散热器用3A21管材扩口加工中裂口缺陷分析www.yxjgw.com

轻 合 金 加 工 技 术 2002。Vo1．30．Ne 3 散热器用3A21管材扩口加工中裂口缺陷 邓 小 民 (安徽工业大学 冶金与学院。安徽 马鞍山 243002】 摘要：用铝合金管材制作散热器须进行扩口加工，其间往往会因为管材端部出现裂口而报废。研究了扩日加工时管材的 变形特点，分析了产生裂口的主要原因．提出了消除它的主要措施。 关键词：铝合金管材； 裂口； 扩 口加工 中国分粪号：TG356； TG386 43 文献标识码：A 文章编号：1007—7235【2002 j 03～0040-03 Crack Defect Analysis of Expanding 3A21 Alloy Pipe Used for Heat Exchanger DENG Xiao-min (Department of Metalhtrgy and Material of Anhat Industry University,Ma'anshanshi 243002，China) Abstract：When we use the aluminium alloy pipe to make heal exehm~ger．we must use,expanding．During that process the pipes usually become useless because of the end crack After reseraching the character of the pipes deformation when expanding．the main causes of crack a anab,s~d．Here offers~rtle main ways to eliminate it． Key words：aluminium pipe；crack；expanding 铝台盘管以其重量轻，导热性、耐腐蚀性能好，易 加工成型等许多优点，被越来越广泛地应用于制造各 种热交换器，如汽车散热器、空调器等。用铝台盘管材 制作散热器不仅要对管材进行整体胀形，以便散热片 固定在其上，还要进行扩口或翻边加工。在扩口或翻边 加工过程中，在管材的端部常常会出现裂口缺陷，使得 已接近成品的散热器报废。 笔者研究了扩口加工过程中管材的变形特点，分 析了产生裂口的主要原因，探讨了防止裂口缺陷的主 要措施。 1 扩口变形特点 生产中常见的管端扩口形状如图 1所示。现以采 用锥形凸模扩口为例．对扩口过程变形特点进行分析。 采用锥形凸模冲压扩口时，扩口变形区的应力应变状 态如图2所示。 在扩口过程中，变形区( 段 )不断增大，传力区 ( 段 )相应减小，使传力区材料逐渐向变形区转移。 变形区材料在周向拉应力 一作用下，沿周向产生延伸 变形而使其直径增大，壁厚减薄。愈靠近变形区的外缘 图1 管端常见扩口形状示意围 (扩口边缘 c处)，周向拉应力愈大．周向拉伸应变 e一 愈大，从而使得管材壁厚减薄也愈严重。若扩口变形程 度过大，则扩口边缘由于过度变薄会导致破裂(图3)。 而在靠近变形区的内缘(扩口颈部6处 )，周向拉鹰力 最小，在周向拉应力作用下管材壁厚减薄也最小。另 外，困扩口凸模对管材的镦粗作用，会使该处的管材壁 厚有所增加。这样一来，在周向拉应力和扩口凸模共同 作用下，变形区内缘处的管材壁厚略有增加，但不会影 响其使用。 扩口部分的壁厚变薄与其变形程度大小有关。壁 收稿日期：2001—09-02 作者简介：邓小民(1959-)，男，陵西长安人．高级I程师 主要研究方向：管材生产新I艺及有关力能计算 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002．Vo1．