發(fā)展中的管件液壓成型技術(shù)

1、專題綜述發(fā)展中的管件液壓成型技術(shù)陳書鋒陳祝林內(nèi)容摘要:、計(jì)算機(jī)仿真在管件液壓成型中的應(yīng)用等作了較為詳細(xì)的闡述關(guān)鍵詞:液壓成型預(yù)彎曲預(yù)成型表1車身儀表板支架散熱器支架座椅架車頂側(cè)圍橫梁車頂縱梁車身縱梁副車架底盤前置發(fā)動(dòng)機(jī)支架后置發(fā)動(dòng)機(jī)支架梯形臂牽引桿保險(xiǎn)杠前橋、后橋轉(zhuǎn)向系與懸架控制臂發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系排汽管1概述同沖壓、焊接等傳統(tǒng)的成型技術(shù)相比,液壓成型技術(shù)是一門新型的金屬成型技術(shù),目前已廣泛應(yīng)用于具有封閉橫截面而形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)管件。在液壓成型過程中,標(biāo)準(zhǔn)管件經(jīng)過預(yù)彎、預(yù)成型后,在管內(nèi)注入高壓流體,使管件在封閉的模具腔內(nèi)最終成型。20世紀(jì)80年代,該項(xiàng)技術(shù)尚處在研究和初始實(shí)驗(yàn)階段,90年代初,批量

2、生產(chǎn)的液壓成型產(chǎn)品才開始在國際市場上出現(xiàn)。而在過去的十年內(nèi),尤其是近幾年,依托于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和高壓液壓系統(tǒng)的發(fā)展,管件液壓成型技術(shù)迅速發(fā)展,目前多種結(jié)構(gòu)件可以通過該技術(shù)大批量地加工生產(chǎn)2。液壓成型產(chǎn)品重量輕而質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)尤其符合汽車和飛機(jī)元件的要求,因此管件液壓成型技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)和航空工業(yè)。任何新技術(shù)都需要相應(yīng)的應(yīng)用來推動(dòng)和帶動(dòng)其發(fā)展,而汽車工業(yè)對液壓成型產(chǎn)品的需求則成為液壓成型技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。表17給出了可使用液壓成型技術(shù)生產(chǎn)的汽車元件。管件液壓成型技術(shù)同傳統(tǒng)的沖壓和焊接加工技術(shù)相比有幾大優(yōu)勢:(1)重量輕。通過有效的截面設(shè)計(jì)和壁厚設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)件由標(biāo)準(zhǔn)管材經(jīng)液壓成型膨脹成結(jié)構(gòu)

3、更復(fù)雜的單一整體元件,需要較少的管材,較少的裝配元件,因此減輕了產(chǎn)品的重量。同時(shí)較少的二次操作(如焊接、連接等)也減輕了產(chǎn)品的重量。(2)質(zhì)量高。管材經(jīng)液壓成型,強(qiáng)度和剛度得從動(dòng)連桿轉(zhuǎn)向柱凸輪軸驅(qū)動(dòng)橋殼發(fā)動(dòng)機(jī)軸曲軸的精確度高,加工誤差降低50%,由±115mm降為±0175mm。(3)成本低。較少的原材料和較少的二次操作(如焊接、連接和裝配等)降低了液壓成型產(chǎn)品的成本。(4)設(shè)計(jì)的靈活性。特殊的成型能力使液壓成型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更靈活。福特Mondeo車型的發(fā)動(dòng)機(jī)架采用液壓成型技術(shù),與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比,具有明顯的優(yōu)越性2:(1)工件的數(shù)目由6個(gè)減少為1個(gè);(2)加工程序的步驟由

