管材內高壓成形技術

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章緒論 1\o"CurrentDocument"研究背景 1\o"CurrentDocument"管材內高壓成形基本原理 1\o"CurrentDocument"管材內高壓成形的適用領域 3\o"CurrentDocument"第二章管材內高壓成形的影響因素 4\o"CurrentDocument"2.1軸向應力的影響 4\o"CurrentDocument"2.2內壓力大小的影響 4\o"CurrentDocument"摩擦系數(shù)的影響 5起皺的影響 6\o"CurrentDocument"第三章管材內高壓成形的設備關鍵技術 7\o"CurrentDocument"第五章管材內高壓成形的工程研發(fā)案例 9\o"CurrentDocument"第六章管材內高壓成形的展望 11第一章緒論1.1研究背景近年來，汽車輕量化是汽車制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢。由于世界能源的緊張和環(huán)保問題的日趨嚴重，汽車工業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)：減輕汽車自身重量，提高行駛速度，降低能耗。除了采用輕體材料以外，汽車輕量化的另一個主要途徑是以“空代實”。這就求促使人們不得不改進傳統(tǒng)工藝，創(chuàng)造出適應新經濟時代要求的新工藝。通過合理的結構設計，許多零部件都能采用標準的管材，通過液壓成形技術成形結構很復雜的單一整體結構件，代替承受彎曲和扭轉載荷的構件，既節(jié)省了材料，又發(fā)揮了材料的最大效能。在汽車工業(yè)中管材液壓成形作為一個非常重要的成形技術已得到了廣泛應用，主要用于生產汽車動力系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、汽車底盤以及一些結構件。汽車用排氣管件大多為形狀比較復雜、軸線有很大變化的零件。傳統(tǒng)成形工藝除鑄造成形外，主要采用沖壓兩個半殼而后組焊成形，或采用管坯進行數(shù)控彎曲、擴管、縮管加工而后組焊成形。這樣制造的零件模具費用高、生產周期長、成本高，不適應當前汽車行業(yè)在減輕自重、降低成本、提高市場競爭力等方面的要求。而采用內高壓技術制造排氣管件可以較精確地控制零件的尺寸精度，便于在后續(xù)工序中與其他零件進行裝配，且能夠進一步減輕系統(tǒng)重量，減少焊縫數(shù)量，內表面光滑，排氣阻力小，使成形后的產品質量和壽命得到進一步提高。1.2管材內高壓成形基本原理內高壓成形(InternalHighPressureForming)是以管材作坯料，通過管材內部施加超高壓液體和軸向進給補料把管坯壓入到模具型腔使其成形為所需工件。而對于軸線為曲線的零件，先在數(shù)控彎管機上彎曲到要求的形狀，經過預成形后再放到模具內加壓成形出零件，這種工藝適用于制造沿構件軸線具有不同截面形狀的空心構件，截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面。由于所使用的壓力高達400MPa~600MPa,在德國稱為內高壓成形IHPF(InternalHighPressureForming)；根據(jù)使用的坯料和成形介質，在美國又稱為管材液力成形THF(TubeHydroforming)。按成形零件的種類，內高壓成形分為三類：(1)變徑管內高壓成形；(2)彎曲軸線構件內高壓成形；(3)多通管內高壓成形。圖1.1為內高壓成形技術生產的汽車零部件。

