先进的加工制造技术是现代工业的基础 ,其重要性不言而喻 .充液拉深是金属板料成形领域里新发展起来的一种先进、实用的加工工艺 ,受到各国普遍关注<1> .充液拉深 (ＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃＤｅｅｐＤｒａｗｉｎｇ)是在拉深模的凹模中充以一定压力的液体 ,凸模在压下时 ,凹模中的液体产生一个对向压力使毛坯紧贴在凸模上 ,从而可以得到高精度的工件 ,提高生产效率 ,减少传统拉深时板材缺陷的生成 ,如图 1所示 .这种工艺方法由于具有许多优点 ,所以在国外诸如日本、法国、英国、美国等国家得到了普遍的运用<1,2 > .在我国自从江阴拖拉机厂采用这种方法生产出第一件产品———油底壳后 ,这种新工艺在我国也逐渐得到了重视 ,并正在推广和运用 .但由于客观条件的限制 ,对充液拉深变形机理和控制参数相互关系的研究并未充分展开<3 ,4 > .图 1 充液拉深工艺Ｆｉｇ .1 Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ 本文介绍的是一种研 制开发的基于通用单动液压机上的带有通用充液拉深模架的充液拉深装备和一些充液拉深工艺实验1 带有通用充液拉深模架充液拉深装备 选择单动液压机为对象进行开发研制充液拉深装备.采用在单动液压机上安装通用充液拉深模架的方案 .此方案勿需对液压机作重大改动 ,仅在主滑块上附加一个位移传感器 ,而实现压边的油缸设置、安装在通用模架中 .除了通用充液拉深模架外 ,还有两大部分 ,即液压系统和微机自控系统 .充液拉深工艺装备及其液压系统如图 2所示 . 通用充液拉深模架由上下两块模板、导柱导套、超高压充液室、压边垫板及压边油缸组成 .拉深时 ,再安装相应的工作凹模、凸模及压边圈便可工作 .超高压充液室可按耐压 1 0 0ＭＰａ设计 ,压边力为 2 0 0 0ｋＮ .图 2 充液拉深系统示意图Ｆｉｇ .2 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｓｙｓｔｅｍ 压边油缸设计成独特的新结构 ,它是针对压边圈的工作特性而特别开发研制的 .其最大优点是高效节能 .如果采用标准油缸 ,其动力泵电机功率达 50ｋＷ ,而采用本设计 ,仅为 1 0ｋＷ ,节能效果非常显著 .压边油缸的工作特性是空行程很大 ,工作行程极小 (理论工作行程为零 ,即理论流量为零 ) .针对这一工作特点 ,把油缸内壁设计成阶梯形状 ,如图 3(ｂ)所示 .其上部空行程段 ,油缸内径加大 ,活塞与缸壁不接触 ,油缸上下两腔互相连通 ,变为柱塞缸 ;仅在下部工作行程段活塞才与缸壁相接触 ,油缸上下两腔互相隔开 ,成为活塞缸 .当压边圈空行程下行时 ,下腔油经过侧壁间隙自动向上腔补充油液 ,依靠液体的这种“内循环”达到减少泵供油流量 ,节省能量的目的 .回程时 ,活塞一旦离开工作段 ,便立刻变成柱塞缸 ,实现快速返回 .经过两年使用证明 ,效果相当理想 . 本装备的液压系统包括压边系统和超高压产生系统两部分 ,其中超高压产生系统可以提供初始反胀压力 .压边缸与充液室两路液压控制系统中设有可进行微机实时控制的比例减压溢流阀 ,同时装有为实现闭环控制的检测与反馈用的压力传感器 .压边缸系统按最大压边力 2 0 0 0ｋＮ设计 ,系统压力为 0～ 2 5ＭＰａ .充液室为超高压部分 ,如前所述 ,充液室耐压为 1 0 0ＭＰａ .在充液室与比例溢流阀之间设置了一个减压器单元 ,其高压端按耐压 1 0 0ＭＰａ设计 ,容积要满足拉深最大零件的排液量 ,减压比为 3∶1 ,其低压侧安装普通的比例溢流阀 ,实现充液室的超高压控制 .并且在初始胀形阶段 ,减压器还可以作为增压器使用 ,用于产生工艺所需的初始反胀压力 .本装备可对充液室的压力和压边力进行实时控制 ,信号的传递由压力传感器和位移传感器来完成 .控制信号均由计算机根据设定的压力 -行程曲线控制比例溢流阀来实现 .控制系统总体结构图见图 2 .2 充液拉深工艺研究 经两年使用证明 ,这套充液拉深装备柔性大 ,改变工艺参数容易 ;工作稳定 ,可成形复杂的、成形极限高的零件 ,图 3为利用该充液拉深装备成形的部分零件 .其中 ,深抛物线曲面零件可一次成形 .筒形件的ＬＤＲ值可达 2 .61 .零件表面光洁 ,质量明显提高 .(ａ)传统缸 (ｂ)阶梯缸图 3 充液拉深系统示意图Ｆｉｇ .3 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ3 充液拉深成形过程数值模拟 利用有限元技术模拟充液拉深成形过程是减少工艺实验量、摸索最佳工艺方案的有效手段之一,但其中还有许多瓶颈问题如液室液体的流动行为的数学描述等亟待解决 .本文利用数学解析的方式得出液室液体溢流压力的计算公式以及溢流后流体在板料法兰下表面的分布规律 ,并采用一定的方法与有限元分析通用软件包相结合 ,得到了良好的分析结果<5> .图 4为有限元模拟所得到的最后成形的网格图 ,图 5为利用数学解析的方式得出的液室液体溢流压力与实验所得到的值比较 ,图 6为采用数学解析的方式与有限元分析通用软件包相结合模拟得到的板料的厚度分布与实验得到值的比较 ,可以看出与实际是比较接近的 .