4、32步減少為3步;(3)成型件的重量由12kg降低為8kg;35到提高;液壓成型產(chǎn)品較焊接件整體性能好;尺寸建筑機(jī)械2001(8)專題綜述(4)平均每個(gè)成型件的成本由20降低為10英磅。盡管液壓成型技術(shù)具有許多優(yōu)勢,但它也有循環(huán)周期長、設(shè)備昂貴、缺乏過程設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)的知識等劣勢。因此,工程人員必須從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性綜合對比液壓成型技術(shù)和沖壓與焊接技術(shù)的優(yōu)劣,來確定某一產(chǎn)品使用液壓成型技術(shù)的可行性。圖12液壓成型的過程在液壓成型過程中,具有封閉橫截面的結(jié)構(gòu)件是由標(biāo)準(zhǔn)管材變形而成的。品,一般需要以下幾個(gè)步驟:(1)1,直徑為<25<150mm。,如熱軋低碳鋼、冷軋低碳鋼、高強(qiáng)合金鋼和鋁

5、合金等。(2)將管材預(yù)彎曲成型。使用電腦數(shù)控(CNC)彎管機(jī)將坯材彎曲成最終成型品的大致形狀,為液壓成型過程做準(zhǔn)備。(3)將預(yù)彎曲件放置在成型模具腔內(nèi)(圖1a),預(yù)彎曲件在模具腔內(nèi)最終成型。模具和加工設(shè)備是根據(jù)液壓成型產(chǎn)品專門設(shè)計(jì)和制造的。(4)加壓的第一階段(低壓階段)(圖1b)。在模具加壓的同時(shí),在管材內(nèi)部注入低壓流體,可以增加管材的變形能力。在該階段,管材擴(kuò)展進(jìn)入模具的拐角處,但并未完全延伸、擴(kuò)展充滿整個(gè)模具腔。成型件在拐角處的變形是由于管內(nèi)部的壓力超出了管材的屈服極限而導(dǎo)致的管材彎曲。在該階段,由于管材和模具腔之間的摩擦力較小,金屬可以沿模具腔滑動(dòng)進(jìn)入模具的拐角處,確保壁厚一致性和尺寸

6、的精確性。(5)加壓的第二階段(高壓階段)(圖1c)。第一階段完成后,管內(nèi)壓力增加,管材形成最終形狀。步驟(4)和步驟(5)可以經(jīng)一次高壓完成。一般說來,二次加壓成型的過程中的壓力比一次高壓成型過程中的壓力要低得多,因此其成型周期更短,對液壓機(jī)的要求也較低。(6)沖孔。在高壓階段,安裝在模具上的沖孔機(jī)可以直接對管材沖孔。采用此方式?jīng)_孔可減少傳統(tǒng)沖孔方法引起的影響管件質(zhì)量的變形。同樣,在該階段可進(jìn)行管材表面上凹凸面的操作。36(7)管材的端部成型。斜性能時(shí),控制模具,的內(nèi)壓和反向壓力(圖2),大。圖23管材的選擇影響管件液壓成型材料選擇的主要因素包括成型產(chǎn)品的性能、成型的過程、材料的變形能力和成

7、本,因此必須針對液壓成型產(chǎn)品的實(shí)際情況,綜合考慮各種因素來決定要選擇的材料。例如:HSLA鋼在不犧牲結(jié)構(gòu)件剛度的前提下可減輕結(jié)構(gòu)件的重量,雖然HSLA鋼價(jià)格昂貴且不易變形,但為了滿足設(shè)計(jì)元件的特殊要求,在某些情況下它又是唯一的選擇。目前,汽車車身和底盤件一般采用低碳鋼和HSLA鋼;曲軸和驅(qū)動(dòng)軸一般采用表面經(jīng)過硬化的鋼;排氣管一般采用不銹鋼;車身和底盤的操縱桿一般采用鋁合金;而機(jī)架和T型連接件則一般采用銅1。由于預(yù)成型管的質(zhì)量對液壓成型過程的成功與否起關(guān)鍵作用,所以同管材的壁厚和直徑一樣,材料的組成、屈服極限、強(qiáng)度極限、延伸率和流動(dòng)性等性質(zhì)直接決定了成型產(chǎn)品的性能。在加工過程中,必須對材料的這些

