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2019-04-10

  跟着人类社会的提高,人们对现代制作技能提出了更高的要求,其间减轻零件分量、降低成本、提高生产功率便是其间要求之一。

  特别是进入20世纪90时代以来,考虑到能源和材料成本以及对废气排放更加严格的法律法规,轿车结构的轻量化是一个重要的发展趋势。

  关于飞机和航天器,减重也是人们长期追求的方针。

  减重有两个首要的途径:

  一,是选用轻体材料,如用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等材料;

  二,是在结构上选用“以空代实”,即关于接受以弯曲或扭转载荷为主的构件,选用空心结构,这样即能够减轻分量节省材料又能够充分使用材料的强度和刚度。

  内高压成形正是适应这样的要求而提出来的一种新工艺,内高压成形件具有分量轻、刚度好、零件数量少、可削减后续机械加工和拼装焊接量等长处,因而能够削减模具,降低生产成本,缩短加工周期。能够用于制作轿车、航空、航天等行业中使用的各类轻体构件。

  选用内高压技能成形的多通管接头是各种管路体系中不可缺失的管件之一,广泛使用于电力、化工、石油、船只、机械等行业中。在轿车发动机排气体系、自行车车架、卫生洁具制作等范畴运用的比较多。

  选用液压胀形生产 三通机 和形状简略的管路配件能够追溯到 19 世纪 40 时代,但那时的成形压力比较小,零件精度不高。近年来,因为液压伺服操控体系和高压源等问题的处理,内高压成形技能广泛的运用到轿车的轻量化中,其成形压力已达到 400MPa,有的超过 1000MPa。

  在国内,内高压技能还不是很老练,大力发展内高压成形技能对提升我国的制工作水平有严重的意义。

  内高压成形工艺

  内高压成形原理及工艺分类

  内高压成形原理是经过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形,成形时内压和轴向进给按事前给定的匹配联系,由核算机精确操控。

  其基本工艺进程是先将管坯放入下模,闭合模具,用左右水平冲头密封管坯,然后在管坯内充溢液体,经过高压体系向管坯内加压,在加压的一起管坯两端的冲头按与内压必定的匹配联系向内送料使管坯成形,成形进程如图 1-1所示。

  图1-1内高压成形原理

  管材的内高压成形依据轴向进给能够分为有轴向进给成形和无轴向进给成形。一起依据成形零件形状又可分为三种工艺类型:直线零件成形(如图1-2)、带凸台或枝杈零件成形(如图1-3)、曲线零件成形(如图1-4)。带凸台或枝杈零件成形时需求三个冲头,管端两个冲头按给定加载途径向内送料,凸台或枝杈上的冲头按与内压必定的匹配联系向撤退出,以确保枝杈不胀破或起皱。关于轴线为曲线的零件,先在数控弯管机上弯曲到要求的形状(见图1- 4a),再放到模具内加压成形(见图1-4b)。

  内高压成形工艺的长处

  内高压成形作为近期发展起来的一种新工艺,其长处十分杰出,和传统的冲压焊接工艺比较,内高压成形的工件首要有如下长处:

  1.减轻分量,节省材料。选用内高压技能的生产的零件能够由管材一次胀形得到,和机加工比较较减轻分量 40%-50%,节省材料可达 75%。

  2.削减零件和模具数量,节省成本。内高压成形件一般只需求一套模具,而冲压件一般需求多套模具。如选用内高压成形,副车架的组成零件由 6个削减到 1 个。

  3. 提高强度与刚度。以散热器支架为例,垂直方向刚度提高 39%,水平方向刚度提高 50%。

  4.可削减后续机械加工和拼装焊接量。以散热器支架为例,散热面积添加43%,焊点由 174 个削减到20 个,装备工序由 13 道削减到 6 道,生产率提高66%。

  5.提高成形零件的精度。

  枝杈管件的内高压成形工艺

  枝杈管件一般可按形状分为十字型四通管、直三通管(T 形管)、斜三通管(Y 形管)等三类,各种管件的形状如图 1-5。

  关于枝杈类管件的内高压成形,为了得到较大的枝管高度,除了水平轴向补料冲头外还需求反推冲头对枝管施加必定的推力。Y 型三通管的内高压成形原理如图 1-6。

  成形进程为在必定内压下,左右冲头按与内压必定的匹配联系向内补料;中心冲头置于模具右侧圆角与枝管的交界处,在成形的初期坚持不动,等管坯贴上中心反推冲头后,中心反推冲头跟着枝管的长高向撤退,撤退时中心反推冲头要对枝管施加必定的推力。

