客車輪轂輪罩支架輕量化材料7075G鋁合金管材煨彎成型及性能測(cè)試分析

劉少利 李辛

摘 要：文章介紹了高強(qiáng)高韌7075G輕量化新材料管材的機(jī)械強(qiáng)度主要測(cè)試指標(biāo)及要求，同時(shí)就7系鋁合金改制材料彈性模量的選擇與計(jì)算，彎曲強(qiáng)度的模型建立、7075G管材冷煨彎的基本質(zhì)量要求做了一定的分析。

關(guān)鍵詞：輕量化材料;7075G鋁合金管材;測(cè)試分析

中圖分類號(hào)：U465? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-200-04

Abstract： In this paper， the main test indexes and requirements of mechanical strength of 7075g lightweight new material pipe with high strength， high toughness and toughness are introduced. at the same time， the selection and calculation of elastic modulus of 7 series aluminum alloy modified material， the establishment of bending strength model and the basic quality requirements of 7075g pipe cold simmering bending are analyzed.

Keywords： Lightweight materials; 7075G aluminum alloy pipe; Test analysis

CLC NO.： U465? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-200-04

前言

為了減輕現(xiàn)有客車輪轂輪罩支架的重量，西安鋁輕新材料科技有限公司在新能源客車車架總成設(shè)計(jì)時(shí)，將輪轂支架材料，選擇為最新研制的新型高強(qiáng)高韌鋁合金輕量化材料7075G（新材料已申請(qǐng)國家專利，專利號(hào)201910759628.2，發(fā)明人：劉少利、章偉、李辛、周霞），以達(dá)到減輕新能源客車行駛過程中車輪行駛阻力，這樣設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，既減輕了重量還降低了成本。

1 性能測(cè)試過程分析

1.1 測(cè)試性能指標(biāo)

輪轂輪罩支架的性能一般測(cè)試如下面的各項(xiàng)指標(biāo)：

（1）抗拉強(qiáng)度σb;

（2）屈服強(qiáng)度σs;

（3）塑性延伸強(qiáng)度σp0.2;

（4）沖擊韌性ak，（單位為J/cm2）（GB/T229-2007沖擊吸收功）;

（5）屈強(qiáng)比（σs/σb）;

（6）斷后伸長(zhǎng)率δL（Lu-L0）;

（7）斷面收縮率ψ;

（8）夏比試驗(yàn)Charpy impacttest 測(cè)定鋁合金煨彎材料抗缺口敏感性（韌性）;

（9）煨彎?rùn)E圓度;

（10）彎曲強(qiáng)度計(jì)算（σt）。

1.2 試驗(yàn)適用范圍

適用于所有新能源客車輪轂輪罩支架及副支架的機(jī)械性能測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)樣品來源

西安鋁輕新材料科技有限公司/西北鋁業(yè)有限公司。

1.4 試件取樣加工方法

（1）所有試件加工尺寸符合GB/T16865-2013;

（2）《鋁鎂合金加工制品拉伸試用試樣加工方法》;

（3）GB/T 228.1-2010;《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法.第1部分 室溫試驗(yàn)部分》;

（4）ISO178、ASTM D790M、DIN 53452以及JIS K7203等標(biāo)淮。

1.5 試驗(yàn)設(shè)備

性能測(cè)試-材料萬能試驗(yàn)機(jī)、電子引伸計(jì);管材彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)M設(shè)施。

