液压成形

液压成形

摘要：液压成形是一种先进的塑性成形技术，是利用液体介质代替凸模或凹模，靠液体介质的压力使材料成形的一种加工工艺。液压成形技术不但能成形复杂零件还能够提高零件质量减少成形工序降低加工成本特别适合于小批量零件的加工生产。

关键字：管件液压成形. 液压胀形. 板材液压成形.

1概述

现代工业产品由大批量向多品种和中小批量方向发展。对于批量小、尺寸多变的复杂形状板材零件，采用传统冲压方法成形时，模具设计、制造与调试需要消耗大量的人力、物力与时间，很难适应现代化发展的需要。这就迫切需要研究一种新的柔性生产方法，达到既降低成本又缩短制造周期的目的。液压成形技术正是在这种背景下提出来的

液压成形是一种先进的塑性成形技术，是利用液体介质代替凸模或凹模，靠液体介质的压力使材料成形的一种加工工艺。它能够改善工件内部应力状态，提高板料的成形极限，成形形状复杂的零件，且成形件质量好、精度高、回弹小，具有传统拉深无法比拟的优越性。液压成形技术不但能成形复杂零件还能够提高零件质量减少成形工序降低加工成本特别适合于小批量零件的加工生产。液压成形技术早在20世纪40 年代就被用于汽车制造业。如果按照加工过程的特点,可以分为管件液压成形技术、板料液压成形技术等

2 管材液压成形

2.1管材液压成形的历史及原理

管材液压成形起源于19世纪末, 当时主要用于管件的弯曲。由于相关技术的限制, 在以后相当长一段时间内, 管材液压成形只局限于实验室研究阶段, 在工业上并未得到广泛应用。但随着计算机控制技术的发展和高液压技术的出现, 管材液压成形开始得到大力发展。上世纪90年代, 伴随着汽车工业的发展以及对汽车轻量化、高质量和环保的要求, 管材液压成形受到人们重视, 并得到广泛应用。

管件液压成形是以金属管材为毛坯，借助专用设备向密封的管坯内注入液体

介质，使其产生高压，同时还在管坯的两端施加轴向推力，进行补料，在两种外力的作用下，管坯材料塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空零件液压成形原理如图1 所示

图1 管件液压成形原理示意图

当零件轴线不是直线 模腔分模面处截面小于管坯截面时，需进行弯管 冲压等预工艺，以便管坯能顺利置入模腔中，如有必要，在液压成形之前还需进行退火处理

2.2管材液压成形优点：

与传统的冲压焊接工艺相比，管件液压成形工艺具有以下优点:

(1 ) 减轻零件质量，节约材料; (2 ) 提高零件的强度和刚度，特别是疲劳强度; ( 3) 减少零件数量节约模具成本；(4) 零件整体成形，可减少后续机械加工和组装焊接量，简化生产流程，提高生产效率; (5) 提高加工精度，减少装配误差积累，可提高产品质量; (6)降低生产成本; (7) 结构形状设计更趋灵活 优化。

由于以上的诸多优点，德国在20世纪90年代率先在汽车工业中实现了生产应用。之后，管件液压成形技术在欧洲其它国家、北美、日本和韩国等国迅速得到广泛关注和推广。

采用液压成形工艺制造的汽车零件主要有排气系统异型管件、车身框架结构件驱动轴以及安全构件等(约占汽车总重量10～15％)。如排气岐管、排气管、车顶横梁、仪表盘支架、散热器支架、副车架、车顶纵梁、车身纵梁、座椅架、发动机支架、车门柱、车门槛、侧框、地板横梁、后延纵臂、车桥、转向柱以及保

险杠等。如图1-2是典型的管件液压成形汽车结构类零件

典型液压成形汽车零件

2.3.管件液压成形设备

国际上能够提供液压成形成套技术与设备的制造商多数集中在欧洲，其中，以德国舒勒公司、SPS公司和瑞典AP&T公司为主要代表。管件液压成形设备目前主要着大合模力、大吨位、超高压、确控制的方向发展。

德国舒勒公司(SchulerAG)开展内高压成形技术的研发始于1994年，目前是全球范围内高压成形成套技术与设备最主要的供应商之一。1998年，舒勒公司开发成功了世界上最大吨位的管件液压成形液压机，合模力100MN，可以生产长6m的零件。