  内高压成形件在轿车排气体系中的使用

  现在内高压成形件在轿车范畴得到了广泛的使用,首要有:

  ①排气体系异型管件;

  ②副车架总成;

  ③底盘构件、车身结构、座椅结构及散热器支架;

  ④前轴、后轴及驱动轴;

  ⑤安全构件等。

            图 1-7 所示为德国某公司选用内高压技能生产的轿车用轻体件。

  图 1-7 轿车用轻体件

  选用内高压技能国外已经生产出了多种排气歧管,如图 1-8。其间枝杈类管件如 T 型三通管和 Y 型三通管在排气体系中运用的比较多。

  图 1-8 排气体系的内高压成形件

  (Schafer 公司提供)

  轿车排气歧管3D示意图

  现在国内外生产排气岐管的办法首要有整体铸形成形、冲压组焊成形、内高压成形出枝杈管然后跟管件连接成形。各种工艺成形的排气管件如图 1-9。

  兴迪源机械研制生产的轿车排气歧管(一出二)实物图

  选用整体铸造工艺制作的排气歧管壁厚大、质量大。

  选用内高压技能成形的排气管件与铸件比较,其长处为:

  ①质量减轻 30%-40%;

  ②寿数提高 2-3 倍;

  ③研制周期缩短 60%。

  选用内高压技能成形的排气管件与传统的冲压焊接成形件比较,其长处为:

  ①削减制作工序;

  ②焊接量小,产品可靠性好;

  ③焊缝削减,内表面光滑,排气阻力小;

  ④成本可降低 20%左右。

  枝杈类管件内高压成形技能的国内外现状

  枝杈管件的研讨早在 20 世纪 60 时代就已经展开了,那时液压胀管技能已用于生产三通管,但零件精度不高,成形压力小于 30MPa。进入 20 世纪 90时代以来,因为液压伺服操控体系和高压源等问题的处理,对内高压成形技能的研讨进入了新的阶段。

  一起因为核算机技能的快速发展,很多的商业软件如LS-DYNA、PAM-STAMP、DYNAFORM 被用来对成形进程进行数值模仿研讨并对试验进行初步的猜测和指导,这大大降低了成本,缩短了研制周期。

  前期对枝杈管件内高压成形的研讨首要集中在直三通管,后来陆续扩展到十字接头、斜三通管。十字型四通管归于对称类零件,T 型三通管和 Y 型三通管归于非对称零件,其间 Y 型三通管成形难度大。

  十字型四通管的现状

  十字型四通管是彻底对称的零件,成形的难度比 T 型三通管和 Y 型三通管都要低,对它展开的研讨也比较少。爱尔兰都柏林大学的 B.J.Mac Donald 等人经过模仿研讨了有无补料两种加载条件、冲突系数、管坯厚度对枝管高度、应力散布、壁厚散布的影响。

  他们还用功能与铅挨近的固体压力介质进行了模仿,模仿结果标明,选用固体介质,成形零件的枝管高度更大,枝管顶部减薄更小,零件应力更小。经过对模具的应力状态和变形进行剖析,结果标明挑选适宜的圆角半径对此类模具设计相当重要。爱尔兰的 P.Ray, B.J.MacDonald 对退火的铜管内高压成形十字型四通管进行了试验和数值模仿的研讨, 并经过试验成形出了十字型四通管,如图 1-13。

  试验和数值模仿的结果在壁厚散布、枝管高度上符合的比较好。他们还研讨了初始管材长度、模具圆角半径、冲突、加载途径对成形的影响,并指出关于十字型四通管成形时十字交叉处容易发生起皱和决裂的缺点。

  国内北京科技大学的杨海波等人对异径四通管的液压成形工艺进程进行了模仿剖析。

  首先使用类似理论推导胀形进程工艺参数的量纲为一方程,然后选用正交试验办法建立了模仿方案。使用非线性有限元软件 MARC/AutoForge 对成形进程进行了很多的模仿,并剖析了内压、冲突系数、冲头运动速、模具圆角半径对零件各处壁厚散布的影响,给出了零件成形的良好工艺参数。

