现代液压成形技术

什么是液压成形？——一种新型成型工艺液压成形发展现状0.1内高压成形1)早在20世纪50年代，该技术已用于生产管路中使用的铜合金T型三通管和自行车车架上的连接件，所用成形压力小于25MPa，随着科技的发展现代液压成形压力一般达到400MPa，有时可达到1000MPa。超高压精度达到0.2-0.5MPa，位移精度达到0.5MPa。20世纪80年代德国和美国的研究机构系统地开展了内高压成形的基础研究和应用技术，现在已广泛应用到汽车、航空、自行车、管路等当中，其中汽车应用最为广泛。包括1.底盘类零件：副车架、纵梁、后轴、保险杠2.车体结构：座椅框、仪表盘支梁、顶梁等3）发动机和驱动系统：排气管凸轮轴4）转向和悬挂系统：控制臂、摆臂等2)成形工艺比较单一0.2板材液压成形早在1890年，就出现了类似于充液成形的方法，在板材与液体间用橡胶模割开，并在第二次世界大战时期在美国得到应用（钢制头盔）。生产效率低，质量不稳定等逐渐淘汰。为解决上述问题20世纪60年代日本学者（春日保男）提出将液体直接作用于坯料上，强制润滑拉深，这就是现在说的现代充液拉深技术原型。20世纪70年代进一步发展，1977年，安徽拖拉机厂用该工艺生产了50拖拉机的油底壳，这是我国首次将该技术应用生产。目前应用夜拉深技术制造的零件类型有筒形件，锥形件，抛物线件，盒形件以及复杂型面件，设计材料包括碳钢、高强钢、不锈钢、铝合金等，材料厚度为0.2mm-3.2mm，板材液压成形与普通拉深相比成形极限和拉深比大。对于低碳钢筒形件最大拉深比达到2.6，不锈钢2.7.铝合金2.5，如果采取特殊工艺还可进一步提高拉深比。如调压等0.3壳体液压成形技术1）自从1985年王仲仁教授发明了球形容器无模液压成形技术以来该技术经历了三个发展阶段壳体结构有平板类多面壳体扩展到单曲率多面壳体。2）由低压及常压球形容器发展到三类压力容器。3）有球形壳体扩展到非球形壳体。图为1992年哈工大王教授采用壳体液压成形技术成功研制200mm3液化气储罐，直径7.1m，壁厚24mm材料为低合金钢16MnR,最高工作压力位1.77MPa。（造纸球直径2m，厚12mm，压力供水装置直径2.7m，厚6mm；通信塔长轴6m、3m，短轴3m、2m）目录•一·概论•二·管材液压成形技术•三·板材液压成形技术•四·壳体液压成形技术•五·热态液压成形技术简介一·概论1.1液压成形技术种类和特点定义：液压成形是指利用液体作为传力介质或模具使工件成形的一种塑性加工技术，也称为液力成形。分类：按使用的液体介质不同，分为：1）水压成形；2）油压成形。按使用的坯料不同，分为：1）管材液压成形（内高压成形）；2）板料液压成形；3）壳体液压成形特点：（1）仅需要凹模或凸模，省去模具加工费用和时间，壳体液压成形不需要凸凹模；（2）液体具有实时可控性。种类介质最大成形压力管材液压成形多为乳化液不超过400MPa板料液压成形液压油不超过100MPa壳体液压成形纯水不超过50MPa从20世纪80年代中期发展起来的现代液压成形技术的主要特点表现在两个方面：一是仅需要凹模或凸模，液体介质相应地作为凸模或凹模，省去一半模具费用和加工时间，还可以成形很多刚性凸模无法成形的复杂零件。而壳体液压成形不使用任何模具，也称无模液压成形。二是液体作为传力介质具有实时可控性，通过压力闭环私服系统和计机家控制系统可以按给定的曲线精确控制压力。下面简单介绍一下三种不同液压成形技术的特点：二·管材液压成形技术•管材液压成形技术的原理：是用管材作为原材，在管材的内部施加液体压力，同时在轴向施加负荷作用，使其在给定模具型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的成形技术。管材液压成形技术主要可以整体成形轴线为二维或三维曲线的异形截面空心零件，从材料的初始圆截面可以成形为矩形，梯形，椭圆形或其他异形的封闭界面，如图1所示。