30，No 3 轻 合 金 加 工 技 术 4l 图2 扩口变形区的应力应变状态 日 图3 变形区外缘裂口示意图 图4 管端扩口部分壁厚变化 厚减薄量是由扩口内缘向外缘呈线性变化，如图4所 示。 扩口部分的壁厚变薄还与扩口方法有关。当采用 冲压扩口时，扩口外缘的壁厚可按下式估算⋯： t]=2tl{[Djl(D--t)][3-Djl(D：t)]) (1) 式中 —扩口后外缘(管材端部)的壁厚； 一 扩口前管材的壁厚； 一 扩口前管材的外径； Dr__扩口后外缘的外径 而当采用旋压扩口时，由于成形过程中材料是在 较大单位压力作用下逐渐变形．故扩口部分的壁厚变 形相对均匀，其扩口外缘的壁厚可按下式估算 】： t]=tD／D (2) 2 影响管材扩裂的主要因素 2．1 管材材质的影响 管材的伸长率越大，扩裂的颊向性就越小。软合金 比硬台金，纯铝比台金扩裂的倾向性小。 如果在合金中存在坚硬粗大的第二相质点，在其 周围局部延展性下降。用于制作散热器的铝台金管材． 多数为Al—Mn系的3A2I台金和纯铝，如汽车散热器用 管材的典型合金规格为：3A2I台金 8 ram~0 4 mm 列于这种台金来说，室温时主要相组成物为 “(A1)和 M,rA~。锰足主要合金化元素，具有一定的间溶强化惟 用，MnAI~有一定的弥散强化作用。含锰量(质量分数， 下同 )在 1．0％-I．6％范围内，合金的强度和伸长率均较 好，如果超过 1．6％，将会出现粗大硬脆的MnAI 相，对 合金局部的延展性会造成灾难性的影响。’ 。尽管合金 中的锰含量可以控制不超过 1．6％，甚至更少一些，但台 金在铸造时锰容易产生严重的晶内偏析．锰的浓度在 晶粒中心部位低，边缘部位高 即使长时间均匀化退火 也不可能完全消除这种偏析，致使在冷加工过程中由 于含锰量的差异而使晶粒不同部位出现不均匀变形。 如果铸锭不进行均匀化退火或者均匀化退火不充分， 在冷加工过程中特别是当壁厚很薄时，坚埂的Mn扎 化合物附近可能形成显微缺陷，扩口时，在周向拉矗 作用下缺路就会扩大成为裂口。 2．2 扩口变形程度的影响 扩口变形程度是以扩I-3部分最太的同向变形来衡 量的，可用两种方法表示 ： (I)扩口率 ￡=f(Dl—D)／,91×1()0％ f 3} (2)扩口系数K K=Dl／D f 4) 扩口系数与扩口率的关系为： =￡+1 l 5I 由上面式子可以看出，扩} 率越大，扩日系数越 大．则表示扩口变形程痊越大 当 n时的变形程度过 大，即扩口系数过大f达列或超过荩一极限值 )对，就 会在扩口管材口部产生裂口： 2．3 管材端口加工质置的影响 管材端口的加lT质量也会直接影响扩 系数 如 果扩口前管材端口没有打毛刺，租糙的管口在扩口成 形时，往往由于应力集中现象而导致口部开裂，降低极 限扩口系数，这也是一个不容忽桃钓因索 特别是象汽 车散热器用 3A21合金 8 mm~O．4 mill这样的管材，强 度低，粘性大，锯切质量较差；规格 、．数量多，打毛刺 的 作量很大．容易造成一些管捞端L]毛刺打磨不彻 底或漏打。 2．4 管材端部热处理的影响 散热器所用管材，在扩口加_r前须进行整体或端 部退火，降低变形抗力，提高极限扩口系数。采用整体 退火．容易控制，效果好，但传力区易失稳。采用端部退 火．不易控制，当退火不充分时．易扩裂；但如果谩火过 度，特别是 3A2I合金．易出现粗大晶粒．也容易出玑扩 裂现象。 2．5 扩口方法的影响 采f{_i的 lj膏港7：罱，! 槛 口系数也)F．一样 如旋压与 ：脬扩¨，：1 约采与无约泵扩【 、砖状巷 与热状态扩『 薯等 维普资讯 http://www.cqvip.com 42 轻 合 金 加 工 技 术 2002，~o1．30，No 3 除此之外，扩口时的裂口现象还与模具设计的结 构形式、摩擦与润滑状况、管壁受力的均匀性等等许多 因素有关。 3 防止或减少裂口的主要措施 ④改善材料本质，提高极限扩VI系数。