1.6 客車輪罩支架用鋁合金拉伸強(qiáng)度/屈服強(qiáng)度的測(cè)試及彈性模量的選擇

（1）拉伸強(qiáng)度測(cè)試

由于客車輪轂輪罩支架管材主要承受客車中乘客及其它載重體的承重力，極端路況及突發(fā)事件時(shí)會(huì)受到來自車架本身的較大沖擊力及彎曲力矩，一般汽車車架生產(chǎn)制造廠設(shè)計(jì)確定好原材料牌號(hào)后，會(huì)按研發(fā)流程安排進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試。研究院所等單位則會(huì)在輪罩支撐架煨彎前后均進(jìn)行全面的性能測(cè)試，具體測(cè)試時(shí)，關(guān)鍵根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)要求，決定是否取拉伸變薄部分進(jìn)行取樣，而且不管是材料煨彎前后的測(cè)試試驗(yàn)，其試件的幾何尺寸同樣須符合GB/T 16865國家標(biāo)準(zhǔn)，萬能試驗(yàn)機(jī)或電子引伸儀自主記錄的F-ΔL曲線的彈性直線段上取相距盡可能遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，如下圖OC線段，并讀取其相應(yīng)的載荷增量值ΔF和伸長(zhǎng)增量值δL，則所測(cè)材料的彈性模量為：鋁合金材料的屈服強(qiáng)度是衡量材料機(jī)械性能的重要指標(biāo)之一，高強(qiáng)高韌7075G材料時(shí)測(cè)試時(shí)，取ε =0.2﹪時(shí)的應(yīng)力作為衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)，并用R0.2表示，稱為材料的名義屈服強(qiáng)度或規(guī)定延伸屈服強(qiáng)度R0.2，其數(shù)值的確定方法如圖2所示。圖中的CD直線與彈性階段內(nèi)的直線部分平行，即在ε軸上取OC=0.2﹪，過C點(diǎn)作直線CD平行于σ-ε圖中的直線段，交曲線于D點(diǎn)，于是 點(diǎn)D 的縱坐標(biāo)。

通常是延伸屈服強(qiáng)度RP0.2。指試樣非比例延伸率等于引伸計(jì)標(biāo)距的0.2﹪時(shí)的應(yīng)力，定義為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度，通常是用RP0.2表示，7075G高強(qiáng)高韌鋁合金就是沒有明顯屈服階段的塑性鋁基材料。此先介紹用圖解法測(cè)定其規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP0.2。

（2）高強(qiáng)高韌韌7075G鋁合金材料彈性模量的測(cè)定

在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上電子引伸儀自動(dòng)記錄的F-ΔL曲線的彈性直線段上取相距盡可能遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，并讀取其相應(yīng)的載荷增量值ΔF和伸長(zhǎng)增量值δL，則所測(cè)材料的彈性模量為：

式中：E為需要測(cè)算的7075G鋁合金材料彈性模量;Le為引伸計(jì)標(biāo)距;Sav為所用試樣原始橫截面平均面積;ΔF為所加的載荷增量值;δL為試件的伸長(zhǎng)增量值。

鋁合金就是一種沒有明顯屈服階段的塑性金屬材料。在試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄的F-ΔL曲線上，載荷（見圖2）。因此，材料的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力為：

（4）彎曲強(qiáng)度計(jì)算：

彎曲強(qiáng)度測(cè)試加載模型：

目前國內(nèi)使用較多的煨彎?rùn)C(jī)為功能型鋁型材煨彎液壓設(shè)備，基本上使用三或四點(diǎn)（滾輪）加載法。彎曲性能測(cè)試模型基于此原理建模如下圖所示：

由于客車車架及其支撐部分的高負(fù)荷特殊性，具體試驗(yàn)時(shí)，一般取5根試樣，測(cè)試5組數(shù)據(jù)并取算術(shù)平均值。如試樣測(cè)試時(shí)斷裂，則應(yīng)補(bǔ)充試樣重新測(cè)試。管材彎曲試驗(yàn)時(shí)影響數(shù)據(jù)的因素較多，如尺寸的測(cè)量、試驗(yàn)跨度的調(diào)整、應(yīng)變速率的快慢、操作間的溫度等都會(huì)影響測(cè)試數(shù)據(jù)。應(yīng)變速率越慢，則測(cè)試數(shù)據(jù)越接近真實(shí)性，試驗(yàn)室溫度越高，測(cè)試出的彎曲強(qiáng)度則越小。

1.7 鋁合金管材煨彎后的橢圓度測(cè)試

鋁合金管材在機(jī)加工煨彎過程中圓弧處的變形（橢圓度）作為一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)參數(shù)，在實(shí)際管材加工的過程具有重要的實(shí)際意義。管材在機(jī)加工煨彎過程中，不同的煨彎速度對(duì)管材圓弧處橢圓度有較大的影響 。管材在煨彎加工的過程中，管材發(fā)生彎曲變形，在彎曲的圓弧外側(cè)對(duì)應(yīng)的管壁會(huì)變薄，圓弧內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)的管壁 會(huì)起褶皺，降低管材承受內(nèi)壓力的能力，同時(shí)管材彎曲后截面形狀會(huì)發(fā)生由圓形到橢圓形的變化，管材的截面面積也會(huì)有所減小，增大對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力，從而影響管材在實(shí)際應(yīng)用中的功能和效果。

