₂之间边界的偏转角；τ_f是合金与而τ_mf是合金与橡胶之间的摩擦应力；τ_r是沿径向的剪应力；σ是从通道作用于合金上的应力；p是施加在合金和橡胶上的压力。由于帕斯卡原理，橡胶的两个边界上的压力是相同的；p_rubber是合金和橡胶之间表面的压力。从图6可以看出，所有的原始体A₁、R₁和A₂都是需要单独研究的。

对于原始体A₁对于R1，分别沿轴向建立一个方程后解析，即：

根据几何关系，其可在不同区域接收，则为

将式(2)代入式(1)，式(2)可以改变为：

同理分别对其余两个区域解析后，可得出作用于三个区域的合金和橡胶上的压力可收集为式(4)，即

根据式(4)，可知压应力与沿径向的剪切应力以及合金与通道之间的摩擦应力有关。因此，R-ECAP的过程可以得到实质性的描述，即合金在剪切应力和摩擦应力的作用下受到挤压，所有的剪切屈服应力k、变形几何参数θ、剪切应力和摩擦应力都对这一过程有一定的影响。

S3、创建所述三个区域对应的径向剪应力的模型，所述模型的表达式为当r_i＜＜t_D＜r_o，

表示为：

其中，τ_f＝m_{alloy-channel}k，τ_mf＝m_alloy-rubberk，τ_mf为合金和橡胶之间的摩擦应力，m_{alloy-channel}为合金与通道表面的摩擦因数，m_alloy-rubber为合金与橡胶表面的摩擦系数Φ为变形区的内角，Ψ为变形区外角；在一些具体的实施例中，由于剪应力的大小可以通过共轭剪应力定理得到，则根据I区关于A₁和R₁以及A₂的方程，得出以下方程。

利用上述方程，可在I区得到式(6)

将式(2)代入式(6)，可以得到I区径向剪应力的表达式；三个区域的径向剪应力表达式都可以用同样的方法得到；当r_i＜＜t_D＜r_o，

可以表示为：

由于摩擦应力可以由τ_f＝m_{alloy-channel}k，τ_mf＝m_alloy-rubberk来表示，所以所有的应力都可以表示和获得；在下述内容中，这些应力表达式将以机械方式显示R-ECAP过程中管壁厚度的形状控制机制。

S4、创建所述三个区域内部和外部零件对应的径向分析方程；

其中，t_ax为合金原始体的厚度，对应的表达式为

t_ax＝C_xe^-∫H(θ)dθ(x＝1,2)；

H(θ)对应的表达式为，

在一些具体的实施例中，当对A₁和A₂进行径向分析时，可以得出以下方程。

考虑到屈服准则σ-p＝2k，将式(8)代入I区A₁和A₂方程，式(8)可改为

同样，其他两个区域也可以产生类似的关系，即

通过式(5)的讨论可知，能够将共轭剪应力定理应用于本分析过程中；将根据该定理得到的这些方程代入方程(9)和(10)，则得到各区域的方程：

t_ax定义为合金原始体的厚度。当x＝1和x＝2时，可分别表示A₁和A₂的厚度。

t_ax＝C_xe^-∫H(θ)dθ(x＝1,2) (11)

其中H(θ)可以用以下方程式表示。

S5、获取在压制过程中用于显示变形平面上管子的形状和尺寸变化参数即径向厚度比，对应的表达式为

在一些具体的实施例中，在压制过程中得到A₁和A₂的厚度比，即式(13)，根据式(13)，A₁和A₂的厚度分别为t_a1和t_a2。厚度比可以用来显示变形平面上管子的形状和尺寸变化。基于上述内筒可得，当它开始变形时θ＝0°，t_a1＝C₁和t_a2＝C₂；在变形过程中，变形平面的厚度比可以是一个常数。这个比率总是最初的/>

由于聚氨酯芯棒的厚度始终是初始值，因此合金的厚度也等于变形面变形区末端的初始厚度。

S6、获取另一显示变形平面上管子的形状和尺寸变化参数即横向厚度比；在一些具体的实施例中，但管的形状和尺寸是一个二维平面问题；如图6所示，正交管R-ECAP有两个平面。因此，在R-ECAP过程中，还应获得横向厚度比。根据平面变形应力状态，横向无限小位移可以为零；那么这个横向平面的厚度比也可以等于初始的厚度比。

S7、基于所述径向厚度比以及横向厚度比，对所述铝合金型材进行变形预测；在得到两个方向的管厚比后，可以预测管的形状和尺寸。如图7所示，沿X方向为变形面；在这个方向上有t_a1和t_a2；在横向，也有t_t-1和t_t-2；即

