液壓成型的簡(jiǎn)述

1、液壓成型的簡(jiǎn)述機(jī)電學(xué)院 050930317洪偉松摘要：在閱讀液壓成型材料的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要敘述了液壓成型的基本理論；液壓成型的優(yōu)缺點(diǎn)，及液壓成型在汽車（尤其是管件類零件的應(yīng)用）與航空方面的應(yīng)用。Abstract： By readi ng some materials of hydroformi ng, tryi ng to i ntroduce the basic theory ofthe hydroform ing, the adva ntages and disadva ntages of the hydroform ing, and the appl ying to car manu fac

2、turi ng of the hydroform ing and aviatio n.關(guān)鍵詞：液壓成型，內(nèi)高壓成型，應(yīng)力應(yīng)變，塑性變形，管件零件，汽車工業(yè)，航空工業(yè)。隨著汽車、航空、航天等工業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化結(jié)構(gòu)，因節(jié)省材料、降低能耗和減輕污染等顯得日益重要，尤其是航空航天，一架波音747可以承載100多噸的燃油，結(jié)構(gòu)的輕量化對(duì)于航空業(yè)的低碳顯得非常的重要。而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化有3條主要途徑：（1）采用輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金，在航空工業(yè)廣泛采用了復(fù)合材料等；（2）采用高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度鋼等；（3）采用先進(jìn)制造工藝，如液壓成形技術(shù)、激光拼焊技術(shù)等。其中液壓成形 技術(shù)主要用來(lái)加工管件，

3、使之成形為具有異型截面的構(gòu)件，來(lái)代替實(shí)心構(gòu)件，在不提高材料成本的前提下，既可減輕質(zhì)量又可充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。隨著超高壓動(dòng)密封技術(shù)和超高壓計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，管件液壓成形技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，且逐漸成熟，已成為金屬塑性成形加工領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)，并在歐洲、北美、日本、韓國(guó)等國(guó)家的大型企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)哈工大應(yīng)該是走在液壓成型的前列?；驹恚ㄒ怨懿臑橹鳎┘僭O(shè)管材為薄壁管，忽略管材內(nèi)壁壓力p ,只考慮軸向應(yīng)力與切向應(yīng)力，則可認(rèn)為管材處于平面應(yīng)力狀態(tài)。由 Mises屈服準(zhǔn)則，可得內(nèi)高壓成型的屈服條件是其中：:一 .r為切向應(yīng)力；-z為軸向應(yīng)力；s為材料的屈服強(qiáng)度。根據(jù)增量

4、理論的本構(gòu)方程，厚度變化量與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系如下:式中：d ；t為厚度瞬時(shí)增量，大于 c表示增厚，小于o表示減??；d ；i為等效應(yīng)變?cè)隽?；二i為等效應(yīng)力。內(nèi)高壓成型過(guò)程中，某一時(shí)刻管材上不同點(diǎn)以及同一點(diǎn)在不同時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài)都將有很 大差別，根據(jù)式(1)和(2)，可以給出在平面應(yīng)力屈服軌跡上所有可能的應(yīng)力狀態(tài)。在充填階段，兩端沖頭向模具型腔移動(dòng)并與管端接觸而實(shí)現(xiàn)密封。整個(gè)管材處于軸向受壓的單向應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變狀態(tài)為軸向壓縮、切向伸長(zhǎng)和厚度增加，但變形量都很小。在此階段，如果管材長(zhǎng)度較長(zhǎng)，當(dāng)軸向壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)管材整體會(huì)產(chǎn)生屈曲。在成型階段、送料區(qū)和成型區(qū)的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)均不同。在送料區(qū)，切向應(yīng)力為

5、零。因受到模具約束，環(huán)向應(yīng)變也為零，因此，處于平面應(yīng)變狀態(tài)，軸向縮短，厚度增加，且管端 處增厚最為嚴(yán)重。成型區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)在成型初期為切向受拉、軸向受壓，隨切向應(yīng)力與軸向應(yīng)力比值的不同，可出現(xiàn)壁厚增加、減薄及不變等三種情況。液壓成型技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：與傳統(tǒng)的沖壓焊接工藝相比，液壓成型技術(shù)主要有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：(1) 減輕了成型件質(zhì)量，節(jié)約材料。對(duì)于空心軸類零件可以減輕質(zhì)量40 %50 %，節(jié)約材料可達(dá)75%。(2) 減少了成型件和模具數(shù)量，降低了模具費(fèi)用。液壓成型件通常僅需要1套模具，而沖壓件大多需要多套模具。(3) 減少了后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量。(4) 提高了成型件的強(qiáng)度與剛度，尤其是疲勞強(qiáng)度

6、。(5) 降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)德國(guó)某公司對(duì)已應(yīng)用零件統(tǒng)計(jì)分析，管材液壓件比沖壓件生 產(chǎn)成本平均降低15 %20 %，模具費(fèi)用降低20%30%。IT14提高到IT1013(6) 成型件精度較高。采用液壓成型技術(shù)可使零件的尺寸精度由液壓成型的典型缺陷:常見(jiàn)的開裂部位是彎曲液壓成型管件的缺陷主要有開裂、死皺和飛邊三種(見(jiàn)圖1)。段外側(cè)(見(jiàn)圖1 a)，可通過(guò)優(yōu)化彎曲工藝避免過(guò)度減薄，從而避免壓力過(guò)大而開裂。死皺的主要原因是預(yù)成型截面形狀和內(nèi)高壓成型模具分模面設(shè)計(jì)不合理(見(jiàn)圖2a),模具截面AE段長(zhǎng)度L0小于預(yù)成型截面長(zhǎng)度 L1，必然在該處產(chǎn)生死皺。產(chǎn)生飛邊的主要原因是預(yù)成型截面形狀和內(nèi)高壓成型模具分模

