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1、特种塑性成形内高压成形（塑性成形工艺大作业）1 内高压成形 目 录1内高压成形工艺简介及应用实例11.1内高压成形技术11.2应用实例21.2.1汽车工业21.2.2航空航天32应力、应变特点及变形规律分析32.1 内高压成形工艺流程32.2应力、应变特点42.2.1充形阶段52.2.2成形阶段52.2.3整形阶段62.3 成形区间及加载路线63成形设备84常见缺陷形式及预防措施94.1 屈曲94.2 起皱94.3 开裂104.3.1弯曲管壁厚分布规律104.3.2 过渡区开裂的应力分析115内高压成形的特点126. 研究现状、发展趋势及主要研究机构136.1 研究现状136.2 发展趋势14
2、6.3国内主要研究机构14参考文献15161内高压成形工艺简介及应用实例在节能减排的大形势下，汽车和飞机等运输工具结构轻量化设计的概念应运而生。实现结构轻量化有两条主要途径，即材料和结构途径。材料途径：采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料；结构途径：采用空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体等结构。根据统计，对于一定的减重目标，在航天航空领域，采用轻质材料减重的贡献大约为2/3，结构减重的贡献大约为1/3；而在汽车领域，则主要采用结构减重的途径。然而，内高压成形是适应结构轻量化发展起来的一种先进制造技术。1.1内高压成形技术内高压成形(Internal High Pressure Form
3、ing)是以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。由于使用乳化液（在水中添加少量的防腐剂等组成）作为水传力介质，又称为管材液压成形（Tube Hydroforming）或水压成形。按成形零件的种类，内高压成形分为三类：（1）变径管内高压成形；（2）弯曲轴线构件内高压成形；（3）多通管内高压成形。（1）变径管内高压成形：变径管是指管件中间一处或几处的管径或周长大于二端管径。其中，如图1.1所示的非对称大截面差管件成形困难，通过轴向进给和内压匹配，以及贴模顺序控制，实现截面差120%构件内高压成形，突破100%膨胀率的极限值。图1.1 大膨胀率
4、双锥管件（2）弯曲轴线异型截面管件内高压成形：图1.2所示管件具有18个不同形状和尺寸截面，轴线为三维曲线。图1.2 轿车副车架内高压件（3）多通管内高压成形：铝合金薄壁整体三通管内高压成形，消除传统工艺纵向焊缝，大幅提高构件可靠性。 图1.3 整体三通管1.2应用实例1.2.1汽车工业德国于20世纪70年代末开始内高压液力成形基础研究，并于90年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制造汽车轻体构件。目前在汽车上应用有排气系统异型管件； 副车架总成；底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架；前轴、后轴及驱动轴； 安全构件等。1.2.2航空航天用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有结构空心框
5、梁、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管接件等。用内高压成形制造的飞机发动机空心双拐曲轴,与原零件相比减重48%。2应力、应变特点及变形规律分析2.1 内高压成形工艺流程以变径管为例其成形工艺过程可以分为三个阶段，如图2.1所示。初始充填阶段（图2.1a）模具闭合后，将管的两端用水平冲头密封，使管坯内充满液体，并排出气体，实现管端冲头密封；成形阶段（图2.1b），对管内液体加压胀形的同时，两端的冲头按照设定的加载曲线向内推进补料，在内压和轴向补料的联合作用下使管坯基本贴靠模具，这时除了过渡区圆角以外的大部分区域已经成形；整形阶段（图2.1c），提高压力使过渡区圆角完全贴靠模具而成形为所
6、需的工件。a.充填阶段b. 成形阶段c. 整形阶段图2.1 变径管件内高压成形工艺过程成形过程中涉及主要工艺参数：初始屈服压力Ps：管材开始发生塑性变形时所需要的内压；开裂压力Pb：贴模前内压应小于开裂压力；整形压力（成形压力）Pc：用于成形截面过渡圆角，并保证尺寸精度；轴向进给力Fa：实现轴向补料；合模力Fc：使模具闭合不产生缝隙；补料量l：减少成形区壁厚减薄，并提高膨胀率；2.2应力、应变特点设管材为薄壁管，忽略管材内壁上压力p，只考虑轴向应力 (axial stress)和环向应力(hoop stress)，则可认为管材处于平面应力状态。由Mises屈服准则，可得内高压成形的屈服条件：
7、（1）式中， 为环向应力；z为轴向应力；s 为材料屈服强度。 根据Levy-Mises 增量本构方程，厚度变化量与应力状态的关系如下： （2）式中： dt 为厚度瞬时增量，大于0 表示增厚，小于0表示减薄；di为等效应变增量；i 为等效应力。变形过程中，某一时刻管材上不同点，以及同一点在不同时刻的应力状态都将有很大差别，而所有可能的应力状态应位于图2.2所示的平面应力屈服轨迹或屈服椭圆上点ADBC之间的曲线上。图2.2内高压成形应力应变状态在屈服轨迹上的位置2.2.1充形阶段在此阶段，冲头对管端作用有一定的轴向推力以实现密封，整个管材都处于轴向受压的单向应力状态（见点A），对应的应变状态为轴向
