6061－T4大直径薄壁管数控弯曲壁厚变化实验研究

田玉丽，杨 合，李 恒，逯若东，王泽康

(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072)

6061－T4大直径薄壁管数控弯曲壁厚变化实验研究

田玉丽，杨 合，李 恒，逯若东，王泽康

(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072)

为实现6061-T4大直径薄壁铝管数控弯曲精确成形，提高其成形极限与质量，需对弯曲过程中壁厚变化进行有效控制.本文以该材料Φ50.8 mm×0.889 mm×101.6 mm(直径D×壁厚t×弯曲半径R)薄壁铝管为研究对象，实验研究了弯曲角度、芯棒伸出量、芯球个数、弯曲速度等可控参数对壁厚的影响规律.研究结果表明：在整个弯曲段内，中性层并不是均匀地发生等距离偏移，中性层偏移量(E)与内外脊线壁厚变化率差值(η)存在线性关系，E随的增大而增大;增大弯曲角度、芯棒伸出量、弯曲速度都导致内外脊线壁厚变化程度加重，管材壁厚变化不均匀度加剧;芯球个数对壁厚的影响呈非线性;基于优化的工艺参数组合，成功获得最大壁厚减薄率为22%的180°合格弯曲管件.

薄壁铝管;6061-T4;数控弯曲;壁厚变化;实验研究

薄壁弯管零件，由于能够满足对产品轻量化、强韧化和低消耗等方面的工程需求，在航空、航天和汽车等领域得到广泛应用［1］.6061-T4铝合金是Al-Mg-Si系合金，固溶热处理后自然时效至基本稳定状态，该合金具有较高强度，良好塑性和优良耐蚀性，广泛应用于制造飞机输油、环控及供氧等系统导管零件.数控弯曲工艺能够满足对弯曲件生产过程精确化、高效率的需求，在航空、航天工业的管弯曲成形加工中，占据了重要地位［1］.随着我国大飞机和新一代军机的研制，铝合金大直径薄壁管件作为一种关键的轻量化构件，将在航空工业中得到广泛的使用，因此，迫切需要研究和发展铝合金大直径薄壁管的数控弯曲技术.然而，数控弯曲是一个多模具严格配合，多因素耦合影响的复杂非线性成形过程，弯曲过程中管材壁厚发生不均匀变形，外侧壁厚减薄，内侧壁厚增厚，壁厚不均匀分布直接降低管件承受内压的能力，影响强度、刚度等机械性能，制约了弯管件的使用.

国内外学者采用理论分析、数值模拟、实验研究等方法对数控弯曲过程中管材壁厚变化进行了大量研究.文献［2］根据管材几何结构，利用塑性变形理论推导了简化的管材弯曲壁厚变化公式;鄂大辛［3］基于实验研究分析发现壁厚减薄量随材料硬化指数和延伸率增大而增大，随屈强比增大而减小;张静静［4］模拟研究了压力模参数对规格为Φ127 mm×1.25 mm(t)×190.5 mm(R)的大口径薄壁铝管弯曲壁厚减薄的影响，发现合理增加压块与管件间的摩擦和压块速度，有助于控制壁厚减薄;李恒等［5-6］采用模拟结合实验的方法研究了芯模参数对规格为Φ38 mm×1 mm(t)的5052O铝合金管成形质量的影响，发现增大芯棒直径和芯棒伸出量增大壁厚减薄，并推导出实用的芯模参数选取公式;岳永保［7-8］研究发现对规格为 Φ50 mm×1 mm(t)×100 mm(R)的5052O铝管，壁厚减薄随芯球个数、弯曲角度、相对弯曲半径的增大而显著增大，铝合金管比不锈钢管更易出现拉裂缺陷;而对于 Φ14 mm× 1.35 mm(t)的TA18中强厚壁钛管，弯曲角度大于20°后壁厚变化趋势不大.以上研究发现，弯曲角度、芯棒伸出量、芯球个数和弯曲速度等可控参数是影响管材数控弯曲过程中壁厚变化的主要因素，然而，目前针对6061-T4大直径薄壁铝合金管数控弯曲成形规律的研究鲜见报道，各工艺参数对其数控弯曲成形质量的影响规律尚未得知，缺乏可靠实验数据的积累.为了获得数控弯曲过程中6061-T4大直径薄壁铝管壁厚的变化规律，本文以Φ50.8 mm×0.889 mm(t)×101.6 mm (R)的6061-T4管为研究对象，通过单因素法实验研究了弯曲角度、芯棒伸出量、芯球个数和弯曲速度等可控参数对6061-T4薄壁铝管数控弯曲壁厚的影响规律，并获得了中性层偏移量随壁厚变化不均匀度的变化规律，在此基础上获得优化参数并实现了该规格大直径薄壁铝管数控弯曲精确成形.

