（机械电子工程专业论文）薄壁管内高压成形系统的研究.pdf

i t f 、t ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ns y s t e mo ft h i n - - w a l l e dt u b e i n t e r n a l h i g h p r e s s u r ef o r m i n g b yl iw e n w e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w a n gb i n g - d e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 l f 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研 譬 与我一同工作 的说明并表示 本学位论 位论文的规定 复印件和磁盘 位论文的全部 作者和导 半年口 学位论文作者 签字e t 期：) - o f k 、 i 东北大学硕士学位论文 摘要 薄壁管内高压成形系统的研究 摘要 在汽车工业等领域，减轻结构质量以减少能量消耗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。管材内高压成形技术作为以轻量化和一体化 为特征的一种空心变截面轻体构件的先进制造技术，越来越受到人们的关注。目 前，国内虽然有大量学者对此项技术进行研究，然而由于起步较晚，并且缺乏实 验条件，所以大部分研究都只是基于有限元模拟分析，致使许多研究成果无法得 到验证。所以开发内高压成形系统并对其成形工艺进行研究己成为当前的重要课 题，对我国汽车工业的发展和能源节约意义重大。 本文首先在查阅大量国内外有关文献的基础上，综述了内 发展、研究现状以及实际应用情况。此后，根据实验的需要， 成形模具，可以用来完成不同的实验。 通过室温下的单向拉伸实验，获得了管坯各项力学性能参 得到了其性能参数随拉伸速度的变化规律，将这些规律与内高 来，进一步分析研究后，提出了内高压成形的几条加载规律。 本文还利用弹塑性力学理论，对成形过程中的管坯进行了 一步认清了管坯的变形特点，在此基础上，建立了内高压成形 联系。分别给出了回转体构件和矩形断面构件的胀形系数的定 数作为内高压成形的一条设计准则。通过理论推导，得到了用 成形压力和最终成形压力的计算式。 本文最后分析了内高压成形工艺对液压系统设计的要求， 及到的关键问题进行了研究，最终确定了成形液压系统和电液 案。 关键词：内高压成形；模具；性能参数；应力应变分析；加载 i i i ， 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns y s t e mo ft h i n - w a l l e dt u b e i n t e r n a lh i g h - - p r e s s u r ef o r m i n g a bs t r a c t i nt h ef i e l d so fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n ds oo n ，w e i g h tr e d u c t i o no fs t r u c t u r e si s t h eg o a lt h a tp e o p l eh a v ep u r s u e df o ral o n gt i m ei no r d e rt or e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o n i ti sa t r e n di nt h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t o o i n t e r n a lh i g h p r e s s u r ef o r m i n g ( i h f ) ，a sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i z e d b yl i g h t w e i g h ta n di n t e g r i t y , w h i c hc a nb eu s e dt o m a n u f a c t u r eh o l l o ws t r u c t u r a l c o m p o n e n t sa n d v a r i a b l ec r o s s - s e c t i o np a r t s ，o b t a i n e dm o r ea n dm o r ep e o p l e s a t t e n t i o n a tp r e s e n t ，a l t h o u g hal a r g e n u m b e