  T型三通管的现状

  国外对 T 型三通管的研讨展开的比较早。早在 20 世纪 40 时代,美国的J.E.Grey 等人就对无缝铜管成形T 型三通管进行了研讨,他们初次使用内压和轴向力共同作用的办法来成形。60 时代,Ogura、Ueda 等人对低碳钢、中碳钢管材内高压成形 T 型三通管进行了试验研讨,并成形出了形状各异、枝管数目不同的各种零件。

  70 时代,Limb 等人经过试验研讨了 T 型三通管内高压成形进程中冲突的影响,指出了润滑对枝管高度和枝管顶部的影响。一起他们还以油为压力介质,分别对铜、铝、低碳钢的管材内高压成形 T 型三通管进行了试验研讨,依据获得的枝管高度对润滑剂、材料功能进行了点评。

  近些年来,德国的 Paderborn 大学和美国的俄亥俄州立大学在内高压成形T 型三通管上做了很多的研讨。

  德国 Paderborn 大学的 F.Volerstern 等人总结了 T 型三通管内高压成形的各工艺参数预算公式。具体给出了合模力、轴向进给力、反推冲头力、整形压力的预算公式;一起还给出了预算成形中决裂和起皱临界压力的核算公式,给出了颈缩的应变判据和枝管的大胀形高度。并且他们还用矩形管坯内高压成形 T型三通管进行了研讨,指出了因为内外圆角半径过小和冲突的原因阻止了金属的活动,使底部增厚枝管顶部减薄;他们指出能够经过部分热处理的方式来对管坯进行处理,使成形时有利于金属的活动。

  德国 Paderborn 大学的 F.dohmann  等人经过研讨后指出:因为冲突的影响,在成形进程中轴向力总会有所丢失。在 T 型三通管内高压成形补料的进程中,当水平冲头的轴向推力超过一个临界水平,紧缩失稳就会在管坯不规则的紧缩变形处发生。他们给出了一个实例来说明补料段管长对可获得的枝管高度的影响,如图 1-10。经过理论的推导核算,得到了呈现失稳状态的判据。

  美国俄亥俄州立大学的 M. Ahmetoglu 等人对低碳钢焊接管材内高压成形 T 型三通管进行了模仿和试验研讨。模仿和试验结果都标明:枝管高度过高将使枝管顶部减薄严重而呈现决裂。他们还研讨了焊缝方位的不同对成形的影响, 研讨结果标明不同的焊缝方位对成形影响较小,三种不同的焊缝方位如图 1-11。他们还研讨了内高压成形中冲突的冲突问题,研讨结果标明:在压力不高时,冲突力满足库仑定律;在接触压力挨近管坯金属活动应力时,需求引进纯剪应力模型。

  图 1-11 焊缝方位不同的零件(低碳钢)

  Muammer Koc 等人指出关于 T 型三通管内高压成形时,为了使枝杈管的高度更高,需求引进反推冲头,并给出了反推冲头力的核算公式。运用该公式对材料为 SS409,壁厚为 1.65mm 的 T 型三通管反推冲头力进行了核算,核算的结果和数值模仿值很挨近。

  除了德国和美国外,国外其它地域也对 T 型三通管展开了一些研讨。

  在日本,H.Mizukoshi,H.Okada 等人研讨了材料的延伸率、n 值及补料量对铝合金 T 型三通管枝管高度的影响,给出了零件成形后的壁厚散布和零件表面的应变散布。韩国对 T 型三通管展开了数值模仿方面的研讨,他们提出了一种新的有限元办法来猜测成形进程中或许呈现的缺点,并把该办法运用到其它内高压成形件中。

  法国和意大利对T型三通管研讨首要集中在数值模仿方面。法国Franche-Comte大学O.Ghouti、M.baida等人提出了一套算法,这套算法能够为后继的模仿进程提供优化的加载途径。

  意大利Palermo大学的N. Alberti,L. Fratini对材料是AISI1015钢,壁厚为1mm的T型三通管进行了有无反推冲头的数值模仿研讨。研讨结果标明选用反推冲头后三通管减薄更小,壁厚更均匀。

