技术方案-副本

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1、1 项目总体技术方案 1.1 项目背景 随着科技的发展， 对于管件的耐压要求也越来越高，以往的金属管接头， 主 要采用铸造成型， 不但耐压能力较低， 而且表面粗糙较难处理， 已不能满足现在 企业的需求。 近年来，人们开始使用胀管的方法来制造管件。胀管是利用压力将 直径较小的筒形零件或锥形零件由内向外膨胀成为直径较大的凸出曲面零件的 一种加工工艺方法。 例如：在汽车技术领域中， 由于燃料和原材料成本的原因及 环保法规对废气排放的严格限制，使汽车结构的轻量化显得日益重要。除了采用 轻体材料外，减轻重量的另一个重要途径就是在结构上采用以空代实和变截面等 强构件，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，

2、采用空心结构既可以减轻重 量、节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。为此，人们进行了长期的探 索，提出了各种各样的解决方案。 在航空、航天和汽车工业等领域,减轻结构质量以节约运行中的能量是人们 长期追求的目标 ,也是先进制造技术发展的趋势之一。实现结构轻量化有两条主 要途径 :一是材料途径 ,采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料;二是 结构途径 ,对于承受弯扭载荷为主的结构,采用空心变截面构件 ,可以减轻质量又 可以充分利用材料的强度和刚度。例如采用空心度(内径与外径之比 )0.85 空心 轴代替实心轴 ,在同样抗扭能力下 ,质量减轻近 50%。 对于轿车，每减轻重量10%，油耗

3、可降低 8%-10%。由于汽车采用铝合金等 轻质材料减重成本大幅提高， 汽车减重的主要途径是通过设计合理的受力结构实 现减重。空心变截面构件是一种典型的轻体结构，其传统制造工艺是先冲压成二 个或多个半片，再焊接成整体构件。存在工序多、零件数量多、实现复杂截面变 化困难、焊点影响疲劳性能等缺点。 内高压成形正是在这样的背景下发展起来的 一种制造空心轻体件的先进制造技术，其主要工艺过程是把管坯弯曲成零件轴线 形状，通过预成形分配材料， 然后在模具内施加高压液体成形（高压液体压力通 常在 200MPa 左右，最高可达 400MPa） 。具有产品成形精度高、 生产效率高的优 点，与传统冲压焊接的产品相

4、比重量减轻2030、刚度和疲劳强度提高，碰 撞安全性好，成本降低1520，模具费用降低2030%。被国际“超轻钢制 车身项目”专家称为“优化未来汽车设计的途径”。1.2 项目概述 内高压成形技术主要的特点是可以整体成形轴线为二维或三维曲线的异型 截面空心零件， 从管材的初始圆截面可以成形为矩形、梯形、椭圆形或其它异型 的封闭截面。内高压成形是近年来在超高压稳定密封和超高压计算机实时控制技 术突破后产生的先进制造技术， 可以一次整体成形沿构件轴线截面形状复杂多变 的空心结构件， 不但要实现对给定加载曲线高精度的跟踪，而且控制系统快速响 应和反馈，以保证在最快的时间内加工一个零件。产品性能优良、技

5、术含量高、 附加值大，市场竞争力强。 本项目集流体控制技术、 计算机与传感器技术于一体， 胀形工艺的关键技术 是控制内高压液体的压力、轴向力和管件变形的协调性，其主要创新点是（1） 尝试用新的液压跟踪控制算法来控制液体内高压的稳定性，使内高压与管件收缩 及轴向进给量相协调， 与传统的仅考虑轴向推杆的进给量和轴向力对管件加工的 影响相比，控制要求更高，保证了更高的加工精度，废品率更低。1.3 项目技术原理 液压成形（ Hydroforming ）是指利用液体作为传力介质或模具使工件成形的 一种塑性加工技术，也称为液力成形。 按使用的液体介质不同， 可将液压成形分为水压成形和油压成形。水压成形 使

6、用的介质为纯水或由水添加一定比例乳化油组成的乳化液；油压成形使用的介 质为液压传动油或机油。 按使用的坯料不同， 液压成形可以分为三种类型：管材 液压成形、板料液压成形和壳体液压成形。 板料和壳体液压成形使用的成形压力较低，而管材液压成形使用的压力较 高，又称为内高压成形（Internal High Pressure Forming） ，所以称管材液压成形 为内高压成形。 本项目研究的就是管材的液压成形技术。板料液压成形使用的介 质多为液压油，最大成形压力一般不超过100MPa。壳体液压成形使用的介质为 纯水，最大成形压力一般不超过50MPa。内高压成形使用的介质多为乳化液， 工业生产中使用的

