（机械设计及理论专业论文）固体颗粒介质成形新工艺及其理论研究.pdf

摘要 摘要 本课题来源于河北省自然科学基金项目“金属管材固体颗粒介质胀形新工艺及 其理论研究( 项目编号：5 0 2 1 7 7 ) ”。 通过对目前传统胀形工艺的深入分析和研究，提出了固体颗粒介质成形工艺 ( s o l i dg r a n u l e sm e d i u mf o r m i n gt e c h n o l o g y , s g m f ) 固体颗粒介质成形是采 用固体颗粒代替刚性凸模( 或弹性体液体) 的作用对管坯进行胀形的工艺该新工艺 与传统软模成形工艺的重要区别不仅在于传压介质的不同，而且由于传压介质的改 变，导致了其成形规律的不同本工艺及其理论研究在国内外尚无报道，在飞机航天 器和汽车等领域具有广阔的应用前景。 自行设计制造了固体颗粒介质传压性能试验与测试装置；首次通过试验测得了 固体颗粒介质的传压规律，给出了固体颗粒介质体积压缩率的幂指函数定律；建立 了非均匀内压作用下的载荷模型：线性载荷模型和余弦载荷模型对薄壁管受非均匀 内压作用下，薄壁管的弹性加载进行了弹性力学分析，得到了薄壁管初始屈服时的 变形及内力( 应力) 分布计算公式。 设计出6 种典型工件形状和模具结构；设计实施了试验测试方案，通过试验， 试制出了合格典型工件通过对各种典型工件的胀形，取得了大量试验数据，为本了： 艺的应用和理论分析提供了试验依据通过管材固体颗粒介质成形的塑性理论研究， 建立了薄壁管在非均匀内压作用下的变形模式：对薄壁管自由变形区应力应变进行 了深入全面分析，导出了自由变形区的应力应变和壁厚分布规律；对3 0 4 不锈钢的 计算值和试验实测值进行了对比。 根据局部变形时圆角部分成形特性，提出了两种角部贴模计算模型来描述角部 成形规律，即无摩擦条件下的滑动模型和摩擦条件下的滑动模型，并且给出薄壁管 局部成形的角部贴模的内压计算公式在理论上首次证明圆管在方形模具内胀形时， 圆角半径存在最小值，也就是成形圆角半径不可能为零，并给出了理论计算公式运 用弹性理论和s w i f t 分散性失稳理论以及h i l l 集中性失稳理论，建立了屈曲起皱破 裂失稳的管材成形极限理论首次给出了非均匀压力下，短管变形模式的破裂成形极 限判据，打破了负应力比条件下，板材不可能产生失稳的结论理论分析表明长管变 燕山大学工一学博士学位论文 形模式的破裂成形极限判据仅为短管变形模式在长径比p = 。时的一种特例，由此 得出的结论将更具有一般意义。 通过固体颗粒介质传压性能和管材成形试验，表明管材固体颗粒介质成形的理 论计算与实际试验吻合较好本文提出的理论分析是j f 确的，为管材固体颗粒介质成 形的实际应用提供了可靠的理论依据，具有重要的理论意义和实际应用价值固体颗 粒介质成形试验证明本新工艺在原理上是可行的，具有明显的创新优势，为根本解 决低塑性难变形管材成形提供了一条有效途径可以预测，该工艺的实际应用必将产 生显著的经济和社会效益。 关键词 固体颗粒介质；胀形；薄壁管；塑性成形：模具；成形极限；应力；应变 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h i ss t u d yc o m e sf r o mt h e p r o j e c to fh e b e ip r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef i m d s o l i d g r a n u l e sm e d i u mf o r m i n gt e c h n o l o g ya n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ( n o 。o ft h ep r o j e c t ： 5 0 2 1 7 7 ) ” o nt h eb a s i so ft h et h o r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt r a d i t i o n a lf o t r u i n g s o l i d g r a n u l e sm e d i u mf o r m i n gt e c h n o l o g y ( s g m f 、i sa d v a n c e di n t h i sp a p e r i ti san e w t e c h n o l o g yw h i c ha d o p t ss o l i dg r a n u l e sm e d i u mi n s t e a do fr i g i dp u n c h ( o re l a s t o m e r , l i q u i d ) t oa c h i e v et h eb u l g ef o r m i n go ft u b e i td i s t i n g u i s h st h ec o n v e n t i o n a ls o f t - t o o l f o r m i n gn o to n l yf r o mt h es o r to ft h ep r e s s u r em e d i u mu s e d ，b u ta l s of r o mf o r m i n gl a w s b e c a u s eo ft h ed i f i e r e n c eo ft h em e d i u m t h et e c h n o l o g ya n di t st h e o r e t i c a lr e s e a r c hh a d n o tb e e nr e p o r t e do v e rt h ew o r l d i tw o u l dh a v ew i d ea p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so fp l a n e s p a c ec r a f t ，a n dc a rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h ee x p e r i m e n to fs o l i dg r a n u l e sm e d i u mp r e s s u r ea n dt h et e s t i n ge q u i p m e n tw a s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di nt h i sp a p e r n 坞p r e s s u r ed i s t r i b u t i n gl a w sa r eo b t a i n e df o r t h ef i r s tt i m et h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h