内高压成形技术现状与发展趋势

(续前 )4　国内研究与应用情况哈尔滨工业大学液力成形工程中心在国内系统地开展了内高压成形机理和工艺基础研究 ,研制了国内首台内高压成形机 ,已经攻克 4 0 0MPa高压源动密封和超高压控制关键技术。在这台设备上进行了铝合金管件、不锈钢接头、空心阶梯轴、奥迪轿车后轴纵臂和红旗轿车转向节等典型件内高压成形实验<12～15> 。4 .1　内高压成形机图 9为哈尔滨工业大学研制的国内首台内高压成形机。该设备由合模液压机、2个水平推缸、增压器、液压伺服系统及计算机控制系统组成。主要技术参数为 :最大内压 4 0 0MPa ,合模力 10MN ,水平缸推力 1.5MN ,可加工零件最大长度 10 0 0mm。该机采用计算机控制 ,可以按给定的加载路径控制内压与轴向进给匹配 ,控制精度 :内压为 0 .5MPa ,位移为 0 .0 5mm。4 .2　铝合金零件内高压成形图 10为铝合金管件尺寸。所用管材尺寸为直径为 6 5mm ,壁厚为 1.5mm。零件最大直径为图 9　内高压成形机88mm ,膨胀率为 1.35 ,材质为防锈铝合金。由于膨胀区长度较大 ,并且铝合金的成形性比钢材差 ,需要通过预成形来保证零件壁厚相对均匀。一种方案是使膨胀区管材形成起皱 ,以实现材料的聚集 ,然后再在最终整形阶段通过施加内压将皱纹胀平。关键的一点是要控制起皱的形状以保证得到的起皱为“有益起皱” ,而不是死皱。图 11为终成形模具中所形成的“有益起皱”。图 12为利用“有益起皱”得到的内高压成形零件。图 10　铝合金零件尺寸图 11　有益起皱　　　　　　图 12　内高压成形的　　　　　　　　　　　　　　　　铝合金零件图 13所示为具有 32mm和 2 8mm两种不同直径膨胀区的铝合金零件。其管材初始直径为2 4mm ,壁厚为 1mm。由于该零件尺寸很小 ,成形所需内压与轴向补料的控制有一定难度。图 13　具有两种不同直　　　图 14　不锈钢Ω　　　径的铝合金零件　　　　管接头4 .3　不锈钢管接头图 14为内高压成形得到的一种不锈钢Ω接头。所用管材是外径为 16 1mm ,壁厚为 1.5mm的激光焊管。零件上得到的膨胀节最大直径为190mm ,且最小壁厚要求大于 1.3mm。由于该零件的直径与壁厚比达到 10 7,即管材相对厚度非常小 ,因此在内高压成形过程中 ,其高压密封的难度很大。实验件的测量结果表明 ,该内高压零件的膨胀节最小壁厚为 1.35mm ,可以满足技术要求。4 .4　空心阶梯轴图 15为具有 3种不同直径的空心阶梯轴 ,外径分别为 70mm、80mm和 90mm。它是采用直径6 0mm ,厚 4mm的低碳钢管内高压成形获得。在直径为 90mm的部位 ,其最大壁厚减薄率为 13.4 %。图 15　空心阶梯轴4 .5　轿车后轴纵臂图 16所示为用于轿车底盘零件后轴纵臂 ,该零件不同部位具有复杂的截面形状 ,图中给出了其中4个典型截面的形状。以往制造此零件需要 9个冲压工步 ,采用内高压成形工艺 ,仅需 3个工步 :弯曲、内高压成形、端部切割。图 16　轿车后轴纵臂5　内高压成形发展趋势内高压成形技术近 10年来在汽车工业得到广泛应用 ,汽车减轻质量和降低成本的需求又促进了内高压成形技术的不断改进。但与锻造和冲压等成形工艺相比 ,内高压成形还是一项相对“年轻”的技术 ,在设备、模具、工艺和成形机理等方面还有许多问题需要深入研究 ,待开展研究的课题主要有以下几方面。(1)　管材力学性能测试方法。包括屈服极限和延伸率等常规力学性能 ,n值和r值等成形性能指数。目前在有限元模拟中使用的n值和r值多为相应板材的数值 ,而由板材加工为管材性能要发生改变 ,使用板材n值和r值会带来误差。(2 )　内高压成形极限图 (FLD)。目前在实验和数值模拟中使用FLD均为相应板材的FLD ,如何确定适用于管材内高压成形极限图 ,用于指导实际生产 ,是内高压成形领域的一个重要课题。(3)　内高压成形摩擦测定。需要开发出合理装置测定内高压成形送料区、成形区和过渡区的摩擦系数 ,为制定工艺和数值模拟提供依据。(4 )　内高压成形件设计准则。通过实验和生产实践的总结 ,应逐步形成内高压成形件准则 ,包括截面形状、最小圆角、最大膨胀量 ,最大减薄量、管材弯曲形状、预成形以及如何确定初始管材直径和厚度等。(5 )　模具设计关键技术。与冲压模具不同 ,内高压成形模具在成形后期模腔内承受高达 4 0 0～6 0 0MPa的压力 ,在模块内引起很大应力 ,在送料区管材与模腔产生强烈的摩擦 ,因此内高压成形模具结构、材料及热处理与冲压模具有较大不同。根据目前技术水平和应用现状 ,内高压成形技术发展趋势可以概括为以下几个方面。(1)　双层管内高压成形 ,用于制造轿车双层排气管件 ,提高轿车尾气三元催化和净化效果。轿车碰撞时吸收能量结构 ,可以用内高压成形制造双层构件。(2 )　拼焊管内高压成形 ,将不同厚度或不同材料管材焊接成整体 ,然后再用内高压成形加工出结构件 ,可以进一步减轻结构质量。(3)　内高压成形与连接复合 ,把几个管材或经过预成形管材放在内高压成形模具内 ,通过成形和连接工艺复合加工为一个零件 ,进一步减少零件数量和提高构件整体性。(4 )　热态介质内高压成形 ,提高铝合金和镁合金等轻合金成形极限 ,加工出复杂零件。内高压成形技术现状与发展趋势@苑世剑$哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 !黑龙江哈尔滨150001内高压成形;;液力成形;;空心构件;;汽车零件介绍了内高压成 形原理,工艺分类、优点、应用范围和适用材料,综述了国外内高压成形在工业领域尤其汽车工业 的应用情况,给出了用内高压成形制造的典型结构件、枝杈管件、异形管件和空心轴类件。详细介绍了国内研制的40 0MPa内高压成形机参数及在该设备上试制的铝合金管件、不锈钢管件、空心阶梯轴和轿车后轴纵 臂等内高压成形件。最后指出内高压成形需要深入研究的课题和发展趋势<1>　KleinerM,HombergW ,BrosiusA .Processandcontrolofsheetmetalhydroforming.AdvancedTechnologyofPlasticity,Vol.II,Proc.ofthe6thICTP.1999:1243-1252.
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