7、最大成形压力一般不超过400MPa。 现代液压成形技术的主要特点表现在两个方面：一是仅需要凹模或凸模， 液 体介质相应地作为凸模或凹模， 省去一半模具费用和加工时间， 而且液体作为凸 模可以成形很多刚性凸模无法成形的复杂零件。二是液体作为传力介质具有实时 可控性，通过液压闭环伺服系统和计算机控制系统可以按给定的曲线精确控制压 力，确保工艺参数在设定的数值内，并且随时间可变调，大大提高了工艺柔性。 以采用内高压成形工艺加工T 型管接头为例来说明内高压成形工艺的基本 原理。如下图所示，上下为模具，两端配有轴向密封压头(轴向挤压缸 )和一个对 向压头。管坯放在下模上，然后模具闭合，管坯两端由密封压头

8、密封，向管坯内 腔注满压力介质，如油、水等。在实际成形过程中，轴向压头挤压管坯，使充满 管内壁的压力介质产生很高的内压力。在管坯外形和模腔形状存在间隙的情况 下，压力介质自然向该空间流动，同时作用在管壁上使管子胀形，直到管坯的形 状与模具的内腔轮廓相符。 另外，对向压头还能控制纵向材料的流动。借助整形 压力，使工件形状完全符合模具的轮廓。这样可以在零件的尺寸和形状上达到很 高的精度。最后打开模具，取出工件。项目实现的质量标准类型、标准名称： 国家标准 GB 3797-2005 电器控制设备 国家标准 GB/T 786.1 液体传动系统及原件图 行业标准 JB/T 7033 液压传动测量技术通则

9、 行业标准 JB/T 4127-2013 机械密封 2 项目技术现状、主要研究内容、关键技术及技术路线 2.1 内高压成形技术现状 早在 20 世纪 50 年代，液压胀管以用于生产管路中使用的铜合金T 型三通管 和自行车车架上的连接件，所用成形压力小于25MPa ，可生产的零件形状简单、 精度低，主要问题是工艺参数可控性差。 现代内高压成形技术与早期的液压胀管 工艺本质区别在于：成形压力高，工业生产压力达到400MPa ，有时达到 1000MPa 。工艺参数可控，内压与轴向位移按给定加载曲线实现计算机闭环控 制，超高压力控制精度达到0.2MPa到 0.5MPa ，位置控制精度达到0.05mm

10、。零 件形状复杂、 精度高，可以整体成形三维曲线异型截面复杂结构件，主要用于汽 车和飞机等机器零件的制造。两个方面技术突破促进了内高压成形技术的发展， 一是水介质超高压动密封技术，实现生产条件下400MPa以上时间超高压稳定密 封； 二是超高压计算机闭环控制技术， 不但要实现对给定加载曲线高精度的跟踪， 而且控制系统快速响应和反馈，以保证最快在30 内完成一个加工零件。 汽车结构减重以节约燃料、 降低废气排放和提高车身整体安全性的需求促进 了内高压成形技术的快速发展。20 世纪 80 年代初，德国和美国的研究机构和有 关公司系统地开展了内高压成形的基础研究和应用技术。在德国，开展研究的大 学主

11、要有帕德伯恩大学和斯图加特大学，开展设备和零件研制的公司主要有 Schuler 公司、 SPS公司和 AP T 公司。在美国，开展研究和应用的大学和公司 主要有俄亥俄州立大学、通用汽车公司和Hydrodynamic 公司。 内高压成形技术主要应用的行业有汽车、航空、航天、自行车和管路等。汽 车是内高压成形技术应用最广泛的行业，在汽车上应用的零件种类包括：发动 机与驱动系统，包括进气歧管和排气管件等；底盘类零件，包括副车架、后轴 和保险杠等；转向和悬挂系统，包括控制臂和转向杆等。在飞机上的应用有空心框架、发动机上中空曲轴等。德国奔驰汽车公司于1993 年建立了其内高压成 形车间，生产汽车底盘零件

