新材料与工艺手册

[轻量化材料] 客车轮毂轮罩支架轻量化材料7075G铝合金管材煨弯成型及性能测试分析

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发表于 2020-10-23 11:50:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】客车轮毂轮罩支架轻量化材料7075G铝合金管材煨弯成型及性能测试分析

刘少利,李辛
(西安汽车零部件产业园,陕西 西安 710300)
摘 要:文章介绍了高强高韧7075G轻量化新材料管材的机械强度主要测试指标及要求,同时就7系铝合金改制材料弹性模量的选择与计算,弯曲强度的模型建立、7075G管材冷煨弯的基本质量要求做了一定的分析。
关键词:轻量化材料;7075G铝合金管材;测试分析
前言
为了减轻现有客车轮毂轮罩支架的重量,西安铝轻新材料科技有限公司在新能源客车车架总成设计时,将轮毂支架材料,选择为最新研制的新型高强高韧铝合金轻量化材料7075G(新材料已申请国家专利,专利号201910759628.2,发明人:刘少利、章伟、李辛、周霞),以达到减轻新能源客车行驶过程中车轮行驶阻力,这样设计使结构更加简化,既减轻了重量还降低了成本。
1 性能测试过程分析1.1 测试性能指标
轮毂轮罩支架的性能一般测试如下面的各项指标:
(1)抗拉强度σb;
(2)屈服强度σs;
(3)塑性延伸强度σp0.2;
(4)冲击韧性ak,(单位为J/cm2)(GB/T229-2007冲击吸收功);
(5)屈强比(σs/σb);
(6)断后伸长率δL(Lu-L0);
(7)断面收缩率ψ;
(8)夏比试验Charpy impacttest 测定铝合金煨弯材料抗缺口敏感性(韧性);
(9)煨弯椭圆度;
(10)弯曲强度计算(σt)。
1.2 试验适用范围
适用于所有新能源客车轮毂轮罩支架及副支架的机械性能测试。
1.3 试验样品来源
西安铝轻新材料科技有限公司/西北铝业有限公司。
1.4 试件取样加工方法
(1)所有试件加工尺寸符合GB/T16865-2013;
(2)《铝镁合金加工制品拉伸试用试样加工方法》;
(3)GB/T 228.1-2010;《金属材料拉伸试验方法.第1部分室温试验部分》;
(4)ISO178、ASTM D790M、DIN 53452以及JIS K7203等标淮。
1.5 试验设备
性能测试-材料万能试验机、电子引伸计;管材弯曲强度试验模拟设施。
1.6 客车轮罩支架用铝合金拉伸强度/屈服强度的测试及弹性模量的选择
(1)拉伸强度测试
由于客车轮毂轮罩支架管材主要承受客车中乘客及其它载重体的承重力,极端路况及突发事件时会受到来自车架本身的较大冲击力及弯曲力矩,一般汽车车架生产制造厂设计确定好原材料牌号后,会按研发流程安排进行机械性能测试。研究院所等单位则会在轮罩支撑架煨弯前后均进行全面的性能测试,具体测试时,关键根据不同的试验目的及试验要求,决定是否取拉伸变薄部分进行取样,而且不管是材料煨弯前后的测试试验,其试件的几何尺寸同样须符合GB/T 16865国家标准,万能试验机或电子引伸仪自主记录的F-ΔL曲线的弹性直线段上取相距尽可能远的两点,如下图OC线段,并读取其相应的载荷增量值ΔF和伸长增量值δL,则所测材料的弹性模量为:铝合金材料的屈服强度是衡量材料机械性能的重要指标之一,高强高韧7075G材料时测试时,取ε =0.2﹪时的应力作为衡量材料强度的指标,并用R0.2表示,称为材料的名义屈服强度或规定延伸屈服强度R0.2,其数值的确定方法如图2所示。图中的CD直线与弹性阶段内的直线部分平行,即在ε轴上取OC=0.2﹪,过C点作直线CD平行于σ-ε图中的直线段,交曲线于D点,于是点D 的纵坐标。
图1 试件几何尺寸

通常是延伸屈服强度RP0.2。指试样非比例延伸率等于引伸计标距的0.2﹪时的应力,定义为规定非比例延伸强度,通常是用RP0.2表示,7075G高强高韧铝合金就是没有明显屈服阶段的塑性铝基材料。此先介绍用图解法测定其规定非比例延伸强度RP0.2。
图2 7075G铝合金延伸强度确定

(1)
(2)高强高韧韧7075G铝合金材料弹性模量的测定
在万能材料试验机上电子引伸仪自动记录的F-ΔL曲线的弹性直线段上取相距尽可能远的两点,并读取其相应的载荷增量值ΔF和伸长增量值δL,则所测材料的弹性模量为:
(2)
式中:E为需要测算的7075G铝合金材料弹性模量;Le为引伸计标距;Sav为所用试样原始横截面平均面积;ΔF为所加的载荷增量值;δL为试件的伸长增量值。
铝合金就是一种没有明显屈服阶段的塑性金属材料。在试验机自动记录的F-ΔL曲线上,载荷(见图2)。因此,材料的规定非比例伸长应力为:
(3)
图3 铝合金标准试样的拉伸性能曲线
(该样件数据为西安交大材料学院提供)
注:抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最大拉应力,用符号σb表示,单位为MPa,σb是旧国标,是GB/T228-1987规定的抗拉强度指标符号,Rm是GB/T228-2002 规定的抗拉强度符号。《金属材料室温拉伸试验方法》GBT228-2002实施要点中提到,抗拉强度符号由Rm代替σ b。
(4)弯曲强度计算:
弯曲强度测试加载模型:
目前国内使用较多的煨弯机为功能型铝型材煨弯液压设备,基本上使用三或四点(滚轮)加载法。弯曲性能测试模型基于此原理建模如下图所示:
图3 三点加载数据模型