1 实验

1.1 材料及其力学性能的测试

根据国标GB/T228-2002，利用线切割沿管件轴向截取弧形试样进行单拉实验，得到该管材的基本力学性能参数，见表1.

表1 管材材料力学性能参数

1.2 实验条件

采用实验法研究薄壁铝管数控弯曲壁厚变化，弯管机型号为W27YPC-63.实验中，采用粘稠度高抗压性能好的不锈钢专用拉伸油S980B加汽油稀释后作为润滑剂，充分润滑芯模、防皱模、以及管件内壁，夹持模、压力模与管件外壁为干摩擦，充分压紧夹持模以保证夹持模与管件之间无相对滑动，压力模速度同弯曲模中心线切向线速度相匹配.实验模具尺寸如表2所示.

其中，相对弯曲半径R=101.6 mm，R/D=2，实验中工艺参数值如表3所示，其中斜体数值为各工艺参数基本值，如无特殊说明，各工艺参数均选取其基本值.

表2 模具尺寸 (mm)

表3 工艺参数值

1.3 测量方法

数控弯曲过程中，中性层外侧材料受切向拉应力作用产生拉伸变形，外层纤维被拉长，由于变形过程中体积不变，故外侧管壁厚度方向减薄;中性层内侧材料受切向压应力作用被压缩，导致内侧壁厚增加，且位于弯曲变形区最外侧和最内侧的材料受切向应力绝对值最大，其管壁壁厚变化最具代表性，因此，实验选取弯曲平面内管壁最外侧及最内侧脊线处的壁厚变化情况作为研究对象.壁厚变化计算公式为

式中:△t为壁厚变化率;t0为原始壁厚(mm);t为弯曲后测得壁厚(mm).对实验所得弯管采取线切割的方式沿弯曲平面剖开，使用测量精度为0.001 mm的螺旋尖头千分尺对内外脊线壁厚进行测量，测量顺序以夹持端为起始端，每隔10°进行一次测量，测量位置与顺序如图1(a)所示.对弯管径向剖面上的壁厚测量顺序定义如图1(b)所示.

图1 弯管测量顺序及定义示意图

在弯曲过程中，由于材料、加载条件以及边界条件均关于弯曲平面对称，故在截面圆周上，选取从0°～180°处厚向应变进行研究，x、y轴正方向定义如图1所示.

2 结果与讨论

2.1 弯曲角度对壁厚变化的影响

图2为不同弯曲角度对6061-T4铝合金管数控弯曲外脊线壁厚减薄率及内脊线壁厚增厚率的影响，可以看出，随弯曲角度增加，外脊线壁厚减薄率及内脊线壁厚增厚率都相应增大.这是因为弯曲角度增大，外脊线材料变形程度增大，材料所受切向拉应力加大，导致减薄加重;同时弯曲角度越大，参与变形的材料增多，内侧材料由于挤压堆积显著增厚，壁厚增厚率增大.对比图2(a)及 (b)可以看出，壁厚减薄率及增厚率数值不等，存在一定差值，故壁厚变化呈现出不均匀性，本文提出壁厚变化率差值(η)来表征壁厚变化不均度，

式中:η为壁厚变化率差值;△t内为内脊线壁厚变化率;△t外为外脊线壁厚变化率.

图2 弯曲角度对壁厚变化的影响

图3所示为不同角度弯管的内外脊线壁厚变化率差值η在各弯曲截面上的分布情况，可以看出:在弯曲前段，靠近夹持端(0°)附近，η＞0，即壁厚增厚率大于减薄率;随弯曲变形的进行，壁厚减薄逐渐加重，η逐渐减小至η＜0;180°弯曲条件下η的波动范围最大，壁厚变化不均匀性最显著.

