液压成型的简述

液压成型的简述机电学院050930317洪伟松摘要：在阅读液压成型材料的基础上，简要叙述了液压成型的基本理论；液压成型的优缺点，及液压成型在汽车（尤其是管件类零件的应用）与航空方面的应用。Abstract:Byreadingsomematerialsofhydroforming,tryingtointroducethebasictheoryofthehydroforming,theadvantagesanddisadvantagesofthehydroforming,andtheapplyingtocarmanufacturingofthehydroformingandaviation.关键词：液压成型，内高压成型，应力应变，塑性变形，管件零件，汽车工业，航空工业。随着汽车、航空、航天等工业的不断发展，轻量化结构,因节省材料、降低能耗和减轻污染等显得日益重要，尤其是航空航天，一架波音747可以承载100多吨的燃油，结构的轻量化对于航空业的低碳显得非常的重要。而实现结构轻量化有3条主要途径：(1)采用轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金，在航空工业广泛采用了复合材料等；(2)采用高强度材料，如高强度钢等；(3)采用先进制造工艺，如液压成形技术、激光拼焊技术等。其中液压成形技术主要用来加工管件，使之成形为具有异型截面的构件，来代替实心构件，在不提高材料成本的前提下，既可减轻质量又可充分利用材料的强度和刚度。随着超高压动密封技术和超高压计算机控制技术的不断发展和完善，管件液压成形技术逐渐发展起来，且逐渐成熟，已成为金属塑性成形加工领域研究的前沿和热点，并在欧洲、北美、日本、韩国等国家的大型企业中得到了广泛的应用，在我国哈工大应该是走在液压成型的前列。基本原理（以管材为主）假设管材为薄壁管，忽略管材内壁压力p,只考虑轴向应力与切向应力，则可认为管材处于平面应力状态。由Mises屈服准则，可得内高压成型的屈服条件是222zzs(1)其中：为切向应力；z为轴向应力；s为材料的屈服强度。根据增量理论的本构方程，厚度变化量与应力状态的关系如下：()2itzidd(2)式中：td为厚度瞬时增量，大于0表示增厚，小于0表示减薄；id为等效应变增量；i为等效应力。内高压成型过程中，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，根据式(1)和(2)，可以给出在平面应力屈服轨迹上所有可能的应力状态。在充填阶段，两端冲头向模具型腔移动并与管端接触而实现密封。整个管材处于轴向受压的单向应力状态，对应的应变状态为轴向压缩、切向伸长和厚度增加，但变形量都很小。在此阶段，如果管材长度较长，当轴向压应力过大时管材整体会产生屈曲。在成型阶段、送料区和成型区的应力及应变状态均不同。在送料区，切向应力为零。因受到模具约束，环向应变也为零，因此，处于平面应变状态，轴向缩短，厚度增加，且管端处增厚最为严重。成型区的应力状态在成型初期为切向受拉、轴向受压，随切向应力与轴向应力比值的不同，可出现壁厚增加、减薄及不变等三种情况。液压成型技术的主要优点：与传统的冲压焊接工艺相比，液压成型技术主要有以下几方面优点：(1)减轻了成型件质量，节约材料。对于空心轴类零件可以减轻质量40％～50％，节约材料可达75％。(2)减少了成型件和模具数量，降低了模具费用。液压成型件通常仅需要1套模具，而冲压件大多需要多套模具。(3)减少了后续机械加工和组装焊接量。(4)提高了成型件的强度与刚度，尤其是疲劳强度。(5)降低了生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析，管材液压件比冲压件生产成本平均降低15％～20％，模具费用降低20％～30％。(6)成型件精度较高。采用液压成型技术可使零件的尺寸精度由IT14提高到IT10～l3液压成型的典型缺陷：液压成型管件的缺陷主要有开裂、死皱和飞边三种（见图１）。