ro fd o m e s t i cs c h o l a r ss t u d yt h i s t e c h n o l o g y ，b e c a u s eo fal a t es t a r ta n dl a c ko fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，m o s ts t u d i e s a r eb a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，w h i c hr e s u l ti nm a n yr e s e a r c hr e s u l t sc o u l dn o t b ev e r i f i e d t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to fi h fs y s t e ma n dr e s e a r c h e so nf o r m i n g p r o c e s sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u ea tp r e s e n t a n dt h i sw i l ls u r e l l yb r i n gg r e a t s i g n i f i c a n c e o nt h e d e v e l o p m e n to f c h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n de n e r g y c o n s e r v a t i o n a f t e rc o n s u l t i n gn u m e r o u sr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sa th o m e a n da b r o a d ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na n dc u r r e n tt r e n do fd o m e s t i ca n d o v e r s e ao fi h fi ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r l a t e r ，a c c o r d i n gt ot h en e e d s o f e x p e r i m e n t ，as e to fi h fd i e si sd e s i g n e d ，w h i c hc a nb eu s e dt oc o m p l e t ed i f f e r e n t 节 e x p e r i m e n t l ， t h r o u g hu n i a x i a lt e n s i l et e s ta tr o o mt e m p e r a t u r e ，g o tt h ev a u l eo fm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h et u b ea n dt h el a w st h a tt h e s ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s c h a n g e sw i t ht h es p e e d c o m b i n e dt h el a w sa n dt h ei h fp r o c e s sa n dt h e nt h r o u g h f u r t h e ra n a l y s i s ，s e r v e a ll o a d i n gr u l e sa r ep u tf o r w a r d u s i n gt h ee l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c st h e o r y , t h i sp a p e rh a sa l s oc a r r i e do ns t r e s s i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n ds t r a i n a n a l y s i s i nt h e f o r m i n gp r o c e s s t h u sg o t f u r t h e ru n d e r s t a n do f c h a r a c t e r i s t i c so fd e f o r m a t i o no ft h et u b e o nt h i sb a s i s ，e s