图4 四点加载数据模型

弯曲强度计算如下:
(4)
式中:
σt-弯曲应力或弯曲强度,MPa
P-试样承受的弯曲负荷,MN
L-载荷跨度,mm
b-试样宽度,mm
h-试样厚度,mm
由于客车车架及其支撑部分的高负荷特殊性,具体试验时,一般取5根试样,测试5组数据并取算术平均值。如试样测试时断裂,则应补充试样重新测试。管材弯曲试验时影响数据的因素较多,如尺寸的测量、试验跨度的调整、应变速率的快慢、操作间的温度等都会影响测试数据。应变速率越慢,则测试数据越接近真实性,试验室温度越高,测试出的弯曲强度则越小。
1.7 铝合金管材煨弯后的椭圆度测试
铝合金管材在机加工煨弯过程中圆弧处的变形(椭圆度)作为一个关键的性能指标参数,在实际管材加工的过程具有重要的实际意义。管材在机加工煨弯过程中,不同的煨弯速度对管材圆弧处椭圆度有较大的影响。管材在煨弯加工的过程中,管材发生弯曲变形,在弯曲的圆弧外侧对应的管壁会变薄,圆弧内侧对应的管壁会起褶皱,降低管材承受内压力的能力,同时管材弯曲后截面形状会发生由圆形到椭圆形的变化,管材的截面面积也会有所减小,增大对管内流体流动的阻力,从而影响管材在实际应用中的功能和效果。
由于管材弯曲段内外侧管壁厚度的变化,还使得弯段截面由原来的圆形变成了椭圆形。一般对弯管的椭圆度做下规定:管径不大于 150 mm时,要求椭圆度不大于 10%;管径大于 150 mm、小于或等于200 mm时,要求椭圆度不大于8%;
管材椭圆度可按下式进行计算:
(5)
式中:
D 为车架管材煨弯加工前圆截面管外径;
D1为车架管材煨弯加工后截面椭圆的长径;
D2为车架管材煨弯加工后截面椭圆的短径;
1.8 7075G铝合金管材煨弯的基本质量要求
(1)基本质量要求
汽车高强高韧铝合金管材煨弯最基本的要求就是表面无裂纹、擦伤、碰痕等外观缺陷,在7075G型材铝合金型材料的煨弯过程中,弯曲背面管壁被拉伸变薄,弯曲凹面受挤压变厚;由于铝合金材料抗压性能优于抗拉性能,总体上铝合金管材被拉长;管道弯曲凹凸方向受力,侧面不受力,煨煨后的型材管道截面变为椭圆形状。汽车行业一般要求折弯处沟槽深度不得大于管材原材料壁厚的5~10%,弯前与弯后管壁厚度之差控制在(特殊管道≤弯前管壁厚的 10% 或一般≤15%);航天航空行业则一般小于5%,管端中心偏差Δ控制(特殊管道≤1.5mm/m,当L超过3 m时,Δ≤5 mm;一般≤3mm/m,当L超过3 m时,Δ≤10 mm。
图5 7075G轮罩支架受力分析

(2)7075G材料煨弯工艺要求分析
高强高韧7系列金相改制后铝合金煨弯工艺,目前还没有国家标准,行业内执行起来鱼龙混杂,大的加工企业只有编制自己的企业标准临时执行。
目前,高性能7075G材料的煨弯技术及工艺,国内还是空白。由于目标客户的新能源客车轮毂支架管材外径大都在100mm左右,属超大管径管材煨弯,目前国内常见的管材煨弯机均无法达到要求,进口数控煨弯机由于其程序设计上的缺陷均无法煨弯7075G较大外径铝合金的管材。
图6 推弯型煨弯工艺结构

西安铝轻新材料科技有限公司及合作伙伴西北铝业有限公司通过多次试验,研制并改装了多套抱弯式滚轮弯管器冷弯煨弯机附件设施,目前还未编制企业标准,抱弯式煨弯机在拉伸过程中,材料的主要变形为,研制改装后的抱弯型煨弯机基本参数如下:管材煨弯半径:R40~R60;煨弯角度:45°~90°;送进速度:800~1100mm/s;旋转速度:60°/s;由于7075G材料的特殊特性,煨弯机设备运行经过多次调试,得以保障7075G材料的成形试制,其外观及性能均达到客户要求。(应合作伙伴要求,新研制的大功率推弯式管材煨弯机结构及工作参数有一定的知识产权诉求)
2 结论
汽(客)车轻量化研究是汽车行业永恒的课题,高强高韧客车车架轻量化材料7075G的成功发明,为客车车架总成包括轮罩支撑煨弯技术奠定了轻量化试制的科学基础。大型客车轮罩支撑煨弯技术的突破,大大推动了客车车架轻量化项目的研发进程。西安铝轻公司项目团队研制客车车架及其附件已经通过了各项机械性能的测试(部分性能测试由西安交通大学材料与科学工程学院试验室完成)。


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