•内高压成形技术根据坯料塑性变形的特点可分为变径管成形、弯曲轴线管成形和多通管成形等，下面对这三种成形技术的基本原理进行介绍。图1空心异形截面零件内高压成形是适应汽车和飞机等运输工具结构轻量化发展起来的先进制造技术。•变径管是指管件中间一处或几处的管径或周长大于两端管径或周长，其主要的几何特征是管件直径或周长沿轴线变化，轴线为直线或弯曲程度很小的二维曲线，如图2所示，又分为对称变径管和不对称变径管。•膨胀率是衡量变径管内高压成形的技术水平和难度的一个重要指标，它与零件材料，成形区长度，润滑和加载路径有关。2.1变径管内高压成形(a)(b)图2两种典型的变径管(a)对称变径管；(b)不对称变径管。2.1变径管内高压成形变径管内高压成形的工艺过程可以分为三个阶段（见图3）：①填充阶段，将管材放在下模内，然后闭合上模，使管材内充满液体，并排除气体，将管的两端用水平冲头密封；②成形阶段，对管内液体加压胀形的同时，两端的冲头按照设定的加载曲线向内推进补料，在内压和轴向补料的联合作用下使管材基本贴靠模具，这时除了过渡区圆角以外的大部分区域已经成形；③整形阶段，提高压力使过渡区圆角完全贴靠模具而成形为所需的工件，这一阶段基本没有补料。图3变径管内高压成形技术工艺过程视频1缺陷类型及解决方案：•屈曲：成形初期没有建立足够的内压，施加了过大的轴向力造成。•起皱：成形中后期，内压足够的情况下也可造成起皱。（分为死皱和有益皱纹）•开裂：轴向压力及补料量不足的情况下，在内压连续作用下管材过渡膨胀超过其极限膨胀率而导致。•解决：均可通过改变加载曲线解决。2.1变径管内高压成形2.1变径管内高压成形•变径管内高压成形技术适用于制造汽车进、排气系统、飞机管路系统、火箭动力系统和空调中使用的异形管件和复制截面管件。此外，小型飞机发动机的空心曲轴和传动系统中空心阶梯轴也可以采用内高压成形技术制造。•弯曲轴线异形截面空心构件的轴线是二维或三维曲线，典型截面形状包括矩形、梯形、椭圆形以及这些形状之间的过渡形状。•弯曲轴线异形截面管件的内高压成形工艺过程包括弯曲、预成形和内高压成形等主要工序，如图4所示。用于内高压成形的弯曲件除了保证弯曲轴线形状尺寸满足要求外，更重要的是控制弯曲过程中的壁厚减薄，这是保证内高压成形顺利进行的前提。•（图为一个铝合金变截面管件，其成形过程为弯曲－预成形－内高压成形，以获得各个不同位置的多个截面形状，其最大减薄率为7.5％）。2.2弯曲轴线异型截面管件内高压成形2.2弯曲轴线异型截面管件内高压成形•缺陷类型：•开裂：弯曲段外侧：管材弯曲过程造成多边形截面过渡区：加载曲线的影响焊缝热影响区：焊接条件•死皱：管材直径过大、分模面形式，尤其是预成型分模面。•飞边：零件某处截面特殊，预成型截面和内高压分模面设计不合理导致，模具闭合时造成。典型实例：轿车副车架主管件内高压成形弯曲轴线异形截面管内高压成形技术广泛以用于汽车制造领域。目前，世界上最长的低碳钢内高压成形件是美国通用汽车公司制造的长度为12m的卡车纵梁。最长的铝合金内高压成形件是Volvo大吉普上的纵梁，长度达5m，铝管直径达100mm。2.3薄壁多通管内高压成形•多通管结构形式有T形三通管、Y形三通管、X形四通管和六通管等。在各种多通管中Y形三通管为上下左右非对称结构，成形难度最大。多通管内高压成形的主要指标是支管高，T形三通管支管高度可以达到1倍原始管径，Y形三通管支管高度可以达到0.75倍原始管径。•传统工艺：1两个直管插焊2、利用板料冲压成两个半管后再焊接成整管。•基本工艺过程：2.3薄壁多通管内高压成形多通管的成形工艺过程分为三个阶段：①自由胀形阶段：成形初期，中间冲头不动，左右冲头进行轴向补料的同时，向管材内施加一定的内压，支管顶部尚未接触中间冲头，处于自由胀形状态。②支管成形阶段：成形中期，从支管顶部与中间冲头接触开始，内压继续增加，按照给定的内压与三个冲头匹配的曲线，左右冲头继续进给补料，中间冲头开始后退，后退中要保持与支管顶部接触，并对支管顶部施加一定的反推力，以防止支管顶部的过度减薄造成开裂。