3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律.pdf
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1、第 43 卷 第 3 期2024 年 3 月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43 No.3Mar.2024收稿日期:2021-11-05 修回日期:2022-06-17基金项目:国家自然科学基金项目(51601070,51875263);江苏省自然科学基金项目(BK20181447)第一作者:程传峰,男,1974 年生,高级工程师通讯作者:朱英霞,女,1986 年生,副教授,硕士生导师,Email:xia166109 DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2021110053003Al-H14 薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律程传峰1,
2、金 明2,王项如1,朱英霞3,程一峰3,盘朝奉4,王 园3(1.安徽新富新能源科技股份有限公司,安徽 安庆 246001)(2.安徽环新集团股份有限公司,安徽 安庆 246001)(3.江苏大学机械工程学院,江苏 镇江 212013)(4.江苏大学 汽车工程研究院,江苏 镇江 212013)摘 要:薄壁微小通道波形扁管是建设新能源汽车锂电池组恒温系统的绝佳材料,成形尺寸是影响其冲压成形截面变形的关键因素。建立了实验验证的 3003Al-H14 微小通道薄壁扁管的波形冲压-回弹有限元模型。基于所建模型,研究了截面高度、管坯壁厚、内外面相对弯曲半径缩放系数等成形尺寸,对截面变形率和平均截面变形率的
3、作用规律。研究发现:横截面上边缘孔的截面变形率通常较大,其余孔的截面变形率相对较小且大小一致;纵截面上孔的截面变形率呈现波峰波谷高、中间段低的分布特点。扁管的截面变形率随着截面高度增大而增大,当截面高度超过 4 mm 时,扁管内的筋显著弯折,横截面塌陷严重。扁管的平均截面变形率随着壁厚增大呈指数函数下降;当壁厚等于 0.1 mm 时,所有截面都畸变严重,而当壁厚超过 0.3 mm 时,最大截面畸变率下降至 24.71%。内外面相对弯曲半径的缩放系数越大,则内外面的实际弯曲程度越小,平均截面变形率也越小。研究成果对薄壁微小通道波形扁管的精确成形具有科学意义和工程价值。关键词:微小通道管;冲压;薄
4、壁件;成形尺寸;截面变形中图分类号:TG386 文献标识码:A 文章编号:1674-3962(2024)03-0265-08引用格式:程传峰,金明,王项如,等.3003Al-H14 薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律J.中国材料进展,2024,43(3):265-272.CHENG C F,JIN M,WANG X R,et al.Effect of Forming Size on Sectional Deformation of Wave Stamping of 3003Al-H14 Micro Channel Flat TubeJ.Materials China,2024
5、,43(3):265-272.Effect of Forming Size on Sectional Deformation of Wave Stamping of 3003Al-H14 Micro Channel Flat TubeCHENG Chuanfeng1,JIN Ming2,WANG Xiangru1,ZHU Yingxia3,CHENG Yifeng3,PAN Chaofeng4,WANG Yuan3(1.ANHUI XMAX New Energy Technology Co.,Ltd.,Anqing 246001,China)(2.ANHUI ARN GROUP Co.,Ltd
6、.,Anqing 246001,China)(3.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)(4.Automotive Engineering Research Institute,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:The thin-walled flat tube with microchannels is an essential component for the construction of the const
7、ant tem-perature system in lithium-ion battery packs for new energy vehicles.The dimensions used in forming this component are critical factors that influence the deformation of the stamped section.An experimentally verified finite element model has been developed for the waveform stamping-springbac
8、k of 3003Al-H14 thin-walled flat tubes with microchannels.This model was used to investigate the impact of forming dimen-sions such as section height,tube blank wall thickness,and relative bending radius scaling factors of the inner and outer surfaces on the section deformation ratio and average sec
