材料成型理论-内高压成形

1特种塑性成形—内高压成形（塑性成形工艺大作业）内高压成形1目录1内高压成形工艺简介及应用实例...............................................11.1内高压成形技术........................................................................................11.2应用实例....................................................................................................21.2.1汽车工业..........................................................................................................21.2.2航空航天..........................................................................................................32应力、应变特点及变形规律分析...............................................32.1内高压成形工艺流程...............................................................................32.2应力、应变特点........................................................................................42.2.1充形阶段..........................................................................................................52.2.2成形阶段..........................................................................................................52.2.3整形阶段..........................................................................................................62.3成形区间及加载路线...............................................................................63成形设备.....................................................................................84常见缺陷形式及预防措施..........................................................94.1屈曲...........................................................................................................94.2起皱...........................................................................................................94.3开裂.........................................................................................................104.3.1弯曲管壁厚分布规律....................................................................................104.3.2过渡区开裂的应力分析...............................................................................115内高压成形的特点....................................................................126.研究现状、发展趋势及主要研究机构....................................136.1研究现状.................................................................................................136.2发展趋势.................................................................................................146.3国内主要研究机构..................................................................................14参考文献......................................................................................15内高压成形11内高压成形工艺简介及应用实例在节能减排的大形势下，汽车和飞机等运输工具结构轻量化设计的概念应运而生。实现结构轻量化有两条主要途径，即材料和结构途径。材料途径：采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料；结构途径：采用空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体等结构。根据统计，对于一定的减重目标，在航天航空领域，采用轻质材料减重的贡献大约为2/3，结构减重的贡献大约为1/3；而在汽车领域，则主要采用结构减重的途径。然而，内高压成形是适应结构轻量化发展起来的一种先进制造技术。1.1内高压成形技术内高压成形(InternalHighPressureForming)是以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。由于使用乳化液（在水中添加少量的防腐剂等组成）作为水传力介质，又称为管材液压成形（TubeHydroforming）或水压成形。按成形零件的种类，内高压成形分为三类：（1）变径管内高压成形；（2）弯曲轴线构件内高压成形；（3）多通管内高压成形。（1）变径管内高压成形：变径管是指管件中间一处或几处的管径或周长大于二端管径。其中，如图1.1所示的非对称大截面差管件成形困难，通过轴向进给和内压匹配，以及贴模顺序控制，实现截面差120%构件内高压成形，突破100%膨胀率的极限值。图1.1大膨胀率双锥管件内高压成形2（2）弯曲轴线异型截面管件内高压成形：图1.2所示管件具有18个不同形状和尺寸截面，轴线为三维曲线。图1.2轿车副车架内高压件（3）多通管内高压成形：铝合金薄壁整体三通管内高压成形，消除传统工艺纵向焊缝，大幅提高构件可靠性。图1.3整体三通管1.2应用实例1.2.1汽车工业德国于20世纪70年代末开始内高压液力成形基础研究，并于90年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制造汽车轻体构件。目前在汽车上应用有①排气系统异型管件；②副车架总成；③底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架；④前轴、后轴及驱动轴；⑤安全构件等。内高压成形31.2.2航空航天用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有结构空心框梁、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管接件等。用内高压成形制造的飞机发动机空心双拐曲轴,与原零件相比减重48%。2应力、应变特点及变形规律分析2.1内高压成形工艺流程以变径管为例其成形工艺过程可以分为三个阶段，如图2.1所示。初始充填阶段（图2.1a）模具闭合后，将管的两端用水平冲头密封，使管坯内充满液体，并排出气体，实现管端冲头密封；成形阶段（图2.1b），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坯基本贴靠模具，这时除了过渡区圆角以外的大部分区域已经成形；整形阶段（图2.1c），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。a.充填阶段b.成形阶段c.整形阶段图2.1变径管件内高压成形工艺过程内高压成形4成形过程中涉及主要工艺参数：初始屈服压力Ps：管材开始发生塑性变形时所需要的内压；开裂压力Pb：贴模前内压应小于开裂压力；整形压力（成形压力）Pc：用于成形截面过渡圆角，并保证尺寸精度；轴向进给力Fa：实现轴向补料；合模力Fc：使模具闭合不产生缝隙；补料量△l：减少成形区壁厚减薄，并提高膨胀率；2.2应力、应变特点设管材为薄壁管，忽略管材内壁上压力p，只考虑轴向应力(axialstress)和环向应力(hoopstress)，则可认为管材处于平面应力状态。由Mises屈服准则，可得内高压成形的屈服条件：222szz（1）式中，σθ为环向应力；σz为轴向应力；σs为材料屈服强度。根据Levy-Mises增量本构方程，厚度变化量与应力状态的关系如下：)(2ziitdd（2）式中：dεt为厚度瞬时增量，大于0表示增厚，小于0表示减薄；dεi为等效应变增量；σi为等效应力。变形过程中，某一时刻管材上不同点，以及同一点在不同时刻的应力状态都将有很大差别，而所有可能的应力状态应位于图2.2所示的平面应力屈服轨迹或屈服椭圆上点A→D→B→C之间的曲线上。内高压成形5图2.2内高压成形应力应变状态在屈服轨迹上的位置2.2.1充形阶段在此阶段，冲头对管端作用有一定的轴向推力以实现密封，整个管材都处于轴向受压的单向应力状态（见点A），对应的应变状态为轴向压缩、环向伸长和厚度增加，但变形量都很小。2.2.2成形阶段在成形阶段，送料区和成形区的应力及应变状态均不同。对于送料区管材，虽然受到内部液体压力的作用，但管材与模具的接触应力σN基本等于内压p，环向应力σθ为零，送料区仅存在轴向应力σz的作用，因此送料区的应力状态对应于屈服椭圆上的点A。由于受到模具的约束，环向应变εθ也为零，所以送料区处于平面应变状态,而且轴向缩短、厚度增加。因为管材与模具之间的摩擦作用，轴向应力σz的绝对值从管端向内逐渐减少，因此管端处的增厚最为严重。成形初期，管材还保持平直状态，其应力状态为环向受拉和轴向受压，即位于屈服轨迹中点A和点B之间，应变状态与环向应力σθ和轴向应力σz的数值大小有关：内高压成形6当σθ|σz|，位于屈服轨迹的点B和点D之间时，有dεt0，壁厚减薄；当σθ|σz|，位于屈服轨迹的点D和点A之间时，有dεt0，壁厚增加；当σθ=|σz|，位于屈服轨迹的点D，此时dεθ=-dεz，dεt=0，壁厚不变，管材处于平面应变状态。随着变形的进行，变形区管材不再保持平直状态，而将发生向外凸起的变形。此时，该区的管材处于双向拉应力状态，在图2.2中表现为从点B向点C移动。在此阶段，σθ0，σz0，且一般情况下σθσz，因此环向和轴向总是伸长，壁厚总是减薄，减薄的程度取决于轴向应力与环向应力数值的大小。须要指出的是，σθ与σz的比值还与变形区的相对长度有关。在成形阶段还有一种特殊情况，管材只受内压作用而没有轴向补料，即自由胀形。在自由胀形的初期管材保持直管状态时，管材只受内压作用引起的环向应力，轴向应力σz＝0，处于屈服轨迹曲线上的点B，随着内压的增加