③整形阶段：成形后期，左右冲头停止进给，中间冲头停止后退，迅速增加内压进行整形使支管顶部过渡圆角达到设计要求。如图5所示，以Y形三通管为例，说明多通管内高压成形的基本工艺过程。•视频2图5三通管内高压成形工艺过程(a)自由胀形阶段；(b)支管成形阶段；(c)整形阶段。2.3薄壁多通管内高压成形•缺陷形式：T型三通管内高压成形的主要缺陷形式有支管顶部破裂、主管起皱，而Y型三通管由于结构的不对称性还会出现支管过渡区内凹的缺陷。•多通管件的应用：1.排气歧管：内壁光滑、壁厚薄、质量轻2.4内高压成形设备和模具•内高压成形机由合模压力机、高压源、水平缸、液压泵站、水压系统和计算机控制系统六部分组成。•工作过程：闭合模具—施加合模力—对管材内填充加压介质—管端密封—按加载曲线施加内压和轴向进给—增压整形—卸压—去合模力—退回冲头—开模2.5液力胀接和液压冲孔•液力胀接是以液体介质在轴管内加载产生局部变形，利用液压伺服精确控制内压，实现轴管和多个套环一次性整体装配的工艺方法，适用于制造空心凸轮轴等轴类零件。•应用：2.5液力胀接和液压冲孔•液压冲孔就是在管内液体压力的支撑作用下，利用冲头将管壁材料分离的一种冲孔方法。一般采用冲孔弯曲。•种类：由内向外冲孔、由外向内冲孔。2.6内高压成形技术的优势内高压成形件优势（与冲压焊接件相比）（1）减轻质量，节约材料。（2）液压成形件的比强度、比刚度以及使用寿命均比传统的拼焊构件和铸件高出许多。（3）液压成形由于一般不涉及焊接等热加工工序，再加上高压介质的校形作用，从而有效抑制了工件的热变形和回弹。因此，液压成形件的尺寸比较精确而且稳定，表面质量很高。（4）减少零件和模具数量，降低模具费用。（5）设计具有灵活性。（6）降低成本。内高压成形的不足就目前为止，内高压成形的主要缺点是：（1）由于内压高，需要大吨位液压机作为合模压力机。例如，对于内径为100mm和长度为2.5m的管材，当成形压力为100MPa时，合模力为25000kN；当成形压力为200MPa时，合模力为50000kN。（2）高压源及闭环实时控制系统复杂，造价高。（3）由于成形缺陷和壁厚分布与加载路径密切相关，零件试制研发费用高，必须充分利用数值模拟进行工艺参数优化。视频3三·板材液压成形技术•传统板材冲压成形中存在的问题成形极限低模具型腔复杂零件表面品质差等针对传统板材冲压成形中存在的成形极限低、模具型腔复杂，以及零件表面品质差等缺点，发展了板料液压成形技术。三·板材液压成形技术•基本原理：采用液体作为传力介质以代替刚性的凸模或凹模来传递载荷，使坯料在液体压力作用下贴靠凹模或凸模，从而实现金属板材零件的成形。•分类：根据液体介质取代凹模或凸模可将之进一步分类为•充液拉深成形•液体凸模拉深成形。3.1充液拉深成形技术•充液拉深成形是用液体介质代替凹模传递载荷，液压则作为辅助成形的手段，可减小普通拉深成形中凸、凹模之间坯料的悬空区，使该部分坯料紧贴凸模，零件形状尺寸最终靠凸模来保证。如图6所示，其成形工艺过程分为充液阶段，施加压力阶段，成形阶段和成形结束四个阶段。•充液拉深成形中的液压作用形成了坯料与凸模之间的摩擦保持效果，提高了凸模圆角区板料的承载能力，抑制坯料减薄和开裂，可有效提高成形极限、减少成形道次。同时，液体从坯料与凹模上表面间溢出可形成流体润滑，促进外围板材进入凹模，缓解了零件表面的划伤。图6充液拉深成形技术(a)充液阶段；(b)施加压力阶段；(c)成形阶段；(d)成形结束。3.2液体凸模拉深成形技术•液体凸模拉深成形则是以液体介质代替凸模传递载荷，液压作为主驱动力使坯料变形，坯料法兰区逐渐流入凹模，最终在高压作用下使坯料贴靠凹模型腔，零件形状尺寸靠凹模来保证。如图7所示，其成形工艺过程分为拉深阶段和整形阶段。•液体凸模拉深成形这一成形方法通过合理控制压边力可使坯料产生拉-胀成形，应变硬化可提高曲面薄壳零件的刚性、压曲抗力和抗冲击能力。因此，它非常适于铝合金和高强钢等轻合金板料形状复