t a b l i s h e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ev a r i o u sf o r m i n gp a r a m e t e r s d e f i n e dt h eb u l g ec o e f f i c i e n to ft h es o l i do f r o t a t i o na n dt h e r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n c o m p o n e n tr e s p e c t i v e l y t h i sb u l g e c o e f f i c i e n tc a nb em a k e da sa nd e s i g nc r i t e r i a nf o ri h fp r o c e s s t h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，o b t a i n e dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l au s e dt oe s t i m a t et h ei n t e r n a lh i g h - p r e s s u r e a tt h ei n i t i a la n dt h ee n do ft h ei h fp r o c e s s f i n a l l y , t h er e q u i r e m e n t so fh y d r a u l i cs y s t e md e s i g nt oi h fp r o c e s sa r ea n a l y z e d ， a n dt h ek e yq u e s t i o n si n v o l v e di nt h ei h fp r o c e s sa r es t u d y e d e v e n t u a l l y , e s t a b l i s h e d t h ed e s i g ns c h e m eo ft h ef o r m i n gh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m k e y w o r d s ：i n t e r n a lh i g h - p r e s s u r ef o r m i n g ；d i e ；p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ； s t r e s s s t r a i na n a l y s i s ；l o a d i n gr u l e ；h y d r a u l i cs y s t e m i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i - 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 内高压成形的原理与特点2 1 2 1 内高压技术概述2 1 2 2 内高压成形原理及工艺2 1 2 3 内高压成形的优缺点3 1 3 内高压成形的研究现状与前景4 1 3 1 内高压成形国外研究现状4 1 3 2 内高压成形国内研究现状6 1 3 3 内高压成形的研究前景6 1 4 内高压成形的实际应用情况7 1 5 本课题主要研究内容9 第2 章内高压成形模具系统的设计1 1 2 1 引言1 l 2 2 内高压成形模具的分类1 1 2 3 内高压模具的失效形式及对零件的影响1 3 2 4 内高压模具失效的防护措施1 4 2 5 内高压模具的设计方案1 5 2 5 1 总体方案的确定15 2 5 2 模具的选材17 2 5 3 组成模具的各零部件的设计1 8 n 东北大学硕士学位论文目录 第3 章薄壁管力学性能的实验测定2 0 3 1 引言2 0 3 2 材料和设备2 0 3 3 实验原理2l 3 3 1 强度指标和塑性指标的计算2 1 3 3 2 应力和应变一2 2 3 3 3 应变硬化指数2 4 3 3 4 各向异性系数2 6 3 4 实验结果分析一2 7 3 4 1 强度指标分析2 8 3 4 2 延伸率分析2 9 3 4 3 应变硬化指数分析3 0 3 4 4 各向异性系数分析3 l 第4 章内高压成形的力学分析与工艺计算3 3 4 1 引言3 3 4 2 内高压成形的力学分析3 3 4 2 1 基本假设一3 3 4 2 2 应力分析3 3 4 2 3 应变分析3 5 4 2 4 轴向推力与内压力的关系计算3 7 4 3 工艺计算一3 8 4 3 1 毛坯变形程度的计算3 8 4 3 2 内高压成形所需液压力的估算3 9 第5 章液压系统设计4 