为进一步研究壁厚变化不均匀度对管材中性层偏移量的影响，选取180°弯曲角下的管材沿径向剖分，图4为180°弯管90°弯曲截面上的厚向应变分布，可以看出，厚向应变为0处(对应应变中性层)不在90°，而位于94°左右，表示在弯曲径向截面上，应变中性层沿y轴负方向(即弯管内侧)发生了偏移，偏移量近似由式(3)求出(r为管材外半径)，

求得E=-1.772 mm.

图3 弯曲角度对壁厚变化不均匀度的影响

图4180 °弯管90°截面处厚向应变

采取同样的方法，针对180°弯管0°、45°、135°、180°的4个弯曲截面上的壁厚进行测量，得到各截面上的中性层偏移量，结果如图5所示，可以看出，在整个弯曲段内，中性层并不是均匀地沿轴向发生等距离偏移:0°～45°截面上中性层向外偏移，且靠近夹持端中性层外移量最大;在45°～90°截面内，中性层偏移逐渐从向外转变为向内，在90°～135°变形区域内，中性层向内偏移，在135°～180°弯曲截面上中性层偏移又从向内逐渐转变为向外，且0°和135°弯曲截面上分别具有最大的中性层外移、内移量.同时可以看出，中性层偏移量E的变化与壁厚变化率差值η存在线性关系:η为正，中性层向弯曲外侧偏移，η为负，中性层向弯曲内侧偏移，且越大，中性层偏移越显著.

图5 180°弯管不同截面上的中性层偏移量与壁厚变化率差值

2.2 芯棒伸出量对壁厚变化的影响

在实际弯曲过程中，芯棒伸出量过大易导致弯管外侧管壁破裂，实际取值应小于最大临界值，因此，既可为管材提供有效支撑，又不会使管壁过度减薄致使拉裂.文献［6］推导出了最大芯棒伸出量的估算公式:

式中:R为弯曲半径(mm);D为管件外径(mm);t为管件壁厚(mm);d为芯棒直径(mm);rd为芯棒端部圆角半径.芯模端部圆角半径rd=2 mm，由此得出最大伸出量e≈8 mm.

图6为不同芯棒伸出量对6061-T4铝合金管数控弯曲外脊线壁厚减薄率及内脊线壁厚增厚率的影响，可以看出铝合金管外、内脊线壁厚变化对芯棒伸出量变化较敏感，在e=0～7 mm内增大伸出量时，壁厚减薄及增厚率均显著增大.这是因为:1)管材在弯曲过程中做圆弧形绕弯变形，芯棒超出切点位置距离越大，则对管材正常流动的阻力越大，导致管材壁厚变形加剧，使得变形区域外侧材料所受拉应力与内侧材料所受压应力都增加，从而造成外侧减薄与内侧增厚同时加重; 2)芯棒与管件内壁存在摩擦阻力，增大芯棒伸出量，则增加了芯棒与变形区域管材的作用面积，进一步增大其对变形区域管材的阻力，加剧壁厚变化.

由图6可以看出，在e=0 mm时，由于芯棒对管材流动的阻碍作用最小，故壁厚变化曲线最平缓，随伸出量增大，壁厚变化曲线波动增大.在伸出量从0 mm增大至5 mm时，壁厚减薄率最大增大3.71%，而从5 mm增至7 mm时，壁厚减薄率最大增大5.17%，且在e=7 mm时，外脊线最大壁厚减薄率已超出航空标准对壁厚减薄要求的25%，同时，由图7可以看出，在e=7 mm时，壁厚变化率差值η的波动幅度最大，壁厚变化不均匀程度最显著，不利于成形.

图6 芯棒伸出量对壁厚变化的影响

图7 芯棒伸出量对壁厚变化不均度的影响

由此可以看出，芯棒伸出量过大会导致外侧壁厚减薄严重直至破裂，同时内侧壁厚增厚明显，加大失稳起皱趋势，壁厚变化不均匀程度显著.故在数控弯曲加工过程中要兼顾壁厚变化和截面畸变要求，合理选取芯棒伸出量.

综合考虑壁厚变化情况及壁厚变化不均匀度，可以看出，在e=5 mm时，外脊线壁厚减薄率在航空标准范围内，同时，其壁厚变化不均匀度与e=0 mm时结果差异不大，但其为管材提供支撑能力较优，故选取芯棒伸出量e=5 mm为该规格管材数控弯曲工艺中的最优芯棒伸出量.