8、性質(zhì)隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)計(jì)和制造液壓成型產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備造價(jià)高,生產(chǎn)周期建筑機(jī)械2001(8)專題綜述長,制造后不易改動(dòng),因此在投入生產(chǎn)前,對受實(shí)驗(yàn)設(shè)備制約不能由實(shí)驗(yàn)解決的一些液壓成型問題,可通過計(jì)算機(jī)仿真解決。液壓成型產(chǎn)品的最終幾何形狀的復(fù)雜性決定液壓成型時(shí)是采用直管還是采用預(yù)成型管。多數(shù)情況下,在液壓成型操作之前,先將直管預(yù)彎曲成最終成型品的大致形狀。而管材不同角度的彎曲和不同的彎曲曲率半徑增加了加工和設(shè)備的成本,因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就應(yīng)充分考慮液壓成型件的彎曲約束。目前工業(yè)上通常采用張力實(shí)驗(yàn)來確定材料的性質(zhì),片1。,進(jìn)行。在控制管材在模具腔內(nèi)成型的過程中(同時(shí)控制內(nèi)壓和軸向進(jìn)給),管材可能發(fā)生拉

9、伸疲勞。由于管材的性質(zhì)和成型能力決定了液壓成型過程的成功與否,所以在液壓成型過程中也要隨時(shí)監(jiān)控管材的變形條件和疲勞強(qiáng)度,以避免瓶頸、皺褶、撓曲等現(xiàn)象的發(fā)生?？赏ㄟ^分析計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真,估計(jì)成型期間的軸向進(jìn)給、內(nèi)壓和反向壓力控制的關(guān)系,縮短液壓成型的時(shí)間。圖4潤滑劑在管材和模具腔表面間建立的邊界潤滑,控制著摩擦狀態(tài)。隨著內(nèi)部壓力的加大,接觸面積增加,伴隨有粘性摩擦發(fā)生。液壓成型過程中,產(chǎn)生摩擦的三個(gè)重要區(qū)域是導(dǎo)向區(qū)、變形區(qū)和擴(kuò)展區(qū)(如圖4)。每個(gè)區(qū)域都有不同的變形和摩擦特性,因此應(yīng)分別分析每個(gè)區(qū)域的摩擦特性。在導(dǎo)向區(qū)材料不發(fā)生變形,但在內(nèi)部壓力的作用下,管材的變形發(fā)生,管材的屈服強(qiáng)度、模具腔面。

10、選擇潤滑劑要綜合考慮內(nèi)部壓力、滑動(dòng)的速率與距離等多種因素。固體潤滑劑(主要是石墨)、聚合物、石蠟、潤滑油和乳膠等都可作為液壓成型的潤滑劑3。潤滑劑的選擇應(yīng)遵守易于使用、易于清除、不影響管材的性能的原則,并且在600MPa的高壓下不分解。4潤滑和摩擦潤滑和摩擦是液壓成型技術(shù)中又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題,尤其是在有軸向進(jìn)給的情況下。潤滑劑的作用是減小滑動(dòng)摩擦阻力,減少設(shè)備的磨損,減小軸向力,防止皺褶。管材和模具直接接觸時(shí),由于各處摩擦力大小不同,所以管材各部位的應(yīng)變分布狀態(tài)不一致,在這種情況下材料擴(kuò)展形成其最終形狀。為了使管材沿模具腔擴(kuò)展,應(yīng)減小接觸面的摩擦促使材料進(jìn)入變形區(qū)(如圖3)。5管件液壓成型的計(jì)