3 5 1 概述4 3 5 2 液压系统的总体要求4 3 5 2 1 液压系统的动作要求4 3 5 2 2 液压系统的特性要求一4 3 5 3 液压系统设计方案4 4 v i ， 东北大学硕士学位论文 目录 5 3 1 液压系统的组成4 4 5 3 2 关键技术的研究4 4 5 4 相关技术简介4 5 5 4 1 电液比例控制技术4 5 5 4 2p l c 控制技术4 6 5 4 3p i d 控制技术4 6 5 5 液压系统工作原理4 7 5 5 1 成形液压系统4 7 5 5 2 电液控制系统4 8 第6 章结论与展望4 9 参考文献5 1 致谢5 5 攻读硕士学位期间发表的论文5 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 减轻重量，节约材料是现代先进制造技术所探讨的问题和发展的趋势之一。 在航天航空、汽车工业等领域，减轻零部件的重量以达到降低能耗的目的是人们 长期以来一直追求的目标。2 0 世纪9 0 年代以来，由于燃料和原材料成本的高涨 以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，实现轻量化的另一个主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，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刚度【1 1 。内高压成形正是以轻量化 和一体化为特征开发出来的一种空心变截面轻体构件的先进制造技术，它能够大 大提高生产效率1 2 j 。 降低能耗、减少环境污染以及节约有限资源是目前我国面临的一个十分重要 而紧迫的课题，减轻汽车自重是提高汽车的燃油经济性、降低能耗、减少污染的 重要措施之一。欧洲铝协公布的材料表明，汽车重量每降低l o o k g ，每百公里可 节约0 6l 燃油。因此，汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放、实现我国汽 车工业可持续发展战略具有十分积极的意义【3 1 。掌握内高压成形技术，将给我国 汽车行业的发展提供强有力的支持，同时填补内高压成形技术在我国汽车行业中 应用的空白。 近年来，国内外学者及科研单位对内高压成形技术做了大量研究，推进了该 项技术的迅速发展，使该技术成为生产大批量管件制品的一种重要方法。国外许 多国家已经将内高压成形技术成功运用到了产品的生产过程中。国内虽然也有大 量学者对此项技术进行研究，然而由于起步较晚，而且缺乏实验条件，许多研究 成果无法得到验证。所以对内高压成形设备的研究以及精确控制是当前主要研究 的目标。通过设备开发，计算机模拟以及具体实验，不仅使现有理论得到验证， 使理论研究有所依据，而且更容易发现其成形规律，促进理论研究的发展，加快 其投入于实际生产的速度。同时，随着国内航空，航天和汽车工业的飞速发展， 汽车典型结构件和飞机一些结构件的市场将会前景广泛。本课题的研究也就具有 了很强的实际应用价值。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 内高压成形的原理与特点 1 2 1 内高压技术概述 内高压成形技术属于液力成形技术的一种。现在国际上流行用液力成形来替 代原先的液压成形的说法，因为液力成形更能精确地描述加工过程的实质，即通 过液体传递的压强，作用在一定的加工表面，最终以液力的形式加工工件，使工 件达到所要求的尺寸和形状。根据传力介质为液体、变形主体为管材的特点，也 被称为管材液力成形一一t h f ( t u b eh y d r o f o r m i n g ) 。 内高压成形技术是利用柔性成形介质直接作用于管坯内部进行成形的方法， 也属于软模成形工艺，具有柔性成形的特点。近年来，该技术发展较快，在国外 内压力最大达到6 9 0 m p a ( 也有报道达到1 3 8 0 m p a ) ，因此被称为内高压成形一一 i h p f ( i n t e r n a lh i g hp r e s s u r ef o r m i n g ) ，用来成形壁厚更厚一些的受力结构件【4 】。 该技术起源于传统的液压胀形工艺，专用成形装备、模具和控制系统是最为关键 的几个因素。与其它金属塑性加工工艺相比，这是一项正处于上升态势且具有良 好发展前景的先进材料加工技术【5 1 。 1 2 2 内高压成形原理及工艺 内高压成形的基本原理是通过在管材内部施加液体压力，在轴向施加负荷作 用，使其在给定型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形 状的零件1 6 1 。 内高压成形工艺过程如图1 1 所示，其基本工艺过程为【_ 7 】：首先将管坯l 放 入下模具2 中，然后闭合上模具3 并锁紧，管坯两端分别用轴向冲头4 和5 进行 密封，通过液压管路往管坯内部通入低压液体，使管坯内部全部充满，然后再增 大管坯内部的压力，在增压的过程中，两端的冲头同时向内推进补料，管坯正是 在内压力和轴向压力的共同作用下完成成形，最后打开模具，取出成形工件。