常见的开裂部位是弯曲段外侧（见图１a），可通过优化弯曲工艺避免过度减薄，从而避免压力过大而开裂。死皱的主要原因是预成型截面形状和内高压成型模具分模面设计不合理（见图2a）,模具截面ＡＢ段长度0L小于预成型截面长度1L，必然在该处产生死皱。产生飞边的主要原因是预成型截面形状和内高压成型模具分模面设计不合理、造成管材在模具闭合前被挤出模腔形成飞边，如图2b所示。其他常见缺陷还有多边形截面过渡区和焊缝热影响区的开裂等。图１图2液压成型在汽车工业的应用采用管件液压成型技术可以制造各种沿轴线变化的圆形、矩形或异型截面的管状零件，且零件轴线可以是直的或弯曲的。目前应用的汽车零件大体可分为4类。(1)发动机系统零件，如进气支管、排气支管、涡轮增压系统元件等；(2)悬吊系统零件，如发动机支承架、传动轴元件等；(3)车身结构件，如底盘、车顶支架、侧门横梁等；(4)其他类，如座椅框架及散热器支架等。20世纪40～50年代，管件液压成型技术处于实验室研究阶段，主要进行T型管接头成型工艺与设备的研发，到70年代末期，德国开始对管材液压成型技术进行基础性研究，并于90年代初率先在工业生产中采用管材液压成型技术制造汽车构件。1993年，德国奔驰汽车公司建立了管材液压成型车间，宝马公司也在其几个车型上应用了管材液压成型的零件。1994年4月，由世界l8个国家35家钢铁制造厂家赞助，开始执行ULSAB超轻量钢制汽车车体计划，其目标是在不降低车体刚性与振动特性的前提条件下开发出200kg的中型轿车车体，即达到减重25％。此计划于1998年5月完成，其中车顶支架与侧门横梁采用了管件液压成型技术。美国通用汽车公司的SEVILL车型中应用管件液压成型加工了侧门横梁、车顶托架等结构件。美国福特公司的Mondeo车型采用此项技术生产了前车架的结构件。克莱斯勒汽车公司采用该技术生产了仪表盘支架。日本CQ2X车架与Au—di2AL2Z车架的部分结构件也采用此项技术制造。目前，已有超过50％的汽车底盘装配有液压成型产品，而车身对液压成型产品的需求将是底盘的3倍。液压成型技术迅速流行的主要原因是复杂结构件可作为单一整体进行加工，结构紧固、成本低、质量轻。由于液压成型技术的高度精确性，其应用领域并不局限于汽车工业，在其他工业领域同样存在非常大的潜在市场。液压成型在航空业的应用前景液压成形工艺早在50年代就被航空工厂采用。但是由于设备条件的限制，压力只有80～400kg／cm，属于低压橡皮成形，零件成形后需手工校形。但随着国家航空工业的振兴，重型压力机的研制已经成为共识，在未来的应用中，压力的限制不会成为液压成型技术大量应用的瓶颈。在飞机零件中，钣金件占了很大的比重，传统的冲压主要靠凸模、凹模的相互压制来成型零件，模具与零件难免存在缝隙。若能运用液压成型，则可以省了凸模，而靠高压液体与凹模的相互挤压，即可以成形出高精度，低成本的结构析，可以大量降低成本，并为柔性化制造提供了可能。由于高压液体作用于零件，可以充分地保证零件的受力均匀，通过液压成型的零件质量可靠，表面质量好。致谢感谢汤泽军老师在课上不仅向我们传授模具的基本理论知识；还花较多精力介绍了模具方面的实际应用，让我得以了解液压成型的工艺，并以此为机会查阅相关文献，了解液压成型的基本原理，它的优缺点，及它在工业领域的广泛运用。参考文献[1]戴美云，张和兴.橡皮囊液压成型零件常见缺陷分析.成都：成都飞机工业公司[2]苑世剑，何祝斌，刘钢，王小松，韩聪.内高压成形理论与技术的新进展[J].中国有色金属学报，2011,10.vol21No.10[3]刘钢，韩聪，王小凇，苑世剑.内高压成形技术与装备.哈尔滨：哈尔滨工业大学[4]康万平，王宇，康蕾.管件液压成型技术简述.焊管，2010，1.Vol33No.1[5]郑再象，沈辉，秦永法.管件液压成形技术及其进展[J].机床与液压，2011,6Vol.39No.11[6]林小波，王炳德，刘莹.波动加载管材液压成形系统关键问题的研究[J].机械工程与自动化.2011,12No.6