a）發(fā)動機支架b）汽車排氣管圖1.1內高壓成形的典型零部件內高壓技術成形（圖2.1）—個產品，一般完整的工藝路線為:管坯下料一葉預彎機加工端部一清清洗一噴涂潤滑劑一預成形一分液壓成形一后續(xù)加工（如激光切割、焊接、熱處理、清洗、噴漆等）。

（勾管坯啟入怕）加載過秫（勾管坯啟入怕）加載過秫圖2.1內高壓成形過程管材內高壓成形的適用領域管材內高壓成形的優(yōu)點：減輕質量，節(jié)約材料；減少零件和模具數(shù)量，降低模具費用；可減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量；提高強度與剛度，尤其是疲勞強度；降低生產成本。而其工藝方面的不足是：成形過程中坯料變形不均勻，金屬流動情況復雜，變形規(guī)律較難掌握；內高壓成形專用設備的設計尚無標準可言，工藝設計及參數(shù)的正確選取比較困難；成形過程中容易產生破裂、起皺、折疊、彎曲等缺陷。管料的內高壓成形適用于汽車等行業(yè)的沿構件軸線變化的圓形、矩形或異型截面空心構件，如汽車的排氣系統(tǒng)異型管件、非圓截面空心框架如副車架、儀表盤支架、車身框架（約占汽車總重量的11%?15%）、空心軸類件和復雜管件等。適用材料包括碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金及鎳合金等，原則上適用于冷成形的材料均適用于內高壓成形工藝。第二章管材內高壓成形的影響因素2.1軸向應力的影響內高壓成形是在內壓和軸向力聯(lián)合作用下的復雜成形過程。當軸向力過大，管坯將發(fā)生塑性失穩(wěn)起皺；當內壓過高，管坯將發(fā)生破裂；軸向力和內壓都過大，起皺和開裂同時發(fā)生。無內壓作用時，管坯產生塑性失穩(wěn)起皺的條件可以用經典歐拉公式。當管坯有內壓作用時，穩(wěn)定性提高，起皺的軸向應力增大。圖2.1所示為一個非線性彈塑性穩(wěn)定性理論分析計算實例。由圖2.1看出，隨著內壓力增加，起皺臨界軸向力逐漸提高。0 10 K圖2.1塑性失穩(wěn)臨界軸向力與內壓的關系2.2內壓力大小的影響內壓力是能否成形符合需求產品的重要因素。內高壓成形開裂壓力可以用下式估算:式中：PiB 開裂壓力(MPa)材料的抗拉強度管材開裂前的直徑t————管材開裂前的瞬時厚度通過不同材料和不同壁厚管材實驗獲得的開裂壓力與上式計算值吻合較好。摩擦系數(shù)的影響摩擦力對內高壓成形過程有著至關重要的影響。管坯與成型模腔有較大面積接觸，且隨內壓力的加大，管坯與模腔之間的壓力越來越大，使管坯兩端材料很難流入。這樣不但使中間脹形部分變薄、易脹裂、廢品率高，而且需要兩端的軸向力更大，即需要更高噸位的壓力機才能進行脹形，增加了生產成本。減小摩擦力改善潤滑環(huán)境不僅可以提高產品質量，降低成形時所需的軸向力，還可以降低模具的磨損，延長模具使用壽命。為減小摩擦，管坯外表面及成型模腔要盡可能光滑，應在管坯和模腔之間添加合適的潤滑劑。起皺的影響以往的研究者大多認為起皺是一種缺陷，應避免皺紋的產生。通過大量試驗研究和數(shù)值模擬表明并非所有的皺紋都是缺陷，可以利用起皺先在變形區(qū)聚料，然后再加壓使皺紋脹平。關鍵問題是控制加載路徑產生可以后續(xù)加壓脹平的皺紋，稱這類皺紋為有益皺紋(圖2.2)，不能加壓展開的皺紋為死皺，利用有益皺紋可以擴大成形區(qū)間范圍。