11、算機(jī)仿真對管件液壓成型過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真是從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)的。由于管件液壓成型過程中需要高壓,實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備不能滿足,而制造硬件設(shè)備成本高、周期長,并且投產(chǎn)后又不易進(jìn)行調(diào)整,所以在投產(chǎn)硬件設(shè)備之前,應(yīng)通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行并優(yōu)化初始設(shè)計(jì)。液壓成型的計(jì)算機(jī)仿真過程中,使用描述為“從動(dòng)力”的代碼是非常必要的?！皬膭?dòng)力”是一種隨管材幾何單元變形而變化,保持垂直幾何單元的力。通常在液壓成型的仿真過程中,采用壓力時(shí)間函數(shù),但在某些情況下,會帶來穩(wěn)定性問題。而采用流量時(shí)間函數(shù)可解決這一問題2。有限元仿真可以預(yù)測液壓成型過程中可能出現(xiàn)的皺褶和破裂等缺陷。在發(fā)展新的成型過程和設(shè)計(jì)圖3新的成型系統(tǒng)時(shí),可通過有限元仿真模擬

12、成型過程,嘗試不同的過程參數(shù)和方案,在進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)37建筑機(jī)械2001(8)專題綜述和采取必要的技術(shù)措施之前,就可獲得適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)倪^程參數(shù),因此降低了產(chǎn)品的成本,縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期,可大量減少試制和實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在人們越來越多地使用外部有限元軟件,如DY2NA3D、ABAQUS/外部都是對液壓成型過程仿真常用的外部商業(yè)有限元軟件5。利用外部有限元軟件DYNA3D對一個(gè)復(fù)雜的管件(汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)架)進(jìn)行液壓成型過程仿真是一個(gè)很好的例子,仿真的過程包括預(yù)彎曲、模具加緊和加壓過程6。參考文獻(xiàn)1“IncreasingtheHydroformingKnowledgeBase”,AutomotiveE

13、ngineeringInternational2000222MustafaAhmetoglu,KevinSutter“TubeHydroformingCurrentResearch,ApplicationsandNeedforTraining”,ThePaperforERC.NSMOHIOSTATE20004F.D,Ch.Hartl-researchandofMaterialsProcessingTechnolo2)7RichardA.Marando“Tubularhydroforming:TheEnablingTechnology”,NewsSearchIndustryForumSubsci

14、ptionCareersSchedule2000陳書鋒、陳祝林,同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,200092上海市四平路1239號收稿日期:2001-04-23編輯:孔慶璐6結(jié)論型技術(shù)的迅速發(fā)展。;1994年,架;而現(xiàn)在液壓成型產(chǎn)品在汽車工業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。據(jù)估計(jì),到2004年,將有50%的汽車底盤裝配有液壓成型產(chǎn)品,而同時(shí)車身對液壓成型產(chǎn)品的需求將是底盤的三倍4。液壓成型技術(shù)迅速流行的主要原因是由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件可作為單一的整體加工,結(jié)構(gòu)緊固、成本低、重量輕。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),其它工業(yè)領(lǐng)域同樣存在著非常大的潛在市場。相信伴隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和高壓液壓系統(tǒng)的進(jìn)一步

15、提高,管件液壓成型技術(shù)將得到更迅猛的發(fā)展。聯(lián)合啟事自2001年1月,工程機(jī)械、建筑機(jī)械等發(fā)表了“關(guān)于一稿多投問題的聯(lián)合聲明”以后,引起了普遍重視,但近期發(fā)現(xiàn)極個(gè)別作者仍有一稿多投的行為?；袈斃热蛔髡邔ⅰ癟90推土機(jī)引導(dǎo)輪軸磨損原因分析及改進(jìn)”一文分別于2001年2月28日、3月30日投寄給工程機(jī)械和建筑機(jī)械雜志,并已在建筑機(jī)械2001年第6期刊出,此事被工程機(jī)械雜志社發(fā)現(xiàn)后,我國今天上半年國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快增長,初步測算,國民生產(chǎn)總值達(dá)42942億元,按可比價(jià)格計(jì)算,比去年同期增長了719%。央行統(tǒng)計(jì),到6月末金融機(jī)構(gòu)各項(xiàng)存款余額1315萬億元,其中居民儲蓄存款7萬億元。中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)布最新一期“中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告”。報(bào)告顯示,我國上網(wǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)達(dá)1002萬臺,比去年