对 于轴线为曲线的零件，则需将初始管坯预弯成接近零件的形状。对于需要成形较 小圆角的零件，则往往需要进行分段式加压，即先用较低的超过管坯屈服强度极 限的压力使管坯变形，形成较大的圆角，此时大部分材料已贴模，管坯壁厚较均 匀，然后再用较高的压力使圆角处的材料在拉力作用下变形，管壁减薄，从而得 到所需形状。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 & 心沁 叫 一 勿形形 冈s s s 茎姜测叨r 隧釜洲叨 心1。，；。，。，i心1 零一一，与。，。，。，i q 眵乡；孑i j j 黝口q 髟乏乏乏乏乏乏乏乏乏乏钥u 匹一匝尽一，习 占 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 件高出许多。对于相同的强度要求，内高压成形件的重量只有同样构形拼焊构件 的5 0 7 0 。 ( 3 ) 由于内高压成形一般不涉及焊接等热加工工序，再加上高压介质的校形 作用，从而有效抑制了工件的热变形和回弹。因此，内高压成形件的尺寸比较精 确而且稳定，表面质量很高。 ( 4 ) 减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压成形件通常仅需要一套模 具，而冲压件大多需要多套模具。采用内高压成形，可减少零件数量，如副车架 的组成零件由6 个减少到1 个；散热器支架的组成零件由1 7 个减少到1 0 个。 ( 5 ) 设计的灵活性。由于内高压成形技术具有较高的成形自由性，因而能使 设计工作更具灵活性。 ( 6 ) 降低生产成本。内高压成形技术能够整体成形几何形状非常复杂的中空 薄壁结构件，有助于工序、工装种类和数量的压缩整合以及总体制造成本的降低。 根据德国某公司对已应用零件统计分析，内高压成形件比冲压件平均降低成本 1 5 2 0 ，模具费用降低2 0 - - - - 3 0 。 但在使用内高压成形技术时，也要注意到它的缺点，如生产周期长、液体密 封困难、液压成形机与模具费用高，而且技术尚不成熟，所以对于每一产品在选 择利用该技术之前都需进行可行性分析【1 2 】。 1 3 内高压成形的研究现状与前景 1 3 1 内高压成形国外研究现状 内高压成形技术的具体研究可以追溯到2 0 世纪4 0 年代，美国的j e g r a y 等 人首次采用内压和轴向推力的共同作用制造出了铜质无缝三通管【7 1 。5 0 年代和6 0 年代许多不同国家的学者通过实验和数值研究方法对厚壁圆筒和薄壁圆筒破裂极 限压力和失稳性进行了实验和理论研究，推动了液压成形理论的进一步发展。 f j f u c h s 首次提出了采用液压方式来成形金属零部件，特别是管类零件的胀形 【13 1 。随着超高压液压传动技术和数控技术的飞速发展，2 0 世纪8 0 年代初迎来了 内高压成形基础的研究高潮，在成形件的形状、材料、工艺配置及液压装置方面 形成了许多理论，研究成果也开始走出实验室，在实践中得到检验和应用。2 0 世 纪9 0 年代初开始，德国汽车工业界率先实现了内高压成形的大批量工业化应用。 之后，在欧洲其它国家、北美、日本、韩国等国迅速得到推广。以内高压成形技 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 术为主题的国际学术会议( 如i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nh y d r o f o r m i n g ) ，已成为 国际塑性加工领域著名的系列学术会议之一【1 4 】。 德国p a d e r b o r n 大学的f d o h m a n n 教授以及他的学生在前人研究理论的基础 上，运用有限元模拟及计算机控制技术做了大量的工作。为了加速该技术的应用， 他们确定了许多不同材料在特定环境下的成形极限图【l5 1 。另一个德国学者 s c h m o e c k e l 和他的学生研究了内高压成形过程中的控制参数，运用基本理论并且 在大量实验的基础上，对汽车零部件的可成形性、可生产性、摩擦性质、模具表 面质量和磨损方面进行了深入研究【1 6 17 1 。 在美国，由t a l t a n 教授领导的美国俄亥俄州立大学的工程研究中心专门成 立了内高压成形技术研究小组，并举办了三届液压成形技术会议，成立了管材液 压成形协会，向会员提供液压成形方面的技术资料及最新发展动态，为内高压成 形工艺的提高与普及作出了贡献【1 5 1 。 福特汽车公司的k t h o m p s o n 和国家钢铁公司的s d l i u 等人通过数值模拟 和实验对矩形截面零件的内高压成形进行了分析，利用塑性变形理论分析了管坯 内高压成形的成形极限、屈曲和开裂机理，得到了内压和圆角半径的关系，同时 提到了在成形早期有益起皱的概念【7 】。 