9、tion deformation ratio.The research findings are as follows:The section deformation ratio of the holes at the upper edge of the cross-section is generally larger,while the deforma-tion ratio of the remaining holes is relatively small and con-中国材料进展第 43 卷sistent in size.The section deformation ratio
10、of the holes on the longitudinal section exhibits a distribution pattern with high peaks and valleys and low values in the middle section.The section deformation ratio of the flat tube increases with the increase in section height.When the section height exceeds 4 mm,the ribs inside the flat tube si
11、gnificantly bend,leading to severe collapse of the cross-section.The average section deformation ratio of the flat tube decreases exponentially with in-creasing wall thickness.When the wall thickness equals 0.1 mm,all sections exhibit severe distortion,while when the wall thickness exceeds 0.3 mm,th
12、e maximum section distortion ratio decreases to 24.71%.A larger scaling factor of the rela-tive bending radius of the inner and outer surfaces results in a smaller actual bending degree of these surfaces and a smaller average section deformation ratio.This study has scientific significance and engin
13、eering value for the precise forming of thin-walled microchannel waveform flat tubes.Key words:micro-channel tube;stamping;thin-walled parts;forming dimensions;cross-sectional deformation1 前 言目前,在航空航天、汽车、通讯、军工等领域,大量设备正向着微型化、高功率和结构高密度的方向发展1,因此工作时的热流密度远大于常规尺度的设备,如果散热不够理想,其工作性能和寿命会受到严重影响2。因此,传热性能优异且同时具
14、备节能、降本、环保优势的薄壁多孔微小通道扁管被越来越多的研究者和制造厂商应用于微型化、高功率和结构高密度集成化设备的散热系统中。薄壁多孔微小通道扁管是一种采用精炼铝棒,通过热挤压-熔焊工艺和表面喷锌防腐处理制造成形的薄壁多孔扁形管3。由于薄壁微小通道扁管具有十分突出的环保、增效、节能、降本 4 大优势,因此早在 1996 年就在汽车空调系统中获得应用。与传统的管翅式换热器相比,薄壁多孔微小通道扁管换热器的传热效率可以提高 14%33%。在获得相同制冷效果的前提下,所需制冷剂的量可减少 35%4。薄壁多孔微小通道扁管的结构精细复杂,加工制造难度较高,常用的材料主要有 1050、1060、1100
15、、1A97、3003、3F03、3102 和 3103 铝合金5,6。多孔微小通道的导热性能与流道的尺寸和横截面形状密切相关7,因此很多学者针对多孔微小通道扁管的空间结构展开了研究。夏国栋团队8和谢忱创9均研究发现,波形结构的薄壁多孔微小通道扁管能大大提高新能源汽车电池组的散热能效。最新的研究成果也表明,较之平行微小通道,波形微小通道能使流通的冷却液再循环和回流,进而强化扁管的能效传递,且相同工况下,波形微小通道扁管的温度分布更均匀10-12。现有研究说明,多孔微小通道波形扁管将是解决新能源汽车锂电池组和机车电控元件这类发热密集、温度敏感型零部件恒温问题的绝佳材料10,11。然而由于缺乏薄壁多
16、孔微小通道扁管的波形成形工艺与技术,上述研究成果依旧停留在理论研究阶段,迫切需要对薄壁多孔微小通道扁管的波形成形工艺展开研究。李大永团队研究了多孔微小圆通道扁管13、多层平行流微小通道换热器4和折叠式薄壁多孔扁管14的绕弯成形能力。绕弯成形与本文研究的波形冲压同属管类的二次塑性成形工艺。李大永团队的研究结果表明:薄壁多孔微小通道扁管的弯曲半径和截面尺寸对绕弯成形结束后微小通道的截面变形有重要影响;截面变形是薄壁多孔微小通道扁管最为显著的弯曲成形缺陷,也是对其导热性能影响最严重的缺陷,且与常规管材不同的是,其通道的纵截面变形比横截面变形更显著。上述研究结果与工艺方法对本研究具有较好的借鉴意义,但
17、是其研究对象接近板材,获得的数据与经验规律不能直接用于管材。本文以适用于高密度集成化设备散热系统的 3003Al-H14 薄壁多孔微小通道扁管为研究对象,对其波形冲压工艺过程中成形尺寸对截面变形的影响规律展开了研究。本研究对波形微小通道的精确塑性成形发展具有很好的科研价值和技术指导意义。2 建立 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的波形冲压成形有限元模型2.1 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的成形尺寸与材料参数 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的横截面存在“筋”与孔,孔的个数 m 通常很多。横截面宽度 l 远大于高度 h,因此呈 现 扁 状。管 材 壁 厚 t 极 薄,通 常