ep o w e rl a wo ft h es o l i dg r a n u l e s v o l u m e - c o m p r e s s i b i l i t yi sp r e s e n t e d ；a n dt h el o a dm o d e lu n d e rt h en o n u n i f o r i l li n n e r - p r e s s u r e - - - t h el i n e a r1 0 a dm o d e la n dc o s i n el o a dm o d e l e 1 a s t i cl o a d i n go ft u b et h a ts u b i e c t st ot h e n o n u n i f o r m i n t e r - p r e s s u r e i s a n a l y z e db ye l a s t o m e c h a n i c sm i dt h ef o r m u l a sf o r c a l c u l a t i n gt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fi n i t i a ly i e l ds t a t ea r eg a i n e d t h es i xk i n d so ft y p i c a lw o r k p i e c e sa n dd i ew a sd e s i g n e d ，e x p e r i m e n t a lt e s t i n gw a s a c c o m p l i s h e d ，a n dd e s i r e dw o r k p i e c e sw a so b t a i n e db yc o n d u c t i n gt h ee x p e r i m e n t a m u l t i t u d eo fe x p e r i m e n t a ld a t ah a db e e no b t a i n e df o rt h ep r a c t i c a la p p t i c a t i 0 1 3 a n dt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h et e c h n o l o g y b yp l a s t i c i t yt h e o r yr e s e a r c ho ft h ef o r m i n g ，t h e f o r m i n gm o d e lo ft h et h i n w a l l e dt u b eu n d e rt h en o n u n i f o r r ni n t e r - p r e s s u r ei sk n o w n a n d a n a l y s i so f t h es t r e s sa n dt h es t r a i no f l h ef r e ef o t r u i n ga r e a sw a sa e c o m p l i s h e d t 1 1 ef r e e f o r m i n ga r e a ss t r e s sa n ds t r a i na n dt h e1 a w so ft h ew a l lt h i c k n e s sh a db e e nd e r i v e d t o t a k es t a i n l e s ss t e e l3 0 4a sa l le x a m p l e ，ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed a t ag a i n e df r o m c a l c u l a t i o na n dt h o s eg a i n e df r o me x p e r i m e n ti sm a d e a c c o r d i n gt ot h el o c a lf o r m i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ec i r c u l a ra r c ，t h ep a p e rp r o p o s e st w o c a l c u l a t i o n a lm o d e l so fa n g l e - p a r to fk e e p i n gc l o s et ot h ed i et od e s c r i b et h el a w so f a n g l e - p a r tf o r m i n g t h e ya r es l i pm o d e lh a v i n gn of r i c t i o na n dt h a th a v i n gf r i c t i o n b e s i d e si ta l s ob r i n gf o r w a r dt h ei n n e r - p r e s s u r et a l c u l a t i o nf o r m u l a so ft h ea n g l e p a r to f k e e p i n gc l o s et ot h ed i ew h e nt h ep a r to f t h et h i n w a l l e dt u b ed e f o r m e d f o rt h ef i r s tt i m e i ti sp r o v e da c a d e m i c a l l yt h a tt h ec i r c u l a ra r cr a d i u so f t h et u b eh a dt h em i n i m u mv a l u ea s t h et u b ef o t r u i n gi nt h eq u a d r a t ed i e ，i e t h er a d i u so ft h ec i r c u l a ra r ew o u l dn o tb ez e r o ， a n dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a sa r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ee l a s t i c i t yt h e o r y , s w i f t sd i f l u s e i n s t a b i l i t yt h e o r ya n dh i l l sl o c a li n s t a b i l i t yt h e o r y , t h et u b ef o