由于管材彎曲段內(nèi) 外側(cè)管壁厚度的變化，還使得彎段截面由原來的圓形變成了橢圓形。一般對(duì)彎管的橢圓度做下規(guī)定：管徑不大于 150 mm時(shí)，要求橢圓度不大于 10%;管徑大于 150 mm、小于或等于200 mm時(shí)，要求橢圓度不大 于8%;

管材橢圓度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

（1）基本質(zhì)量要求

汽車高強(qiáng)高韌鋁合金管材煨彎最基本的要求就是表面無裂紋、擦傷、碰痕等外觀缺陷，在7075G型材鋁合金型材料的煨彎過程中，彎曲背面管壁被拉伸變薄，彎曲凹面受擠壓變厚;由于鋁合金材料抗壓性能優(yōu)于抗拉性能，總體上鋁合金管材被拉長(zhǎng);管道彎曲凹凸方向受力，側(cè)面不受力，煨煨后的型材管道截面變?yōu)闄E圓形狀。汽車行業(yè)一般要求折彎處溝槽深度不得大于管材原材料壁厚的5～10%，彎前與彎后管壁厚度之差控制在（特殊管道≤彎前管壁厚的 10% 或 一般≤15%）;航天航空行業(yè)則一般小于5%，管端中心偏差Δ控制（特殊管道≤1.5mm/m，當(dāng)L超過3 m時(shí)，Δ≤5 mm;一般≤3mm/m，當(dāng)L超過3 m時(shí)，Δ≤10 mm。

（2）7075G材料煨彎工藝要求分析

高強(qiáng)高韌7系列金相改制后鋁合金煨彎工藝，目前還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)執(zhí)行起來魚龍混雜，大的加工企業(yè)只有編制自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)臨時(shí)執(zhí)行。

目前，高性能7075G材料的煨彎技術(shù)及工藝，國內(nèi)還是空白。由于目標(biāo)客戶的新能源客車輪轂支架管材外徑大都在100mm左右，屬超大管徑管材煨彎，目前國內(nèi)常見的管材煨彎?rùn)C(jī)均無法達(dá)到要求，進(jìn)口數(shù)控煨彎?rùn)C(jī)由于其程序設(shè)計(jì)上的缺陷均無法煨彎7075G較大外徑鋁合金的管材。

西安鋁輕新材料科技有限公司及合作伙伴西北鋁業(yè)有限公司通過多次試驗(yàn)，研制并改裝了多套抱彎式滾輪彎管器冷彎煨彎?rùn)C(jī)附件設(shè)施，目前還未編制企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，抱彎式煨彎?rùn)C(jī)在拉伸過程中，材料的主要變形為，研制改裝后的抱彎型煨彎?rùn)C(jī)基本參數(shù)如下：管材煨彎半徑：R40～R60;煨彎角度：45°～90°;送進(jìn)速度：800～1100mm/s;旋轉(zhuǎn)速度：60°/s;由于7075G材料的特殊特性，煨彎?rùn)C(jī)設(shè)備運(yùn)行經(jīng)過多次調(diào)試，得以保障7075G材料的成形試制，其外觀及性能均達(dá)到客戶要求。（應(yīng)合作伙伴要求，新研制的大功率推彎式管材煨彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)有一定的知識(shí)產(chǎn)權(quán)訴求）

2 結(jié)論

汽（客）車輕量化研究是汽車行業(yè)永恒的課題，高強(qiáng)高韌客車車架輕量化材料7075G的成功發(fā)明，為客車車架總成包括輪罩支撐煨彎技術(shù)奠定了輕量化試制的科學(xué)基礎(chǔ)。大型客車輪罩支撐煨彎技術(shù)的突破，大大推動(dòng)了客車車架輕量化項(xiàng)目的研發(fā)進(jìn)程。西安鋁輕公司項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制客車車架及其附件已經(jīng)通過了各項(xiàng)機(jī)械性能的測(cè)試（部分性能測(cè)試由西安交通大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院試驗(yàn)室完成）。

參考文獻(xiàn)

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