8、压缩、环向伸长和厚度增加，但变形量都很小。2.2.2成形阶段在成形阶段，送料区和成形区的应力及应变状态均不同。对于送料区管材，虽然受到内部液体压力的作用，但管材与模具的接触应力N 基本等于内压p，环向应力 为零，送料区仅存在轴向应力z的作用，因此送料区的应力状态对应于屈服椭圆上的点A。由于受到模具的约束，环向应变 也为零，所以送料区处于平面应变状态,而且轴向缩短、厚度增加。因为管材与模具之间的摩擦作用，轴向应力z的绝对值从管端向内逐渐减少，因此管端处的增厚最为严重。 成形初期，管材还保持平直状态，其应力状态为环向受拉和轴向受压，即位于屈服轨迹中点A和点B之间，应变状态与环向应力 和轴向应力z的
9、数值大小有关：当| z |，位于屈服轨迹的点B和点D之间时，有dt0，壁厚减薄； 当0，壁厚增加； 当=| z |，位于屈服轨迹的点D，此时d=-dz， dt =0，壁厚不变，管材处于平面应变状态。 随着变形的进行，变形区管材不再保持平直状态，而将发生向外凸起的变形。此时，该区的管材处于双向拉应力状态，在图2.2中表现为从点B向点C移动。在此阶段， 0， z0，且一般情况下 z ，因此环向和轴向总是伸长，壁厚总是减薄，减薄的程度取决于轴向应力与环向应力数值的大小。须要指出的是， 与z的比值还与变形区的相对长度有关。在成形阶段还有一种特殊情况，管材只受内压作用而没有轴向补料，即自由胀形。在自由胀
10、形的初期管材保持直管状态时，管材只受内压作用引起的环向应力，轴向应力z0，处于屈服轨迹曲线上的点B，随着内压的增加，变形区管材将发生向外凸起的变形，这时的应力状态处于屈服轨迹上的点C附近。处在这种双向拉伸的应力状态，管材容易发生开裂，这也是自由胀形的极限膨胀率低于内高压成形的主要原因。2.2.3整形阶段通过增加液体压力使过渡圆角贴靠模具，达到所要求的几何形状和尺寸。在整形阶段，成形区管材绝大部分已与模具接触，只有送料区与成形区的过渡圆角区域尚未完全与模具贴合。此时过渡区圆角受力相当于内压作用下的圆环壳，在环向和切向都发生拉伸变形，壁厚减薄，相当于在屈服轨迹曲线上位于点B和点C之间。2.3 成形
11、区间及加载路线成形区间是指管材既不起皱又不破裂的轴向应力和内压之间匹配的区间（见图2.3），通过图可以确定起皱临界轴向压力和开裂压力。图2.3 轴向应力和内压之间关系示意图图2.3中，La表示保持管材进入屈服开始塑性变形时轴向应力和内压之间的关系，点a1 代表初始屈服压力，Lb表示开裂压力，点b1 表示无轴向应力时的开裂压力；Lc代表产生皱纹的轴向应力，c1 为无内压时的起皱轴向应力，而在内压作用下的起皱临界应力。La、Lb和Lc等3条线划分出A、B、C和D等4个区间，其中区间A为弹性区，在该区间内管材还处于弹性状态；区间B为开裂区，当内压在该区间时管材将发生开裂；区间C为起皱区，当轴向应力在
12、该区间时将发生起皱；区间D为成形区，只有当内压和轴向应力的匹配关系在该范围内时，才能确保管材发生塑性变形时既不起皱又不破裂。引入一个加载比例因子参数= z/ ，：缺陷因子； Fcr：临界屈曲轴向压应力。图2.4 加载比例参数和缺陷因子与临界轴向压Fcr应力关系当0 1 ： 增大， Fcr 下降。这说明= 1.0是一个分水岭值，即无论缺陷因子如何影响，按照 = 1.0这个比例加载关系进行加载是最理想的加载路径。3成形设备内高压成形的设备为内高压成形压力机（如图3.1所示），内高压成型机总体结构先进，紧凑，可靠，维护方便，操作简单。该内高压成型机由管胚本体机构、液压系统、供水系统、控制台等组成。图
13、3.1 内高压成形压力机图3.2 内高压成形压力机工作原理内高压成形压力机各单元工作原理：合模压力机：闭合模具，防止发生分缝造成零件出现飞边或引起管端密封失败；水平缸：驱动冲头，实现管端密封和轴向进给；高压源：增压器，为成形提供高压；计算机控制系统：按设定曲线对管件进行加载；液压系统：为增压器和水平缸提供动力；水压系统：提供管内液体。4常见缺陷形式及预防措施内高压成形是在内压和轴向进给联合作用下的复杂成形过程，主要缺陷形式有屈曲、起皱和开裂等三种（见图4.1）。如果轴向进给过大，会引起屈曲或起皱；内压过高，会减薄过度甚至开裂。只有给出内压力与轴向进给的合理匹配关系，才能获得合格的零件。 （a）
14、 屈曲 （b）起皱 （c） 开裂图4.1内高压成形缺陷形式4.1 屈曲当管材成形区长度过长，在成形初期还没有在管材内建立起足够大的内压时，施加了过大的轴向力。在合理选择管材长度、增加预成形工序、控制工艺参数。4.2 起皱在成形初期，轴向力过大，将产生压缩失稳，即起皱。皱纹分为死皱和有益皱纹两种，死皱是在后续的充型过程中无法展平的皱纹，而有益皱纹在后续成型过程中可以被展平，而且可以提高材料的成型极限。有益皱纹产生必须满足两个条件，几何条件和力学条件。几何条件包括皱纹的数目、壁厚减薄率和补料量。经研究得出，随皱纹数目增多，需要的补料量增加，壁厚减薄变小，甚至增厚。通过起皱的方式可以将成形所需补料量预先聚集在成形区。关键是控制皱纹的数量，只要所起皱纹的数目合理，可以保证成形后壁厚基本不变，或将减薄控制在要求范围内；有益皱纹展平过程中不发生开裂的严格力学条件是皱峰不减薄。如图4.2所示 （a） 有益皱纹 （b）死皱图4.2有益皱纹与死皱4.3 开裂开裂是膨胀率、摩擦因数、壁厚
