现代液压成形技术

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，
种类 管材液压成形 板料液压成形 壳体液压成形
介 不超过100MPa 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：
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。
2.2弯曲轴线异型截面管件内高压成形
• 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。
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
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
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。
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。 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。
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
视频1
图3 变径管内高压成形技术工艺过程
2.1变径管内高压成形
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。
• （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
• 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。
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。
(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。
• 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1 空心异形截面零件
2.1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。
2.6内高压成形技术的优势
（1）减轻质量，节约材料。
内高压成形件优势（与冲压焊接件相比）
（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。
• 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：
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
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）