對于鋁合金管件，利用有益皺紋聚料膨脹量達到35%，最大減薄量小于10%；對于低碳鋼管件，利用有益皺紋聚(b)零件圖2.2利用有益皺紋成形的鋁合金件第三章管材內高壓成形的設備關鍵技術內高壓成形設備由合模液壓機、水平推缸、高壓源、液壓系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)主要功能為:合模液壓機提供合模力，在加壓成形期間將上下模具閉合鎖死。對于直徑65mm,長度為2m的零件，當成形壓力達到250MPa時，需要合模力為32500kN；水平推缸用于軸向進給補料和管端密封。高壓源產生和控制高壓液體，核心部件是增壓器，規(guī)格有200MPa、400MPa和600MPa；液壓動力系統(tǒng)提供水平缸、增壓器和合模液壓機驅動動力；水壓系統(tǒng)提供工件成形乳化液快速充填、增壓器高壓腔補液、乳化液循環(huán)過濾；計算機控制系統(tǒng)控制水平缸進給與增壓器內壓，形成內壓與位移加載曲線。目前合模液壓機有長行程和兩種短行程典型結構。長行程合模液壓機是在現(xiàn)有拉深用液壓機結構基礎上進行改進，技術成熟、可靠。缺點是模具提升閉合使用主油缸，行程較長，模具開閉時間長，在合模期間內需要大流量泵和蓄能器維持壓力，浪費大，成本高。短行程合模液壓機合模系統(tǒng)由提升油缸（小油缸），機械墊塊與液壓墊組成，模具提升閉合由小油缸完成，時間短，液壓墊（大油缸）僅在合模階段提供壓力，結構緊湊，成本低。第四章管材內高壓成形的發(fā)展現(xiàn)狀目前，世界范圍內內高壓成形工藝的研究與發(fā)展還很不平衡，在歐美發(fā)達國家，內高壓成形工藝發(fā)展得比較成熟，已經進入了生產階段。其中以德國的研究最為深人，德國的Paderborn大學是最早對內高壓成形技術進行系統(tǒng)研究的。F.Dohmann教授在內高壓成形過程影響因素、失效形式以及有限元模擬方面做了大量工作.系統(tǒng)闡述了內高壓成形過程及其過程參數(shù)控制的基本原理，用實例說明了零件形狀、模具結構設計、成形過程方案確定及實驗結果之間的相互關系。美國的研究也比較深入，俄亥俄州立大學的工程研究中心設有專門的部門，研究內高壓成形工藝方向，并與企業(yè)合作成立了內高壓成形工藝研究協(xié)會，向會員定期提供內高壓成形工藝方面的技術資料及最新發(fā)展動態(tài)信息，并實時舉辦專門的液壓成形技術會議。俄亥俄州立大學T．Altan教授等同人利用有限元模擬方法確定了不同管狀結構件液壓成形的最佳加載路徑，并用實驗驗證了用有限元法得出的加載路徑不僅能夠減少實驗量和實驗中的誤差，且能夠明顯提高生產率，增加了液壓成形復雜管件工藝可能性。密歇根州迪爾伯恩大學G．T．Kridli等人對無縫鋼管在方形模具型腔中的液壓成形進行了研究，討論了應變硬化指數(shù)、管坯原始壁厚、模具填充處圓角半徑以及管材壁厚分布對成形的影響。瑞典沃爾沃汽車零部件公司工程研究中心的N.Asnafi等人在板材、管材液壓成形上作了許多研究工作。重點從理論上分析了不銹鋼厚板在V型模具彎曲過程中起皺及開裂的產生機理，并在實驗上得到了很好的驗證；從實驗和理論兩個方向上討論了鋁板拉伸時的破裂極限、成形法蘭時的起皺極限。同時通過理論分析模型探討了管材液壓成形時的成形極限不同材料和工藝參數(shù)對加載路徑和成形結果的影響等一系列問題。韓國也在液壓成形方面做了一些研究,Kyungpook國際大學金英錫等人從理論上分析了加載路徑、材料參數(shù)（如應變硬化指數(shù)n、各向異性指數(shù)r）對成形結果的影響，并將理論成形極限與實驗結果進行了比較。國內在此領域的研究,以哈爾濱工業(yè)大學王仲仁教授為代表的研究人員開展了管件高內壓液壓成形技術的成形理論、工藝和設備關鍵技術的研究，研制了國內首臺150MPa內高壓成形機,填補了國內管材液壓成形機的空白。