对于3A21合 金，首先在配料时要严格控制锰的含量，防止因锰含量 过高形成大量的硬脆性化合物 MnAk，以减少冷变形开 裂的倾向性。 ②锭坯在挤压前要进行均匀化处理，最大限度消 除铸造时形成的锰偏析，提高管材的冷加工性能 ④挤压时采用高温挤压，加速过饱和固溶体的分 解，} {便管材退火时能得到较细的晶粒。 ④管材在退火时要采用快速加热的退火制度，缩 小再结晶区间，以便在高锰和低锰处同时形核，获得细 参 考 文 献： 小的晶粒 。 ⑤提高管材的端部质量。首先要提高锯切质量，尽 量减少锯切所造成的毛刺、端部不齐甚至缺陷；其次锯 切后的管材要逐根、仔细打毛刺，减少扩口时的应力集 中。 ⑥采用加热扩口的方法，以消除扩VI过程中的加 工硬化，降低管材的变形抗力，增大一次扩口的极限变 形程度。目前，最有效的方法是采用中频感应加热法 ⑦为防止扩VI后，在放置期以及散热器的继续制 造或使用过程中出现裂口现象，扩口结束后，应进行消 除应力退火，以防在 M k相周围因变形不均匀产生 应力腐蚀而开裂。 除以上措施之外，根据不同的扩口形状和要求，采 用相应的扩口方式，合理设计模具等，对减少扩裂现 象，提高扩口质量也具有重要的作用。 [1] 王同海．管材塑性加工技术[M]北京：机械工业出版社，1998．177-187． [2] 王祝堂．田荣璋．铝合金反其加工手册【M】．长沙：中南工业大学出版社，1989．203-205． [3] 金相图谱编写蛆．变形铝合金金相图谱[M]．北京：冶金_T-．2k出版社，1975．72_77． ⋯ ⋯ ⋯ ， ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ， ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ， ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ， ， (上接第34页 ) 参 考 文 献： [1] 马怀宪．金属塑性加工学—挤压、拉拔与管材冷轧[M]．北京：冶金工业出版社．1991．272-278． [2] 王碧文．孔型设计和微机应用[J]．铜加工，1985(1){123-128． [3] 洛阳铜加工厂．重有色金属材料加工手册(第4分册)[M]．北京：冶金工业出版社，1980．105～110． [4] 《轻金属材料加工手册》鳊写蛆．轻金属材料加工手册(下册)[M]．北京：冶金工业出版社，1980．621 [5] 周宜森．用‰ 和糕对冷拔钢管配模[J]．江西冶金．1991．(1-2)：44 6． [6] 周宜森，周紫箭．圆管拉拔工艺漉程设计计算方法[J]．上海有色金属，21300，(3)：122-127． [7] 周宜森．周紫箭 用岛— 方法设计圃管拉档配模时 △。和 △ 值的选取[J]．上海有色奎属，2001．(2) 69--72． [8] 周宜淼，周紫箭．圆管拉拔配模两种计算方法的分析和比较[J]．铜加工，2002． ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ， ， f上接第 47页 ) 和美国的A 4在强度上接近 ZLI20，但韧性相差太 远。 由于ZLI20合金的生产成本低，而且具有良好的 综合力学性能以及良好的铸造成形性和加工性能，目 前，它已在下列领域获得成功的应用： (1)已被美国通用一体斯公司指定作为HYSI32— 4电动汽车的主要结构件材料； (2)已试用于国内轿车、摩托车上用作重要结构 件： (3)已应用于l0号、l】号工程的液压泵生 产； (4)日本 Ahresty公司拟用来生产缸体等重要结 构零件。 表 3 中、美、俄、日高强铸造铝一硅合金 与高强铸钢力学性能的对比 台金 铸壅 状态 瑚Pa 8 s腑 比强度，口 ·p 比刚度，E· 维普资讯 http://www.cqvip.com