根据式(14)，无论在变形面还是在横向面，合金的厚度比始终等于初始值。由于聚氨酯芯的厚度在R-ECAP过程中是一个常数，因此根据力学理论可以很好地控制管材的形状和尺寸。因此从理论分析上，完全证明了本发明即R-ECAP的可行性。另，上述公式中各个参数符号的含义统一描述：t_D为总通道厚度；dθ为极坐标下的挤压路径；Φ为变形区的内角；Ψ为变形区外角；A₁和A₂-合金的内部和外部零件分别为A₁和A₂；R₁为聚氨酯橡胶芯轴部分宽度；t_a1和t_a2分别为变形面上方形合金的厚度；t_t-1和t_t-2分别为横向平面上方形合金的厚度；t_r1-聚氨酯橡胶芯轴在变形面上的厚度；r_i和r_o-分别为变形区内外通道边界的半径；r₁₂和r₂₃分别为A₁-R₁和R₁-A₂之间两个边界的径向半径；ξ₁和ξ₂分别为A₁-R₁和R₁-A₂.之间边界的偏角；τ_f为合金与通道间的摩擦应力；τ_mf为合金和橡胶之间的摩擦应力；τ_r为沿径向的剪应力；σ为从通道作用于合金上的应力；p为合金和橡胶上的压力；p_rubber为对合金和橡胶之间表面的压力；k为铝合金的剪切屈服应力；m_{alloy-channel}为合金与通道表面的摩擦因数；m_alloy-rubber为合金与橡胶表面的摩擦系数。

下面以具体实验例对本案做进一步说明：首先，铝合金型材的晶粒得到充分细化，力学性能提升：从图10中可以看出，经过两道次聚氨酯芯等径角挤压的剧烈塑性变形后，晶粒尺寸可以细化50％以上，根据金属屈服强度与晶粒尺寸间的霍尔-佩奇(Hall-Petch)

σ_s＝σ₀+Kd^-1/2 (15)

晶粒细化后的合金强度和塑性均可得到大幅提升，实际测量结果在两道次变性后，合金屈服强度提升超过200％，同时硬度也提升两倍以上。

其次，铝合金型材的尺寸精度得到有效保持，从图11-14中可知，铝合金型材截面不论简单或复杂在聚氨酯芯等径角挤压后均可保持良好的截面形及尺寸，其中不论横纵截面均可在等径角挤压过程中维持初始精度。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种铝合金型材聚氨酯芯等径角挤压方法，所述铝合金型材包括方形合金管，其特征在于，包括：

S1、将铝合金型材其中一个变形平面划分为三个区域，其分别为第一区域，其对应

第二区域对应/>

第三区域对应/>

其中，t_D为变形平面内的总通道厚度；dθ为极坐标下变形平面的挤压路径；

S2、获取所述三个区域内对应的合金和聚氨酯芯上的压力分析模型；

S3、创建所述三个区域对应的径向剪应力的模型；

S4、创建所述三个区域内部和外部零件对应的径向分析方程；

其中，t_ax为合金原始体的厚度，对应的表达式为

t_ax＝C_xe^-∫H(θ)dθ(x＝1,2)；

H(θ)对应的表达式为，

S5、获取在压制过程中用于显示变形平面上方形合金管的形状和尺寸变化参数即径向厚度比；

S6、获取另一显示变形平面上方形合金管的形状和尺寸变化参数即横向厚度比；

S7、基于所述径向厚度比以及横向厚度比，对所述铝合金型材进行变形预测；上述各参数对应的含义以及关系如下：

t_D＝t_a1+t_r1+t_a2，其中，t_a1和t_a2均是指变形平面上方形合金管的厚度，

t_r1表示聚氨酯芯在变形面上的厚度；A₁和A₂分别表示合金的内部和外部零件；R₁为聚氨酯芯部分宽度；r_i和r_o分别表示为变形区内外通道边界的半径；r₁₂和r₂₃分别为A₁-R₁和R₁-A₂之间两个边界的径向半径；θ为

变形几何参数；p是施加在合金和聚氨酯芯上的压力；Ψ为变形区外角；k为铝合金的剪切屈服应力，τ_r为沿径向的剪应力，τ_f为合金与通道间的摩擦应力，τ_mf为合金和聚氨酯芯之间的摩擦应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述三个区域内对应的合金和聚氨酯芯上的压力分析模型，所述压力分析模型与对应的公式为

其中，p是施加在合金和聚氨酯芯上的压力，k为铝合金的剪切屈服应力，τ_r为沿径向的剪应力，τ_f为合金与通道间的摩擦应力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，创建所述三个区域对应的径向剪应力的模型，所述径向剪应力的模型的表达式为当r_i＜＜t_D＜r_o，

表示为：

其中，τ_f＝m_{alloy-channel}k，τ_mf＝m_alloy-rubberk，τ_mf为合金和聚氨酯芯之间的摩擦应力，m_{alloy-channel}为合金与通道表面的摩擦因数，m_alloy-rubber为合金与聚氨酯芯表面的摩擦系数，Ψ为变形区外角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获取在压制过程中用于显示变形平面上方形合金管的形状和尺寸变化参数即径向厚度比，对应的表达式为

其中上述表达式在方形合金管开始变形时θ＝0，t_a1＝C₁和t_a2＝C₂。/>

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