德国SPS公司(Siempelkamp Pressen Systeme GmbH&Co.)研究液压成形工艺及设备始于1965年，至今已向用户提供了50多台管件液压成形液压机，但近60％是最近6年内交货投产的。1994年，SPS公司制造的世界上第一条全自动液压成形专用生产线在德国宝马公司工厂投入使用，该生产线主要由2台16MN内高压成形液压机组成，用于生产轿车后桥上的四种空心铝合金零件，日产量达4500件。

瑞典AP&T公司从事液力成形的研究已有30多年的历史，在注意到液压成形技术广阔的市场前景之后，AP&T司组建AP&T Schafer Technol GmbH公司。2000年底，AP&T司建成了一台100MN内高压成液压机，用于前期工艺开发和试研究。2001年底，AP&T公司为国KWS公司制造了一台80MN高压成形液压机，标志着该公司进入本领域国际顶尖设备与工艺应商的行列。

双滑块结构管件液压成形机

3 液压胀球

液压胀球技术为哈尔滨工业大学王仲仁教授首创, 此技术产生于上世纪80年代, 曾先后获得省科技进步一等奖及国家发明奖, 同时在第18届北美加工研究会上, 液压胀球被列为五项新成果之首。相对于传统的球形容器加工工艺, 此技术具有缩短生产周期, 降低生产成本, 提高成形质量等优点, 且利用此技术不需要大型压力机和模具。因此, 此技术已逐渐成为制造球形容器的主流技术。

3. 1 液压胀球的基本原理

其基本原理是用单曲率壳体或板料, 经过焊接后组装成一个封闭的多面壳体或单曲率壳体, 在壳体中充入传压介质, 使之发生塑性变形并逐步胀形成为球形容器。理论依据: 一是力学上的趋球原理, 即曲率半径不同的壳体在趋球弯矩的作用下将逐渐趋于一致; 二是金属材料存在塑性变形的自动调节能力, 当某一区域的变形过为集中, 则该区域将发生变形强化, 塑性变形将转移至它处。

3. 2 液压胀球的关键问题

液压胀球成形时有两个关键点: 一是传压介质的加载, 二是焊接的质量。传压介质的加载包括液压泵的流量、加载速度以及保压时间。一般来说, 在成形初期可使用大流量和大的加载速度, 但在成形末期, 必须降低流量和加载速度。同

时在成形过程中, 当压力达到适当的值时, 还须保持一段时间, 以利于球壳成形。焊接质量也决定着成形的成功与否。焊接质量不好, 会造成成形过程中焊接处开裂。因此在成形前需对焊接处进行表面探伤, 一旦发现焊接处有裂纹, 需及时修补

3. 3 液压胀球的应用

球形容器与其它容器相比, 有占地面积小, 承载能力大, 制造相同容积的容器所需材料少等优点。因此石化工业、冶金业以及建筑行业都大量采用球形容器。这就使得液压胀球技术有着广泛的应用前景。从技术产生到现在已有日本、新加坡、瑞典等国家购买此技术,国内的不少企业订购此技术生产的球形容器。安装于贵州省都匀火车站的我国第一只直径8m的钢制球形水塔便是采用液压胀球加工而成。位于奥林匹克中心直径为4m的艺术网球也采用此技术加工而成。

3. 4 液压胀球的新进展

现在液压胀球也逐渐用于非球形容器和多层球形容器的成形。哈尔滨工业大学已经对此作过多方面的理论分析和实验研究, 积累了不少经验, 目前, 已成功加工出花瓶形容器和双层球罐。

4 板材液压成形

板材液压成形则是从管件液压成形推广而来。美国、德国和日本相继于上世纪五、六十年代开发出了橡皮囊板材液压成形技术。但由于橡皮囊易损坏,且成形时尚需很高压力以消除法兰部位的起皱,在实际生产中并没有得到广泛应用。后来日本学者对此进行了改进, 去除了橡皮囊, 开发出对向液压拉深技术。—意力转向了板材液压成形技术板材液压成形具有传统板材成形方式无法比拟的优越性,它不仅可以成形形状复杂的零件,而且成品零件精度高、表面光洁,加工成本可大幅度降低。

4. 1板材液压成形的原理

在板材液压成形中,应用最为广泛,技术也最为成熟的是对向液压拉深技术。图5是其成形过程示意图。首先将板料放置于凹模上,压边圈压紧板料,使凹模型腔形成密封状态。当凸模下行进人型腔时,型腔内的液体由于受到压缩而产生高