图 4 模拟后得到的最终零件网格图 (拉演化比 2 .5 )Ｆｉｇ .4 Ｆｉｎａｌｐａｒｔｍｅｓｈｉｎｇｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ(ｄｒａｗｒａｔｉｏｏｆ2 .5 )4 结 论 ( 1 )采用通用充液拉深模架及普通单动液压机可以较好地实现充液拉深 ,并且价格比较便宜 ,适合于推广 ;图 5 板料不同拉深比的溢流压力值Ｆｉｇ .5 Ｏｖｅｒｆｌｏｗｉｎｇｖａｌｕｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒａｗｉｎｇｒａｔｉｏ图 6 零件沿母线板厚减薄率的分布对比Ｆｉｇ .6 Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｔｈｉｎｎｉｎｇｒａｔｉｏｓａｌｏｎｇｍａｉｎｌｉｎｅｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ( 2 )本文介绍的阶梯形压边缸具有高效节能特点 ,且工作可靠 .对短工作行程类的机械、机构 ,具有普遍意义 ;( 3)采用减压器是实现超高液压实时控制的有效途径之一 ,且响应速度快 ;( 4 )采用计算机控制液压系统使工艺装备具有较大柔性 ,有利于复杂件成形 ;( 5)采用数学解析的方法来描述充液室液体的流动规律 ,且与有限元方法相结合 ,可以准确地模拟充液拉深成形过程 ,为实验提供可靠的指导充液拉深工艺的研究@康达昌$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!黑龙江哈尔滨150001
@郎利辉$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!黑龙江哈尔滨150001
@张士宏$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!黑龙江哈尔滨150001
@王仲仁$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!黑龙江哈尔滨150001
@苑士剑$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!黑龙江哈尔滨150001充液拉深;;工艺实验;;数值模拟在开发研制一种新型超高压通用充液拉深装备的基础上 ,对筒形件充液拉深成形工艺进行了研究和数值模拟 ,并介绍了所研制装备的总体方案设计、通用充液模架结构特点、液压系统和自控系统及使用情况 .<1>中村和彦 .金属薄板的对向液压成形法
.プレス技术 ,1985 ,2 5 (9) :10 1.
<2 >NAKAMURAK ,NAKAGAWAT .SheetmetalformingwithhydroliccounterpressureinJapan.AnnalsoftheCIRP ,1987,36 :191.
<3>GELINJC ,ELASSUSP .Experimentalandnumericalmodelingoftheeffect sofprocessparametersintheaquadrawdeepdrawing.JMaterProcessTechnol,1994,45 :32 9 334 .
<4 >郎利辉 .充液拉深成形工艺及其成形过程数值模拟.哈尔滨工业大学 ,1998.国家自然科学基金资助项目! (5 9775 0 5 7)?4 模拟后得到的最终零件网格图 (拉演化比 2 .5 )Ｆｉｇ .4 Ｆｉｎａｌｐａｒｔｍｅｓｈｉｎｇｏｂｔａｉｎｅｄａｆｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ(ｄｒａｗｒａｔｉｏｏｆ2 .5 )4 结 论 ( 1 )采用通用充液拉深模架及普通单动液压机可以较好地实现充液拉深 ,并且价格比较便宜 ,适合于推广 ;图 5 板料不同拉深比的溢流压力值Ｆｉｇ .5 Ｏｖｅｒｆｌｏｗｉｎｇｖａｌｕｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒａｗｉｎｇｒａｔｉｏ图 6 零件沿母线板厚减薄率的分布对比Ｆｉｇ .6 Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｔｈｉｎｎｉｎｇｒａｔｉｏｓａｌｏｎｇｍａｉｎｌｉｎｅｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ( 2 )本文介绍的阶梯形压边缸具有高效节能特点 ,且工作可靠 .对短工作行程类的机械、机构 ,具有普遍意义 ;( 3)采用减压器是实现超高液压实时控制的有效途径之一 ,且响应速度快 ;( 4 )采用计算机控制液压系统使工艺装备具有较大柔性 ,有利于复杂件成形 ;( 5)采用数学解析的方法来描述充液室液体的流动规律 ,且与有限元方法相结合 ,可以准确地模拟充液拉深成形过程 ,为实验提供可靠的指导充液拉深工艺的研究@康达昌$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!黑龙江哈尔滨150001
@郎利辉$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!黑龙江哈尔滨150001
@张士
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