热态固体颗粒介质传压性能研究
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作者:押媛媛
摘 要：固体颗粒介质热成形工艺是通过耐热固体颗粒介质代替现有软模热成形工艺中液体或气体介质的作用，来实现轻合金管、板材构件成形的工艺方法。该工艺的提出与研发对我国加工高强度、低塑性、难变形管材以及复杂形状、高尺寸精度和表面质量要求高的轻合金管状构件有着非常重要的意义，有巨大的潜力。本文针对该工艺中固体颗粒介质进行了热态下的传压性能测试实验研究，希望为该工艺中颗粒介质在数值模拟中分析模型的建立及该工藝的理论建模奠定基础。
关键词：固体颗粒介质 传压性能 热成形
中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：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
铝、镁等轻质合金的延伸率以及变形能力等在常温的工作条件下加工性能不理想，在常温条件下如果采用传统的胀形、冲压和拉深等工艺加工形状复杂的零部件，制出的零部件可能存在很多缺陷，影响零部件的质量甚至直接报废。但是通过了解金属的性质可知，随着加工温度的升高，铝、镁等轻质合金的变形能力可以得到有效提高。另外，金属的温度升高以后它的变形抗力还会明显降低，所以提高加工温度可以降低加工设备所需要的能力要求。因此固体颗粒介质热成形工艺应运而生[1]。该工艺的出现对复杂零部件在室温条件下的成形有着重要意义，不但使加工出的零部件符合当代工业化生产的标准，还使我国在高性能、高附加值产品上长期依赖进口的局面发生转变。
为了能够对固体颗粒介质热成形工艺有更深入的了解，需要构建合适的固体颗粒介质的理论和数值模拟模型，所以我们需要了解在热状态下，影响固体颗粒介质的力学性能的因素以及变化规律。本文以设计的固体颗粒介质传压性能试验装置为基础，通过介质的粒径，加工温度，体积压缩率等因素，对固体颗粒介质（GM颗粒）热态下的力学特性及传压规律进行了研究。
1 固体颗粒成形介质的选用
固体颗粒介质按内部材料成分可以分为两类，一类是金属颗粒（Metallic Granules，简称MG），另一类是非金属颗粒（Non-metallic Granules，简称NMG）[2]。本文选用NMG为研究对象，即在铝合金管状构件热胀形过程中所使用的传压介质为NMG。由于内部材料性质的影响，NMG可以在中等温度（350℃以下）范围内仍然具有比较稳定的机械和化学性能。直观的表现为NMG在热膨胀的高压环境中能够保持颗粒间无粘结，且各颗粒拥有一定的硬度。为了满足HGMF的工艺需求，满足要求的NMG介质的直径为Φ0.05mm～Φ2mm，其中不同类型的颗粒如图1所示。
2 试验方案设计
我们可以通过如图2所示的固体颗粒介质热态传压性能试验装置，达到了解上述固体颗粒介质在热态下的传力特性的目的。本装置的主要结构包括：承压筒、压头、减力柱、压力传感器和测试系统。为了对模具和固体颗粒有较好的加热和保温控制，在承压筒内共有四组控制反馈单元，每组控制反馈单元由相邻的两根加热棒（Φ80mm×230mm）一个热电偶组成。承压筒内还有十根压应力传感器，为了减小实验误差，传感器需要等差均匀分布在承压筒的两个侧壁上。该装置通过伸出杆9、侧挡板7、压应力传感器8以及上下压头处分别设置的1200kN的压力传感器（1和13）可以实时测出上下压头力的大小，通过位移传感器可以测得上压头的位移。 试验流程：先对加工时所用的NMG颗粒介质加热，为了确保所有NMG达到温度，用接触式温度传感器测量承压筒5内颗粒堆的中心部位，当接触式温度传感器的测试通道全部达到预期温度时对其进行保温。在正式加压前，使用接触式温度传感器测量NMG的温度，确保符合温度要求。通過上压头2对NMG施加压力，在加压过程中，固体颗粒介质通过伸出杆9将压力传递给压应力传感器8和下压头11，随即可得到该温度下承压筒5和下压头11的压力值以及上压头2的位移值。压应力传感器的信号通过YD-28A型动态电阻应变仪输出，位移传感器的信号通过5CB-10C型精密数字位移计将数据输出，到此一组试验完成。通过改变固体颗粒的加热温度以及承压筒5的高度可以得到多组数据，最后使用INV306N-6260型智能信号采集分析仪对试验数据进行处理并导出到计算机中继续处理。
3 试验结果及分析
选取8#颗粒、Φ60mm的料筒、100MPa压力、有无减力柱为例进行分析。通过得到的数据绘制折线图，即绘制不同温度不同位置高度的径向压力传感器压力值随着压头位置的变化关系曲线，如图3所示。
图3（a）和（b）表示的是不同温度下，冲头压力P0=100MPa的Φ60mm的料筒，压头形式为平冲头的径向传压系数随径向传感器与上压头距离的变化曲线，两者的区别在于有无减立柱。图3（c）和（d）分别表示在冲头压力P0=60MPa的Φ60mm的料筒，压头形式为平冲头，有减力柱和无减力柱情况的试验关系曲线。通过这四个曲线之间的联系，可以得到径向传压系数与温度之间呈反比例关系。由图3中（a）和（c）的曲线变化趋势可以得知，在有减力柱辅助的情况下，当径向传感器与上压头的距离在60～160mm范围内时，径向传压系数随温度变化不明显，且传压系数的衰减率变缓。当上压头移动到离径向传感器60mm以下范围时，径向传压系数对温度的影响比较显著;随着工作温度的升高，径向传压系数逐渐降低，且传压系数的衰减率较大。通过图3中（c）和（d）的关系曲线可以得出，在不装配减力柱时，不同的加工温度对径向传压系数的影响明显不同，随着加工温度的升高，传压系数的衰减率较缓、径向传压系数逐渐降低。
固体颗粒在不同温度不同压力差下的性能可以通过固体颗粒的体积压缩率来分析研究。这是由于固体颗粒之间存在缝隙且固体颗粒会发生弹性变形等因素，在压头逐渐下移的过程中，压头压力逐渐增大，颗粒的体积随之减小，因此体积压缩率可以设为不同压力下的行程值与初始装料高度的比值。在施加压力前，通过测得冲头上端面到模具的距离，可以计算出初始装料高度和体积。
由图4可知，随着上压头压力值的增大，固体颗粒的体积压缩率呈线性增长;在上压头压力相等的情况下，温度越高，体积压缩率越小。
由图5可知，体积压缩率与上下压头压力差成正比例关系，与加工温度成反比例关系。
4 结语
（1）不同温度下颗粒对筒壁的侧压会随着颗粒深度的增加而衰减。
（2）颗粒介质的体积压缩率会随上下压头压力差的增大而逐渐升高，随着温度的升高而逐渐降低。
参考文献
[1] Research on technological parameters of pressure forming with hot granule medium on AA7075 sheet[J]. 中南大学学报：英文版， 2016（4）：765-777.
[2] 赵长财.固体颗粒介质成形新工艺及其理论研究[D].燕山大学，2005.
[3] 陈晓华.AA5083管材颗粒介质胀形工艺分析与试验研究[D].燕山大学，2016.
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