内高压成形材料及工艺参数

内高压成形材料及工艺参数2010年04月23日二、主要工艺参数确定三、缺陷形式和加载曲线四、内高压成形的摩擦与润滑一、内高压成形用管材一、内高压成形用管材–低碳钢、双向钢•抗拉强度：290－440MPa•趋势：抗拉强度达到590－780MPa，甚至达到980MPa–不锈钢：奥氏体不锈钢304、1Cr18Ni9Ti；铁素体不锈钢429、309•用于发动机歧管（耐热抗氧化）–铝合金：5000系，6000系和7000系•飞机和火箭管件：5000系铝合金管材•汽车和自行车：6000系铝合金管材–钛合金：纯钛和TC41、材料分类•结构的力学性能–由设计确定–内高压成形可通过加工硬化提高强度•成形性能–具有较高的塑性及较大的n值和r值–制管过程中尽量减小加工硬化，保留材料的塑性•直径、壁厚精度–高于普通结构钢管，确保“密封”、“零件精度”–精密热轧、冷轧钢管、电阻焊管一般均能满足要求–批次之间的差别可调整密封段模具尺寸解决•清洁度要求–管材的内壁外壁均应有很好的清洁度，保证零件表面质量、保护模具2、对管材的要求•无缝管–晶粒细化、流线均匀–没有焊缝，力学性能一致性较好–因内孔偏心，往往周向壁厚分布不均——导致开裂、零件壁厚差异•电阻焊管（ERW）–采用热轧或冷轧板卷制造–制造过程加工硬化不均，导致性能差别–焊缝及热影响区易开裂，需通过特殊工艺控制–成本低，成形性能好，可优先选用3、钢管种类•激光焊管–热影响区小，塑性和焊接接头抗开裂能力优于ERW管材–用于复杂零件、尤其大膨胀率的内高压成形件–主要问题是成本高•拉拔管（DOM）–采用完全退火的厚壁ERW管通过冷拔工艺生产–利用芯轴进行拉拔，获得精确的尺寸和均匀的材料性能–冷拔后再通过正火或退火获得内高压成形要求的机械性能•连续变截面辊轧钢管（TRT）–德国mubea公司制造–材料相同，厚度不同–沿轴线钢管直径变化4、钢管力学性能测试•单向拉伸–直径较大的焊管，可采用板材拉伸性能–直径较小、材料强度较高的管材，取弧状试样拉伸，避免硬化影响–沿环向或其它方向的性能，一般需要将管材切开后展平进行拉伸弧形截面拉伸试样•环向拉伸–避免展平时加工硬化的不利影响–摩擦对测试结果有一定影响•液压胀形技术参数–钢管直径：30-120mm–最大钢管壁厚：5mm–钢管长度：D=30-60mm，L=300mmD=60-100mm，L=410mm二、主要工艺参数确定•初始屈服压力•开裂压力•整形压力（成形压力）•轴向进给力•合模力•补料量R5R56520°88652001281.5铝合金变径管零件图MPa8.35.81655.122ssdtp•初始屈服压力–管材开始发生塑性变形所需要的内压•开裂压力–贴模前内压应小于开裂压力221.5183.6=8.47MPa65bbtpd•5A02•外径65mm•壁厚1.5m–屈服强度81.5MPa–抗拉强度183.6MPaMPa8.39255.12.0'bsccrtp•整形压力（成形压力）–成形截面过渡圆角–保证尺寸精度–高于其它部位所需内压–选择增压器、确定加载曲线R5R56520°88652001281.5铝合金变径管零件图圆角整形压力计算示意图rpt直边中点过渡区整形前的管坯c模具c整形压力与过渡圆角半径的关系•圆角半径越小，整形压力越高＝合模力大、密封困难、功率增大•在满足使用要求的情况下，过渡圆角半径应该尽量大–一般，r=(4-10)t，整形压力约为屈服强度的1/4-1/10051015202530350.00.20.40.60.81.0pc/σsrc/t•轴向进给力–管端密封–由两端向模具型腔补料–确定水平缸推力轴向进给力的构成kN1208.3946214.3422iippdF高压液体反力kN1.451.08.3955.556514.3ipdlF摩擦力kN6.125.81655.114.35.02sttdF管材塑性变形力12045.112.6177.7kNaptFFFF•理论值kN156~132)3.1~1.1(paFF•工程估算•管坯初始长度•补料量–沿轴向推入模腔的材料长度，用于确定水平缸行程–作用：减少减薄率、提高膨胀率mm1.239)(sin21220llddDdlDlmm1.392001.23910lll•实际补料量：理想补料量的60％－80％•理想补料量：–假设成形前后管坯壁厚不变–成形后工件表面积等于初始管坯表面积合模力•闭合模具、避免缝隙•确定合模压力机能力pc－整形压力（MPa）Ap工件在水平面上的投影面积（mm2）对于轴线为曲线的零件，投影面积Ap为宽度与轴线在水平面上投影长度之积310cpcpAFkN510108.39128173三、缺陷形式和加载曲线缺陷形式•屈曲–原因：成形区长度过大，初期内压不足，轴向力大–措施：管材长度合理、增加预成形、调整工艺参数屈曲起皱开裂•起皱–原因：轴向力过大，成形初期形成皱纹–措施：调节加载路径，工艺复杂–死皱：皱纹过深，形成无法展平的缺陷–“有益皱纹”：可以展平，可减小减薄率•开裂–原因：内压过高、变形不均、管壁颈缩–例如：低碳钢管膨胀率40％，则内压过高易开裂–措施：管壁在颈缩前贴模、预成形减小膨胀率、退火恢复塑性•成形区间：不起皱、不破裂的轴向应力和内压之间匹配的区间•加载曲线：内压和轴向进给量（轴向补料量）之间的关系0轴向进给内压开裂区成形区间起皱区上限下限加载曲线图2-10成形区间和加载曲线•加载曲线要在成形区间中选择确定•加载曲线位置不同获得零件的壁厚减薄程度不同–靠近上限壁厚减薄大–靠近下限，壁厚减薄小•成形区间的内压宽度越大，工艺控制越容易•膨胀率–零件某一个截面周长相对于管坯初始周长的变化率（%）•极限膨胀率–通过控制加载曲线，从初始管材一次成形可获得的最大膨胀率(a)任意形状截面(b)圆截面(c)矩形截面100%Cdd100%Ddd(224)100%cabrdd%100maxmaxddCmaxmax100%Ddd影响极限膨胀率的材料因素•管材力学性能（延伸率、硬化指数n值、厚向异性指数r值）–延伸率、硬化指数越大，则极限膨胀率越大–不锈钢极限膨胀率大与铝合金圆形截面管件的极限膨胀率（成形区长度＝2d）材料ηmax纯胀形ηmax不锈钢120％35％低碳钢100％25％铝合金40％20％铜合金150％60％影响极限膨胀率的零件尺寸和工艺因素•最大截面的部位、成形区长度–位于工件两端，容易补料，极限膨胀率较大–成形区长度大、最大截面位于工件中部，不易补料，极限膨胀率相对较小•壁厚–厚度增大，极限膨胀率有所增大，但增加幅度较小•零件形状–非对称形状结构的极限膨胀率小于对称形状结构•加载曲线–采用优化的轴向补料量和内压匹配关系，可提高极限膨胀率成形区长度对极限膨胀率的影响•极限膨胀率随成形区长径比变化存在峰值•长径比大，极限膨胀率随长径比增加而减小，变化幅度不大•长径比很小时，极限膨胀率随成形区长径比的减小急剧下降四、内高压成形的摩擦与润滑摩擦的影响•壁厚分布•极限膨胀率•缺陷形式圆角过渡区开裂润滑剂及摩擦系数•固体润滑剂：MoS2和石墨–约占40％•润滑油和石蜡–约占30％•乳化剂及高分子基润滑剂–约占30％•施加方法–喷洒、浸泡–有些需干燥和硬化摩擦系数影响因素内压对低碳钢摩擦系数的影响肥皂：内压对摩擦系数没有影响MoS2：随内压增加而减小，到一定内压趋于稳定•材料–钢－钢摩擦系数较低–铝合金－钢摩擦系数较高•润滑剂•内压•送料速度•送料量•模具硬度及表面处理