18、 情 况 下 t 0.8 mm。如图 1 所示,薄壁微小通道扁管的成形尺寸参图 1 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的成形尺寸示意图Fig.1The geometric dimensions of the 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tube662 第 3 期程传峰等:3003Al-H14 薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律数还包括:横截面孔的内径宽度 w,纵截面总长 L,内弯曲面波形半径 r(至弯曲中性层),与外弯曲面波形半径 R(至弯曲中性层),参数值如表 1 所示。表 1 3003Al-H14 薄壁微小通道扁
19、管的成形尺寸参数值Table 1 The geometric dimensions values of the 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tubeForming sizeValueCross section width l/mm59.1Cross section height h/mm2.5Wall thickness of tube blank t/mm0.3Inner width of single hole w/mm1.8Number of holes m28Total length of longitudinal section
20、 L/mm100Wave radius of inner curved surface r/mm6Wave radius of outer curved surface R/mm102.2 3003Al-H14 微小通道薄壁扁管的材料本构模型为了获得材料的应力-应变曲线,将 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管沿横截面宽度方向切割为完全相同的3 部分,分别作为拉伸试样进行了拉伸实验。实验按照国标 GB/T 228.12010金属材料室温拉伸试验方法进行,拉伸速度设置为 1 mm/min。拉伸后的试样断裂状态如图 2 所示。图 2 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管拉伸断裂试样照片Fig.
21、2Fracture state of the tensile specimen of the 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tube拉伸实验获得的真应力-应变曲线如图 3 所示,材料力学性能参数如表 2 所示。图 3 3003Al-H14 微小通道扁管拉伸真应力-应变曲线Fig.3 The ture stress-strain curve of the tensile test of the 3003Al-H14 micro-channel flat tube表 2 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的材料力学性能参数Table 2 M
22、aterial mechanical performance parameters of 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tubeMaterial parametersValueMaterial3003Al-H14Poissons ratio0.28Density/(kg/m3)2730Elastic modulus/GPa12.54Initial yield strength/MPa34.36Tensile strength/MPa141.03Elongation/%38.74Material parameters A/MPa49.930M
23、aterial parameters K/MPa152.826Material parameters n0.472采用各向同性硬化模型描述 3003Al-H14 材料的应力应变关系。其屈服条件 f 如公式(1)所示:f=32s s-(A+Kpn)=0(1)其中,s 为偏应力,p为等效塑性应变,硬化参数 A、K和 n 的取值来自图 3 中应力应变曲线拟合,结果如表 2所示。2.3 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的波形冲压-回弹有限元模型 所有的截面变形数据都取自回弹发生之后,所以建立了 3003Al-H14 微小通道薄壁扁管的波形冲压-回弹有限元模型。该模型包括冲压成形和回弹 2 步,分
24、别采用动态显示算法和静态隐式算法,如图 4 所示。冲压过程的结构包括上模、下模和扁管这 3 部分,如图 4a 所示。扁管与上模接触的成形面为内弯曲面,与下模接触的成形面为外弯曲面。扁管与上、下模之间的摩擦条件,均为机械油润滑。扁管的网格采用 S4R 壳单元。采用 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的波形冲压实验验证所建有限元模型的可靠性。模拟边界条件设置和实验条件对比如表 3 所示。图 5 对比了模拟和实验获得的薄壁微小通道扁管波形冲压件。由图 5a 和 5b 可知,所建立的有限元模型可以准确模拟管坯横、纵截面的起皱状态、截面变形状态。图 5c 对比了某一特定纵截面上的截面变形率预测情况与
25、实验数据,发现有限元模拟的平均预测误差为 16.82%,最大预测误差为 24.32%,均在合理误差范围内。综上,认为所建 3003Al-H14 薄壁微小通道扁管的波形冲压-回弹有限元模型能够较为可靠地预测扁管冲压过程中的截面变形。762中国材料进展第 43 卷图 4 薄壁微小通道扁管波形冲压-回弹有限元模型:(a)冲压过程,(b)回弹过程Fig.4The finite element model of corrugated stamping-springback processes of thin-walled micro-channel flat tube:(a)stamping proce
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