內高壓成形機采用計算機控制,可以按照給定的液壓加載路徑嚴格控制內壓和軸向進給，利于管件成形工藝參數(shù)匹配控制，工藝穩(wěn)定性好，已經加工出一些飛機實用的鋁合金變徑管、不銹鋼Q接頭、組合式凸輪軸等典型樣件。同時，通過數(shù)值模擬進行預測分析，并對管件成形過程中各種缺陷形式及其與工藝參數(shù)之間的關系進行了系統(tǒng)研究，為推進汽車輕量化進程，促進內高壓成形技術在我國航空航天的應用奠定良好的基礎。北京科技大學蘇嵐等舊人應用動態(tài)顯示有限元法，建立了T型管液壓成形分析模型，對不同加載路徑條件下模擬結果進行了對比分析，探討了最佳載荷曲線確立原則華大學雷麗萍等人對汽車副架液壓脹形預成形工藝設計進行了數(shù)值模擬研究，應用HydroFORM一3D軟件與Oyane延性斷裂準則相結合的數(shù)值模擬方法，確定了適合預成形工藝條件的管材初始尺寸。第五章管材內高壓成形的工程研發(fā)案例（1）Q接頭管件（圖5.1）,Q接頭為運載火箭動力系統(tǒng)中構成補償管的重要零件之一。采用內高壓成形方法，解決了此類零件傳統(tǒng)的先壓半環(huán)、再焊接成整圓的工藝中存在的焊后變形嚴重、可靠性差和合格率低等問題。圖5.1Q接頭管件Q接頭管件內高壓成形難點有三，一是徑厚比（管材直徑與厚度之比）達107,超薄管端密封困難；二是成形區(qū)與送料區(qū)之間無過渡區(qū)，送料時容易引起內凹；三是壁厚均勻性要求高，軸向進給控制難度大。通過研究解決了超薄管端部密封、大直徑管軸向減力和軸向進給精確控制等關鍵技術，成功地研制了Q接頭，并批量應用于長征系列火箭。（2）鋁合金超薄三通管（圖5.2）材料為防銹鋁合金，原工藝是采用二個半管對焊或插焊。圖5.2鋁合金整體三通管鋁合金超薄三通管成形難點有三，一是徑厚比為40，管件超薄，軸向送料困難，易起皺；二是支管與主管非垂直，變形劇烈且不對稱，支管頂部易破裂；三是鋁合金與模具的摩擦系數(shù)大，送料過程材料流動阻力大，管端易增厚。通過設計預制坯形狀減小支管變形不均勻性，優(yōu)化加載曲線控制軸向送料、支管沖頭后退量和內壓的匹配，以及模具表面處理和潤滑，成功地研制了鋁合金超薄整體三通管，解決了傳統(tǒng)工藝存在焊縫及可靠性差的難題。是300MPa以上的超高壓壓力控制。對所研制的凸輪軸進行靜態(tài)扭轉強度測試和全速全功率臺架實驗，表明脹接結構抗扭強度最小值達凸輪軸工作扭矩峰值的6倍以上，扭轉疲勞強度也符合使用要求。與傳統(tǒng)的整體凸輪軸相比，液力脹接的微型發(fā)動機凸輪軸質量減輕22％，液力脹接的柴油發(fā)動機凸輪軸質量減輕14.6％。第六章管材內高壓成形的展望內高壓成形技術近10年來在國外汽車工業(yè)得到廣泛應用，汽車減輕質量和降低成本的需求又促進了內高壓成形技術的不斷改進。我國內高壓成形技術研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快。隨著需求的增加，促使其技術不斷改進。我國雖然開展研究相對較晚，但在工藝、裝備等關鍵技術方面取得了長足的進步，但仍然需要對工藝基礎等方面進行深入研究。根據(jù)目前技術水平和應用現(xiàn)狀，內高壓成形技術發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面:(1)拼焊管內高壓成形。將不同厚度或不同材料管材焊接成整體，然后再用內高壓成形加工出結構件，可以進一步減輕結構質量。(2)錐形管件內高壓成形。利用錐形管坯成形出截面差較大零件，簡化了補料工藝。(3)雙層管內高壓成形。用于制造轎車雙層排氣管件，提高轎車尾氣三元催化和凈化效果。轎車碰撞時吸收能量