2.3 芯球个数对壁厚变化的影响

图8为不同芯球个数对6061-T4铝合金管数控弯曲内、外脊线壁厚变化的影响，由图8(a)可以看出，针对该规格管材，芯球个数对外脊线壁厚减薄的影响不是很显著，3种芯球个数条件下，壁厚减薄率分布范围较一致.由图8(b)可以看出，在芯球个数(n)由2增大至3时，内脊线壁厚增厚率显著增大，但芯球个数继续增至4时，增厚率又大幅减小，但整体增厚率仍大于n=2时的水平.由此可以看出，对于6061-T4管材，芯球个数对壁厚变化的影响不是很有规律性，表现为壁厚减薄率差异不大，壁厚增厚率随芯球个数增多先增大后减小.

图8 芯球个数对壁厚变化的影响

图9显示了不同芯球个数对壁厚变化不均匀度的影响，可以看出，在芯球个数为3的条件下，由于内脊线增厚较明显，其壁厚变化率差值均大于0，中性层整体向弯曲外侧偏移，芯球个数为2和4的条件下，壁厚变化不均度差异不大.

综合考虑图8及图9所得结果可以看出，在n=4时，内外脊线壁厚变化率居中，且壁厚变化不均匀度相对较小，同时，由于其芯球个数较多，可为管材提供有效支撑，减轻截面畸变，故选取n =4为该规格管材数控弯曲工艺中的最优芯球个数水平.

图9 芯球个数对壁厚变化不均匀度的影响

2.4 弯曲速度对壁厚变化的影响

为了考察不同弯曲速度对数控弯管成形质量的影响规律，对规格为Φ50.8 mm×0.889 mm(t)的6061-T4铝合金管进行了不同拉伸速率下的单拉实验，研究该管材性能对应变速率的塑性响应，所得真实应力应变曲线及材料性能参数分别如图10、表4所示，可以看出:1)高拉伸速度下材料屈服强度及强度极限都有所增大，真实应力应变曲线比低速下的曲线略高，强度系数有所增大，硬化指数差异不大;2)高拉伸速度下管材延伸率降低，厚向异性指数减小.这是因为拉伸速率增大，则要在短时间内完成变形过程，材料内位错的产生、增殖和塞积更加剧烈，阻力必然增大(即抗拉强度增大)［9］;同时，塑性变形是以一定速度传播的，当拉伸速度增大时，协调变形来不及顺序完成，塑性尚未充分展现出来便达到了材料的断裂强度，因而达不到应有的变形程度，即降低材料的均匀塑性变形能力，表现为延伸率和厚向异性指数的减小.

图10 不同拉伸速率下管材真实应力应变曲线

表4 不同拉伸速率下6061－T4铝合金管材性能参数

针对该规格管材进行了不同弯曲速度条件下的弯曲实验.不同弯曲速度(ω)对管材壁厚变化的影响如图11所示，由图11(a)可以看出，随弯曲速度增大，外脊线壁厚减薄率整体呈增大的趋势，在ω=0.3°/s时，最大壁厚减薄率最小，ω= 10°/s时，壁厚减薄率增至最大.这是因为如表4所示，厚向异性指数随弯曲速度增大而减小，故在大弯曲速度下壁厚减薄加重，同时，弯曲速度增大，润滑剂来不及充分流动为管材内壁与芯棒提供有效润滑，导致摩擦阻力增大，进一步使得弯曲段变形程度加剧，壁厚减薄程度增大.由图11(b)可以看出，在(ω)从0.3°/s增大至4°/s时，壁厚增厚率随弯曲速度的增大逐渐减小，而后弯曲速度继续增大，壁厚增厚率随之增大，在ω=4°/s条件下，壁厚增厚率整体最小.

图12显示了不同弯曲速度对管材壁厚变化不均匀度的影响，可以看出，在ω=0.3°/s弯曲条件下，壁厚变化率差值整体最大，壁厚变化最不均匀，其次是在ω=10°/s条件下所得管件的壁厚变化不均匀度较大，在ω=4°/s条件下所得管件的不均匀度整体最小，成形质量最佳.