  爱尔兰的学者对铜管内高压成形 T 型三通管进行了试验和数值模仿的研讨,并经过试验成形出了 T 型三通管,如图 1-12。试验和数值模仿的结果在壁厚散布、枝管高度上符合的比较好。经过很多的数值模仿,结果标明枝管部分要得到比较好的壁厚散布有必要要有适宜的管坯长度、模具圆角半径和润滑条件。经过试验,结果标明压力相关于轴向补料添加的过快会在成形进程中发生决裂的缺点;轴向补料相关于压力添加的过快则会发生起皱的缺点。

  图 1-12 铜T 型三通管

  在国内,我国学者对 T 型三通管成形进行了很多的研讨。以前因为存在压力操控和密封的难题成形 T 型三通管首要是以聚氨酯为传力介质。跟着压力操控和密封问题的处理,近些年来运用液体作为传力介质的研讨越来越多。国内学者进行的研讨首要有冲头力、反推冲头力和胀形力的核算,三通管的模具结构和管坯内液压力对成形的影响,液压成形中的密封等问题。

  上海交通大学的洪慎章等剖析了T型三通管液压挤胀成形工艺的三个变形阶段,介绍了液压挤胀成形模具结构,剖析了形成制件缺点的首要原因。他们还给出了直三通管成形中零件应力、胀形压力、冲头力及反推冲头力的核算公式。

  燕山大学的刘庆国等人选用主应力法推导了T型三通管液压挤胀力核算公式,并运用该公式进行了实例核算,所得结果与实测值符合较好,能够用于工程上的预算。

  中国船只重工集团洛阳船只材料研讨所对T型三通管液压胀形的研讨比较多。首要介绍了液压胀形三通管件的特性,探讨了工艺参数设计、胀形机工作功能调节、模具设计加工、设备功能保养等要素对T型三通管质量的影响,并且指出使用二硫化钼作润滑剂很好。一起还研讨了T型三通管液压胀形进程中管端密封办法,给出了三种密封方式。

  西安重型机械研讨所为洛阳船只材料研讨所设计了专用的液压胀形机,以生产用于海军潜水艇动力装置的Φ325*4的T型三通管。但该胀形机在实践中的

  使用效果却不抱负,在生产厚壁碳钢管件时,成品率仅挨近62%。经过改善胀形力操控体系后,成品率和产品质量都得到了较大的提高。

  华中科技大学的夏巨谌等人对T型管的内高压成形做了比较多的数值模仿研讨,他们依据T型三通管成形两层非线性的特色,建立了动力剖析有限元方程,开发了HP715/50工作站上运行的程序软件SFMT。使用该软件,剖析了T 型三通管的成形进程、应力应变及壁厚改变散布、成形力的巨细及彼此匹配联系对成形的影响,有限元剖析结果和试验研讨结果符合较好。他们还提出并选用“应变样条”法建立了挤压力、胀形力、反推冲头力间的数学表达式,并  运用自己开发的软件模仿剖析和核算了这3个力的巨细及彼此匹配联系对成形的影响。

  上海交通大学的杨兵等人以304不锈钢为材料,运用数值模仿研讨了T型三通管内高压成形时r值、n值、冲突系数和加载途径对成形的影响,并对某一个模仿结果进行了试验验证。

  Y型三通管的现状

  现在国外对Y型三通管的研讨才刚刚起步,大部分是经过数值模仿手段来研讨然后经过试验验证。国外有学者经过数值模仿给出了一些工艺参数对成形的影响,指出了压力过低会使轴向起皱如图1-13。

  美国俄亥俄州立大学的学者对 Y 型三通管内高压成形进行了深入的研讨。他们评论了怎么对内高压成形 Y型三通管的工艺参数进行预算,这些参数包括成形压力、轴向补料量、原始管坯长度,给出了一些核算公式。然后经过 FEA 模仿对预算的工艺参数进行优化,确认了适宜的加载途径,用外径为 50.5mm, 壁厚为 1.5mm 的管坯进行了试验,并在德国 Aalen 的 SPS 研讨中心成形出了枝杈夹角为 60°的 Y 型三通管,如图 1-14。成形零件的壁厚散布和模仿得到的壁厚散布符合比较好,如图 1-15。经过试验,还研讨了在没有反推冲头作用时管坯长度对枝管高度的影响,结果标明在轴向进给量相同的情况下,管坯长度越小,胀起的枝杈高度越大。

兴迪源机械荣获证书