压,最终使毛坯紧紧贴向凸模而成形。当然,如成形初期对液体压力要求较高,可在成形一开始使用液压泵实行强制增压,使液体压力达到一定值,以满足成形要求

4. 2 板材液压成形的关键问题

在板材的液压成形过程中, 最为关键的问题是压边力和液体压力的控制。若压边力过小, 零件的法兰边易起皱, 而且成形所需的液体压力难以形成; 反之, 由于压边力过大, 造成材料难以流动, 导致拉裂。对于液体压力, 若其值过小, 则凸模和板料之间的摩擦力也会很小, 造成凸模和板料之间的相对滑动, 致使板料在成形过程中变薄, 与传统的拉深相差无几; 若其值过大,成形过程中板料又极有可能胀破。压边力和液体压力之间也有相互联系。压边力的大小影响着液体压力的大小, 如果压边力控制得当, 在成形过程中, 液体可通过零件法兰处溢出, 溢出的液体能有效地润滑凹模上表面, 降低板料边缘的阻力, 使得零件更易成形。因此,对压边力和液体压力的控制就决定了零件成形的成功与否。同管材液压成形一样, 压边力和液体压力的匹配以及加载路径需要从实验中得出, 通过计算机进行精确控制, 方能取得最佳效果。

4. 3 板材液压成形的应用

现在板材液压成形主要应用于汽车覆盖件生产。世界众多著名汽车制造商都在采用此技术, 丰田公司所使用的板材液压成形机的成形力达40000kN, 能成形平面尺寸为1300mm×950mm, 重达7kg [ 7]。同时, 板材液压成形也用于航天、航空制品的生产, 如通信用的雷达罩也逐渐采用液压成形加工。

4. 4 板材液压成形的新进展

现在板材液压成形的进展主要体现在以下几个方面, 一是对现有工艺的引申和扩展。例如周向液压拉深技术以及板材成对液压成形技术等。周向液压拉深技术是在对向拉深的基础上将液体介质引导至板材外周边, 从而对板材产生径向推力, 使板材更易向凹模内流动, 同时在板材上下两面实现双面润滑, 减小了板材流动阻力, 进一步提高成形极限。周向液压拉深的拉深比可达到3. 3, 高于一般的液压拉深所能达到的拉深比。板材成对液压成形工艺适用于箱体零件的成形。成形前需先将板材充液预成形, 切边后再将周边焊接, 然后在两板中间充入高压液体使其贴模成形。中间过程采用焊接, 可使两块板材准确定位, 保证了零件精度。同时焊接后再充液成形, 能消除焊接引起的变形。图6则是板材成对液压成形的示意图。

板料成对液压成形

另一方面则是技术的改进。由于压边力在成形中起着重要的作用, 对于不规则的零件, 在成形时法兰处材料的流动情况是不一样的, 为了控制法兰不同区域材料的流动, 有关专家研制出了多点压边系统。此系统具有多个液压缸, 每个液压缸独立控制一个区域的压边力,这样就达到了不同区域所需压边力不同的目的, 采用此系统可以大大提高成形极限和成形质量。

5 结束语

液压成形技术由于其众多的优越性, 越来越受到人们的重视, 其应用范围也越来越广。但液压成形也还有一些不足之处, 例如液压成形设备昂贵, 其生产周期较长, 不适于大批量零件生产, 同时还缺乏加工过程和设备设计的相关知识, 但这些并不影响液压成形的发展和应用。随着研究的扩大和深入, 液压成形技术将得 到进一步的改进和完美。有理由相信, 液压成形技术将会是未来金属塑性加工的中坚技术。

参考文献

[1] Schmoechel D, Hielscher C, Prier M. Developments and perspec-tives of internal high-pressureforming of hollowsections[J]. Ad-vancedTechnologyof Plasticity, 1999, 2: 1171-1182.

[2] 直妍, 阳林, 吴道建, 液压成形技术及其新进展. 热加工工艺，2004. 1-3 [2] 王仲仁, 苑士剑, 曾元松. 无模胀球的原理与研究进展[J]. 机械工 程学报, 1999, 35(4).

[4] 郭烈恩.涂文斌. 金属管板材液瓜成形工艺.新技术新工艺。2004 （11） [5] 郑再象，沈辉，秦永法.管件液压成形技术及其进展. 机床与液压. 2011(11).

[6] 中村和彦. 金属薄板的对置液压成形法[J]. 模具工业, 1989, (10): 104. [7] Celeghini M, Geiger M. Double sheet hydroforming of complex holloeparts[J]. Advanced Technology of Plasticity, 2000, 98 : 251-258.

[8] 杨冰. 管件液压成形的加载路径与实验研究. 上海. 上海交通大学(博士论文) .2008.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l7ex.html