图13(a)为ω=20°/s时所得弯管件，可以看出弯管内侧发生明显褶皱缺陷，这是因为:由图10及图12可以看出，在大弯曲速度条件下，材料强度增大，延伸率降低，厚向异性指数减小，弯曲时壁厚变化不均匀度增大，加大起皱风险;同时大弯曲速度下，机床震动不稳定性增加，对管材稳定变形产生影响，也易导致弯曲段管材发生失稳起皱缺陷.故弯曲速度＜2°/s或者＞10°/s对于弯管成形都是不利的，在生产应用中，应兼顾生产效率与弯管质量选取合适弯曲速度.

图11 弯曲速度对壁厚变化的影响

图12 弯曲速度对壁厚变化不均匀度的影响

综合考虑图11及图12所得结果，可以看出，在ω=4°/s时，壁厚减薄率相对较小，同时壁厚增厚率最小，弯管壁厚不均匀度整体也最小，故选取ω=4°/s为该规格管材数控弯曲工艺中的最优弯曲速度水平.

图13 试验弯管件

2.5 基于最优工艺参数组合的弯曲实验

综合上述工艺参数实验研究，基于最优工艺参数组合:e=5 mm，n=4，ω=4°/s进行弯曲实验，成功获得6061-T4规格为 Φ50.8 mm× 0.889 mm×101.6 mm铝合金管多角度弯曲条件下的合格弯管件，如图13(b)所示.其中90°弯曲件最大壁厚减薄率为18%，最大截面畸变率为0.8%;180°弯管件最大壁厚减薄率为22%，最大截面畸变率为1.2%，其壁厚减薄率均满足航空标准＜25%的要求.

3 结论

本文针对6061-T4规格为 Φ50.8 mm× 0.889 mm(t)×101.6 mm(R)的薄壁铝合金管数控弯曲过程进行实验研究，结论如下.

1)弯曲过程中，中性层并不是均匀地发生等距离偏移;中性层偏移量E与壁厚变化率差值η存在线性关系，η为正，中性层向外偏移，η为负，中性层向内偏移，中性层偏移量随的增大而增大.

2)增大弯曲角度、芯棒伸出量，均会导致外脊线壁厚减薄率与内脊线壁厚增厚率增大，加剧壁厚变化不均匀度;增加芯球个数，壁厚减薄率差异不大，壁厚增厚率先增大后减小;弯曲速度ω＜2°/s或ω＞10°/s时，壁厚变化不均匀度显著，都不利于弯管成形.

3)基于最优化工艺参数组合:e=5 mm，n=4，ω=4°/s，成功获得最大壁厚减薄率为22%，最大截面畸变率为1.2%的180°大角度合格弯曲件.

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Experimental study on wall thickness variation in NC bending of 6061－T4 large diameter thin-walled tubes

TIAN Yu-li，YANG He，LI Heng，LU Ruo-dong，WANG Ze-kang
(State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

To realize the precise NC bending and improve the bending quality of 6061-T4 large diameter thinwalled Al-alloy tube，physical experiments of the 6061-T4 Al-alloy tube of Φ50.8 mm×0.889 mm×101.6 mm(out diameter D×wall thickness t×bending radius R)are carried out to investigate the influence of some controllable parameters(including bending angle，mandrel extension，number of mandrel balls and bending rate)on the wall thickness variation.The results show that the strain neutral layer E moves unequally in the bending area，the amount of its movement has a linear relationship with the difference between the wall thickness change ratio of the intrados and extrados(η)，and E increases with the increasing of.The maximum wall thickness changing degrees at the extrados and intrados increase with the increasing of bending angle，mandrel extension and bending rate，while the influence of number of mandrel balls is nonlinear.Based on the optimized parameters，the 180°bent tube with maximum thinning ratio 22%is successfully obtained.

thin-walled Al-alloy tube;6061-T4;NC bending;wall thickness variation;experimental study

TG386.3 文献标志码：A 文章编号：1005-0299(2012)02-0023-07

2011-09-22.

国家自然科学基金资助项目(50905144);教育部新世纪优秀人才支持计划项目;华中科大材料成形与模具技术国家重点实验室开放课题基金资助项目(09-10);西北工业大学基础研究基金资助项目(JC201028);高等学校学科创新引智计划项目(B08040).

田玉丽(1986-)，女，硕士;

杨 合(1962-)，男，教授，博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授.

杨 合，E-mail:yanghe@nwpu.edu.cn.

(编辑 吕雪梅)