日本在内高压成形方面也做了大量研究。f u k u d a 、h o r i 等人使用热态内高压 成形技术制造出了具有复杂截面形状的汽车副车架并于2 0 0 4 年投入到了客车的 生产中【1 引。 s a t o 、h i r a m a t s u 等人提出了采用移动模具的内高压成形技术来成形t 型管接 头。使用这种方法，t 型管接头的分叉高度大大提高，能够达到原始管坯外径的 2 2 5 倍，壁厚分布也有了非常大的改善【1 8 】。其原理如图1 2 所示。 蚓岫咖b姆_蛔 舭 螈沁出 磁黝霖戮粉 p蹦血lrnnl白 图1 2 移动模具成形过程示意图 f i g 1 2s c h e m a t i co ff o r m i n gp r o c e s sw i t hm o v a b l ed i e 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 m a n a b e 等人就内高压成形工艺过程和成形质量的优化进行了研究，并将模糊 控制理论运用到了分析过程中【18 1 。 1 3 2 内高压成形国内研究现状 相对于国外而言，内高压成形技术的发展和应用在我国还处于起步阶段。由 于受到设备条件和密封技术的限制，应用进展仅限于三通管件的成形、波纹管和 自行车零件等。由于没有专用的成形设备，内压与轴向进给还不能够严格控制， 成形压力较低【19 1 。 哈尔滨工业大学是国内最早系统开展液力成形的单位，2 0 世纪8 0 年代中期， 以哈尔滨工业大学王仲仁教授为代表的研究人员开展了壳体内高压关键技术的研 究，首创了球形容器无模液力成形工艺。此外，苑世剑教授以及他的学生在液压 成形技术的成形理论、工艺、液压控制系统、设备方面也做了大量工作，取得了 许多成果。哈尔滨工业大学还专门成立了液力成形工程研究中心，成功地研制了 4 0 0 m p a 高压源和国内首台内高压成形机，填补了国内管材液压成形机的空白 1 9 2 0 o 另外，在中国科学院沈阳金属研究所的张士宏研究员领导下，其课题组在内 高压成形的工艺分析，实验、有限元模拟和设备开发方面做出了卓有成效的研究 工作，取得了实质性进展2 1 2 2 1 。燕山大学、上海交通大学等单位也开展了自己的 研究，做了大量的工作【2 3 _ 2 钔。 1 3 3 内高压成形的研究前景 与锻造、冲压和焊接等传统工艺相比，内高压成形还是一项相对年轻的技术， 在设备、模具、工艺和成形机理方面还需要进行深一步的研究。未来的研究方向 主要有以下几个方面： ( 1 ) 模具的设计研究。由于内高压成形的特殊性，在成形过程中，管坯和模 具之间会发生强烈摩擦，因此在模具材料的选择、热处理、模具结构和减小摩擦 方面都有待研究。 ( 2 ) 内高压成形摩擦的测定。需要开发出合理的装置测定内高压成形不同区 域的的摩擦系数，为制定工艺和数值模拟提供数据。 ( 3 ) 测定管材力学性能参数。主要测定的指标包括弹性模量、屈服极限、泊 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 松比、应变硬化指数和各向异性系数。目前在有限元模拟中，大多数研究者都采 用板材的力学性能参数来代替管材的性能参数，这样做的结果会产生一定的误差。 也有部分学者提出了一些测试方法，但大都代价较高，实现困难，准确性不够。 ( 4 ) 进一步研究工艺过程，提高零件质量。关于冲头的进给速度和胀形压力 的匹配问题一直没有定论，而这却是影响成形的最关键的因素。内压力的加载路 径也大都是通过有限元数值模拟得到的，可靠性不高，对于不同材质、不同形状 特点的构件，特别是经过多次预成形的构件，加载路径还值得进一步研究。 ( 5 ) 提高生产效率和材料利用率，降低投资成本。例如，对于形状复杂的零 件，一般是将其分为多个部分，对每个部分进行液压成形后再组装焊接，其效率 比较低下。现在有专家考虑将液压成形和焊接的顺序对调，即对每个部分预成形 后，先组装焊接，再进行液压成形。这样大大缩短加工时间，提高了效率也提高了 质量。再例如，对于一些强度要求较高的管件，有关专家考虑采用分层成形的方 式，即零件由多层管体组成，对于内外的管体可采用不同的材料，从而避免整个 零件采用同一种材料造成材料的浪费。 ( 6 ) 内高压成形设计准则。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【2 引。 1 4 内高压成形的实际应用情况 2 0 世纪8 0 年代，内高压技术还处于实验和研究阶段，进入9 0 年代，批量生 产的液压成形产品才开始在国际市场上出现。正是在这个时候德国成为最早将内 高压成形技术用于生产汽车轻体构件的国家。近年来，依托于计算机控制技术和 高压液压系统的发展，内高压成形技术被应用到了各种结构件的大批量生产中。 由于内高压成形产品重量轻而质量高的优点尤其符合汽车和飞机元件的要求，因 此，内高压成形技术已广泛应用于汽车工业和航空工业【2 引。 ( 1 ) 汽车工业 内高压成形技术在汽车上的应用最为广泛，占汽车总重量1 5 2 5 的零部件 都可以通过内高压成形来实现。 表1 1 列出了可用内高压技术生产的汽车元件的种类【2 7 1 。 图1 3 1 6 给出了一些用内高压成形方法加工出的汽车零部件的实例。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 可用内高压技术生产的汽车零部件 t a b l e1 1t h ea u t op a r t st h a tc a nb ep r o d u c e db yi h ft e c h n o l o g y 车身底盘转向系与悬架发动机与驱动系 仪表板支架 散热器支架 座椅架 车顶侧围横梁 车顶纵梁 车身纵梁 前置发动机支架 后置发动机支架 梯形臂 牵引杆 保险杠 前桥、后桥 控制臂 从动连杆 转向柱 排气管 凸轮轴 驱动桥壳 发动机轴 曲轴 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 6 仪表盘支架 f i g 1 6i n s t r u m e n tp a n e l s ( 2 ) 航天航空工业 飞机上应用的管件很多，但受到空间和质量的限制，经常要求管件小半径弯 曲，变截面，重量轻，正符合内高压成形的特点。用内高压成形生产的飞机上的 轻体构件有结构空心框梁、发动机上中空轴类件、进排气系统异形管和复杂管接 件等。图1 7 是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4 8 。 图1 7 飞机发动机空心双拐曲轴 f i g 1 7h o l l o wb e n ts h a f to fa i r c r a f te n g i n e ( 3 ) 除了汽车和飞机上的应用，目前还可以利用该技术生产管道工业中用到 的各种类型的管件及管接头，如三通管、多通管、旋转管接头等等。利用由不同 材料组成的复合管材，通过液压胀形成形，可以加工复合管件，以满足不同场合 的要求，例如具有不同热传导的零件，具有较高防腐性能的零件等。还可用于生 产中间带陶瓷材料层的零件，陶瓷材料不仅可以作为保温层，还可以阻碍声波和 震动的传播【2 9 1 。 1 5 本课题主要研究内容 ( 1 ) 以薄壁管( 壁厚和外径的比值小于或等于1 2 0 ) 为研究对象，研究内 高压成形的机理以及工艺过程，根据实验要求，设计一套内高压成形模具，使其 能够完成不同需求的实验。 ( 2 ) 以紫铜管和不锈钢管为试样材料，设计室温下的单向拉伸试验。通过实 验，分析材料的成形性能并获得其力学性能参数，然后分析材料的力学性能参数 对成形工艺有何影响。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 运用弹塑性力学理论，对成形过程中管坯的应力应变进行分析，进一步 了解其变形过程和变形特点。 ( 4 ) 通过理论推导，建立内高压成形各工艺参数之间的关系，结合拉伸实验 的结果，计算出用于成形所需要的液压力。 ( 5 ) 设计一套液压系统，实现对内高压成形工艺过程的控制。 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章内高压成形模具系统的设计 第2 章内高压成形模具系统的设计 2 1 引言 内高压成形模具是内高压成形技术的核心，是保证产品形状、尺寸、精度和 表面质量的最为重要的因素。合理的模具设计和制造能够大大提高模具的使用寿 命，因而对于提高生产效率、降低成本有重要意义。新型的模具结构，对于发展 新品种、新工艺，不断提高内高压成形技术水平起着重要作用。 一副设计优良的模具应该满足以下几个原则【3 0 】：( 1 ) 制造精度高。模具的精 度主要是由制品精度和模具结构的要求来确定的，组成模具的零部件都必须要有 足够的精度，否则模具将不可能生产出合格的制品，甚至会使模具不能正常使用。 ( 2 ) 使用寿命长。模具是比较昂贵的工艺设备，其使用寿命将直接影响生产成本。 如图2 1 所示，是某汽车副车架横梁内高压成形零件费用比例图，模具费用占总 成本的4 3 3 3 ，对成本有着非常重要的影响【3 。因此，除了小批量生产和新产 品试制等特殊情况外，一般都要求模具有较长的使用寿命，在大批量生产情况下， 模具的使用寿命更加重要。( 3 ) 制造周期短。为了满足生产的需要，必须在保证 质量的前提下尽量缩短模具制造周期。( 4 ) 模具成本低。模具成本与模具结构的 复制程度、模具材料、制造精度要求以及加工方法等有关。模具设计时必须根据 制品要求合理设计和制定其加工工艺，努力降低模具制造成本。 