7、面設(shè)計(jì)不合理、造成管材在模具閉合前被擠出模腔形成飛邊，如圖2b所示。其他常見(jiàn)缺陷還有多邊形截面過(guò)渡區(qū)和焊縫熱影響區(qū)的開裂等。呀船堤開握心 till圖1圖2液壓成型在汽車工業(yè)的應(yīng)用采用管件液壓成型技術(shù)可以制造各種沿軸線變化的圓形、矩形或異型截面的管狀零件, 且零件軸線可以是直的或彎曲的。目前應(yīng)用的汽車零件大體可分為4類。(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)零件，如進(jìn)氣支管、排氣支管、渦輪增壓系統(tǒng)元件等；(2) 懸吊系統(tǒng)零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)支承架、傳動(dòng)軸元件等； 車身結(jié)構(gòu)件，如底盤、車頂支架、側(cè)門橫梁等；(4)其他類，如座椅框架及散熱器支架等。20世紀(jì)4050年代，管件液壓成型技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要進(jìn)行T型管接頭成

8、型工藝與設(shè)備的研發(fā)， 到70年代末期， 德國(guó)開始對(duì)管材液壓成型技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究， 并于90 年代初率先在工業(yè)生產(chǎn)中采用管材液壓成型技術(shù)制造汽車構(gòu)件。1993年，德國(guó)奔馳汽車公司建立了管材液壓成型車間，寶馬公司也在其幾個(gè)車型上應(yīng)用了管材液壓成型的零件。1994年4月,由世界18個(gè)國(guó)家35家鋼鐵制造廠家贊助，開始執(zhí)行ULSAB 超輕量鋼制汽車車體計(jì)劃，其目標(biāo)是在不降低車體剛性與振動(dòng)特性的前提條件下開發(fā)出200kg的中型轎車車體，即達(dá)到減重25%。此計(jì)劃于1998年5月完成，其中車頂支架與側(cè)門橫梁 采用了管件液壓成型技術(shù)。 美國(guó)通用汽車公司的SEVILL車型中應(yīng)用管件液壓成型加工了側(cè)門 橫梁、車頂

9、托架等結(jié)構(gòu)件。美國(guó)福特公司的Mon dec車型采用此項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)了前車架的結(jié)構(gòu)件?？巳R斯勒汽車公司采用該技術(shù)生產(chǎn)了儀表盤支架。日本CQ2車架與Au di2AL2Z車架的部分結(jié)構(gòu)件也采用此項(xiàng)技術(shù)制造。目前，已有超過(guò) 50% 的汽車底盤裝配有液壓成型產(chǎn)品，而車身對(duì)液壓成型產(chǎn)品的需求 將是底盤的 3倍。液壓成型技術(shù)迅速流行的主要原因是復(fù)雜結(jié)構(gòu)件可作為單一整體進(jìn)行加工， 結(jié)構(gòu)緊固、 成本低、 質(zhì)量輕。由于液壓成型技術(shù)的高度精確性，其應(yīng)用領(lǐng)域并不局限于汽車 工業(yè)，在其他工業(yè)領(lǐng)域同樣存在非常大的潛在市場(chǎng)。液壓成型在航空業(yè)的應(yīng)用前景液壓成形工藝早在 50年代就被航空工廠采用。 但是由于設(shè)備條件的限制， 壓力只

10、有 80 400kgcm ，屬于低壓橡皮成形，零件成形后需手工校形。但隨著國(guó)家航空工業(yè)的振興，重 型壓力機(jī)的研制已經(jīng)成為共識(shí)， 在未來(lái)的應(yīng)用中， 壓力的限制不會(huì)成為液壓成型技術(shù)大量應(yīng) 用的瓶頸。在飛機(jī)零件中， 鈑金件占了很大的比重， 傳統(tǒng)的沖壓主要靠凸模、 凹模的相互壓制來(lái)成 型零件，模具與零件難免存在縫隙。 若能運(yùn)用液壓成型， 則可以省了凸模， 而靠高壓液體與 凹模的相互擠壓，即可以成形出高精度， 低成本的結(jié)構(gòu)析，可以大量降低成本，并為柔性化 制造提供了可能。 由于高壓液體作用于零件， 可以充分地保證零件的受力均勻， 通過(guò)液壓成 型的零件質(zhì)量可靠，表面質(zhì)量好。致謝還花較多精力介紹了模具感謝湯澤軍老師在課上不僅向我們傳授模具的基本理論知識(shí)； 方面的實(shí)際應(yīng)用， 讓我得以了解液壓成型的工藝， 并以此為機(jī)會(huì)查閱相關(guān)文獻(xiàn)， 了解液壓成 型的基本原理，它的優(yōu)缺點(diǎn)，及它在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用。參考文獻(xiàn)1 戴美云，張和興 . 橡皮囊液壓成型零件常見(jiàn)缺陷分析 . 成都：成都飛機(jī)工業(yè)公司2 苑世劍，何祝斌，劉鋼，王小松，韓聰. 內(nèi)高壓成形理論與技術(shù)的新進(jìn)展 J. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2011,10. vol21 No.103 劉鋼，韓聰，王小凇，苑世劍 . 內(nèi)高壓成形技術(shù)與裝備 . 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)