12、和各种结构件，随后大众公司和宝马公司等欧洲汽车 厂商开始在多个车型上应用内高压成形件。 德国、美国和日本等国家的许多学者通过理论分析、数值模拟和工艺试验系 统地研究了失效形式与加载路径的关系、成形区间与成形极限、 壁厚分布、 管材 性能测试和 FLD 建立、各向异性的影响、高压下的摩擦行为及预成形坯优化等 基础理论问题。2.2 内高压成形技术主要研究内容 该项目主要针对关键加工过程中，由于内高压的波动、 轴向顶杆的密封性及 轴向力的变化等对管件最终成形至关重要，每一步控制不当就可能产生废品，所 以研究如何在加工过程中根据管件的收缩胀形随时调整内高压的大小、轴向进给 和轴向力大小，得到有效的控制

13、方法和算法，减少废品。具体包括： （1）研究建立一种有效的数学模型，运用适当的液压跟踪算法，利用传感 器检测系统数据，经过单片机处理后去实时控制内高压的变化，来适应管件变 形 ； （2）顶杆对管件的密封性至关重要，分析如何根据管件的收缩实时控制顶 杆的进给量和轴向力大小，过大的轴向力或较小的轴向力都会使管件报废； （3）工业生产讲究效率，为了尽可能节约时间，应控制模具的合模时间， 前段合模要快，最后要稳，减少冲击； （4）加工中高压的产生等都有消耗能量，如何减少能量消耗也是研究的一 项重要内容； （5）很多加工设备中，产生内高压需要专门的高压产生设备，此种设备价 格昂贵，因此系统使用增压器产生

14、高压，减少成本。 2.3 关键技术 1. 成形过程中各控制量的协调控制：为了保证成形过程的正常进行， 必须对 内压力，侧缸推力和侧缸位移量的协调控制。实际生产中，应避免出现各类缺陷， 零件壁厚应力求均匀一致， 这就要求内压力， 侧缸轴向推力和侧缸轴向位移补偿 量内压的合理匹配。 随着计算机控制技术和超高压液压技术的不断进步，使得合 理控制三者的匹配关系已成为可能。因此，载荷的确定及其控制策略就成为内高 压胀形的关键技术。 2. 管端密封：在内高压胀形过程中，管端密封是保持内部液体高压的关键。 为了确保管端密封的可靠性， 有时需要采取塑性密封的形式， 即通过轴向活塞压 头的推力作用， 使管坯端部

15、局部材料产生塑性变形。塑性密封增加了管坯与模具 之间的摩擦力。 封口压力的确立是其中难点之一。压力过小侧缸封口不严， 会在 成形过程中，导致液压油外泄，成形过程失败。压力过大，导致工件产生弯曲， 成形后工件质量得不到保证。3、成形过程中的两侧缸同步控制：由于两侧缸在成形过程中必须做到同步 动作。因此要对同步控制方式和和同步控制算法做出比较与选择。来满足同步控 制精度要求。2.4 项目技术路线描述 管件的胀形加工过程是一个集液压动力学、微电子与计算机技术、 传感器技 术、机械设计和过程控制于一体的复杂过程，其研究的技术路线可归纳如下： （1）调查研究：进一步调查与本项目有关的国内外研究动向，特别

16、注意有 助于解决关键问题的学科领域和方向的最新的研究进展；深入了解胀形加工的现 状和需求，为胀形加工的控制方法的研究与开发寻求突破口。 （2）研究胀形加工的理论与方法，建立控制系统的模型，进行仿真设计， 采集样本，不断优化； （3） 系统的联合调试，并不断改进提高； （4）小批量生产，验证实际加工工艺，进行改进提高。3 项目创新内容 （1）对原有的胀形加工机械进行了改进，加工工艺更加合理，解决了现有 技术不够合理等技术问题。本项目属于管件加工技术领域，尤其是涉及管件液 压胀管加工方法及液压胀管机。本方法包括下述步骤：A、管件上模； B、液胀 成型； C、成品脱模。液压胀管机，包括机架，机架上设有用于固定管件的成型 模具，成型模具包括动模具和静模具且当动模具和静模具扣合后形成成型模腔， 机架上还设有两个压紧套，每个压紧套分别与管件的一端密封连接，机架上设 有与压紧套相连的驱动机构。其优点在于：1. 设计合理，结构简单，操作方便， 自动化程度高。 2. 制造简单，生产效率高，管件质量好。3. 机器的使用寿命长， 安全系数高。 4. 能加工不同形状的管件，且更换模具简