5 2 5 1 5 0 图2 1 某内高压成形件的费用比例图 f i g 2 1t h ep r o p o r t i o no ft h ec o s to fa l li h fp r o d u c t 2 2 内高压成形模具的分类 在胀形之前，根据内高压成形模具的型腔是否封闭，可以把内高压成形模具 1 1 东北大学硕士学位论文第2 章内高压成形模具系统的设计 分为两类：开式模具和闭式模具。由图1 1 所示的模具为闭式结构，主要包括上 模、下模、左右冲头等，是生产中常见的一种结构。闭式结构的特点是导向性好， 但与工件之间的摩擦很大。图2 2 所示模具为开式结构，其上下模分别由左右两 块模具组成，在内高压初始阶段，左右两块模具是分开的，随着胀形的进行而逐 渐闭合，使管坯在模腔内成形。采用开式结构，由于模具和管坯之间没有相对运 动，因此其最大优点是无摩擦，但导向困难【3 引。 图2 2 开式模具结构形式 f i g 2 2s t r u c t u r eo f a no p e n e dt o o l 开式模具结构和闭式模具结构的特点比较见表2 1 l a l 】。 表2 1 开式模具和闭式模具的特点比较 t a b l e2 1d i f f e r e n c e sb e t w e e no p e n e dt o o la n dc l o s e dt o o l 本文认为，从成形件品种的单一性与否来分，内高压成形模具也可以分为整 体式模具和组合式模具。其区别在于整体式模具只能成形单一形状的零部件，而 组合式模具通过模具之间的不同组合可以成形不同形状的零部件。如图1 1 和2 2 所示，所成形出来的零部件外形都是固定的，只有一种形状。图2 3 所示为组合 式模具的结构图以及用其所加工的不同形状的零件。 从图2 3 可以看出，组合式模具的特点是显而易见的，它不仅能够加工出不 同形状的零部件，更减少了所需模具的数量，降低了成本，使生产加工更具柔性 特点。本文所设计的模具正是采用了组合式模具结构中最为简单的一种，同时它 也属于传统的闭式模具结构。 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章内高压成形模具系统的设计 中审口移移窜蚰 图2 3 组合式模具结构 f i g 2 3t h ec o m b i n e dt o o l 2 3 内高压模具的失效形式及对零件的影响 模具的失效是指模具丧失了正常的工作能力，其生产出的产品已成为废品。 对内高压成形模具的失效形式进行分析，主要是为了能够更好的指导模具的设计。 在内高压模具的正常工作过程中，模具不仅要承受来自液压机的冲击载荷， 还要承受因管坯发生塑性变形而施加在其上的反作用力，同时对于闭式模具，管 坯和模具表面之间还存在巨大的摩擦力，正是这种复杂的工况引起了内高压模具 的失效。了解内高压模具的失效形式，就可以进一步分析模具的失效原因，从而 在最初设计模具时，就充分考虑引起模具失效的各种因素，在模具用料，结构设 计以及加工工艺等方面采取有效措施，提高模具质量，减轻或者避免模具失效。 内高压模具在服役中失效的基本形式主要有变形失效、断裂、和磨损。 ( 1 ) 变形失效 变形失效主要包括过量弹性变形失效和塑性变形失效。过量弹性变形失效是 指模具在工作过程中所产生的弹性变形量超过模具匹配所允许的数值，使得成形 件的尺寸或形状精度不能满足要求而丧失服役能力的现象。塑性变形失效是指模 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章内高压成形模具系统的设计 具承受的负荷大于其屈服强度而产生了塑性变形，即模具的尺寸和形状发生了改 变，因而不能再服役的现象【3 1 1 。内高压模具出现变形失效的主要原因包括：模具 材料的强度水平不高；模具材料虽选择正确，但热处理工艺不正确，未充分发挥 模具钢的强韧性；模具所承受的内压力或者合模力超过了其自身所能承受的负荷。 ( 2 ) 断裂 模具在服役过程中突然出现大裂纹或分离为两部分或数部分，使模具立即丧 失服役能力的现象属于断裂失效。模具的断裂可分为一次性断裂和疲劳断裂两类。 有时模具在胀形时突然开裂，裂纹一旦萌生后即失稳扩展，称为一次性断裂。常 见的一次性断裂如冲头的折断。疲劳断裂是指模具在服役过程中，在应力最大处 或应力集中处萌生微裂纹，在各种压力的共同作用下，微裂纹缓慢扩展，模具的 有效承载面积逐渐减小，直至外加载荷超过模具的断裂强度，模具发生断裂。引 起断裂失效的原因主要有：模具结构设计不当，应力过大或应力过度集中；材料 存在冶金缺陷；圆角半径不合格，有残留刀痕和热处理裂纹等；模具安装不正确 【3 4 】 0 ( 3 ) 磨损 因摩擦等因素使模具表面发生物质损耗，引起模具的几何形状发生变化而不 能继续服役的现象属于磨损失效。内高压模具的磨损失效主要表现为棱角变圆、 平面下陷、表面沟痕、剥落、粘模等。磨损失效的情况较为复杂，它包括了粘着 磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。在内高压成形的过程中，模具和管坯之 间的接触性压力非常大，摩擦力也相当强烈，某些接触点的局部应力超过了其屈