r m i n gl i m i t sf o rw r i n k l i n g b u c k l i n ga n db u r s t i n gw e r ea t t a i n e d t h eb u r s t i n gl i m i tc r i t e r i o no fs h o r tt u b e su n d e r n o n u n i f o r mp r e s s u r ei sf i r s tt i m es u g g e s t e d t h e 也e o r e t i c a la n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h e d e f o r m a t i o n m o d e lo f l o n g t u b eo n l yr e p r e s e n t s t h a t o f s h o r t t u b e i n t h ec o n d i t i o n t h a t p = 1 1 1 燕山大学工学博+ 学位论文 di st h er a t i o no ft h el e n g t ht ot h er a d i u s ) ，t h ec o n c l u s i o nw o u l db ec o m m o nb y s i g n i f i c a n t t h ee x p e r i m e n to ft h es o l i dg r a n u l e sm e d i u mp r e s s u r ea n dt h et u b ef o r m i n 叠i n d i c a t e s t h a tt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni si i 1g o o da c c o r d a t l e ew i t ht h ep r a c t i c a le x p e r i m e n ts ot h a t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h ep a p e ri sc o r r e c t a st h er e l i a b l eb a s i cw o r kf o rt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fs o l i dg r a n u l e sm e d i u mf o r m i n g i ti ss i g n i f i c a n tb o mt h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l y 1 1 1 ee x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a tt h et e c h n o l o g yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c h t os o l v et h ep r o b l e mo f t u b ef o r m i n gt h a th a d l o wp l a s t i c i t ya n di sd i f f i c u l tt od e f o r m i ti s p r e d i c t e d t h a tt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o ft h e t e c h n o l o g y w o u l db r i n gb e n e f i t e c o n o m i c a l l yt ot h es o c i e t y k e y w o r d s s o l i dg r a n u l e sm e d i u m ；b u l g ef o r m i n g ；t h i n - w a l l e dt u b e ；p l a s t i cf o r m i n g d i e ；f o m f i n gl i m i t ；s t r e s s ；s w a i n i v 第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于河北省自然科学基金项目“会属管材固体颗粒介质胀形新工艺及 其理论研究( 项目编号：5 0 2 1 7 7 ) ”。 作者在对管材液压胀形工艺进行了深入的理论和实验研究基础之上，提出了既 能克服刚性模胀形和软模胀形的缺点，而又吸取了各自优点的新的成形工艺固 体颗粒介质成形工艺( s o l i d g r a n u l e s m e d i u m f o r m i n g t e c h n o l o g y , 缩写为：s g m f ) 。 固体颗粒介质成形是采用固体颗粒代替刚性凸模( 或弹性体、液体) 的作用对管坯 进行胀形的工艺。本工艺在国内外尚无报道。由此发展而来的“固体颗粒传压介质 的板料精密成形新工艺及其理论研究”课题还得到了国家自然科学基金的资助( 编 号：5 0 3 7 5 1 3 7 ) 。 1 2 课题背景 精密成形技术是现代制造技术中非常活跃和重要的一个发展方向，是先进制造 技术的重要组成部分，是现代计算机技术、新材料、精密加工和测量技术与传统成 形技术( 铸造、锻造、焊接等) 相结合的产物，其目的在于使成形的制品达到或接 近最终产品的形状和尺寸，并且可以优化质量，缩短制造周期，降低成本。其发展 方向是精密化、高效化和轻量化。近年来，精密塑性成形制造技术发展迅速，已突 破了以提供毛坯为主的粗加工范畴，向部分取代切削加工、焊接加工，直接生产半 成品或成品零件的方向发展，扩展了塑性成形的应用范围，且具有生产效率高、零 件质量好、产品成本低、节约原材料和节能等优点，已成为塑性成形技术中极为重 要的一个生长点【1 2 】。其中，空心零件的塑性成形技术是发展尤为迅速的一项绿色 制造技术。它以管料或圆筒为加工对象，综合运用了弯曲、局部成形、胀形等工序， 从而获得复杂的空心零件( 如图l 。1 所示) 。 另一方面，在飞机、航天器和汽车等领域，节约材料、减轻质量和运行中的能 量一直是人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术发展的趋势之一。进入9 0 年 燕山大学上学博士学位论文 代以来，由于燃料和原材料成本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。除了采用轻质材料外，减轻质量的另一个重要途经就是 在结构上采用“以空代实”和变截面等强构件，即对承受以弯曲或扭转载荷为主的 构件，采用空心结构，这样既可以减轻重量，节约材料，又可以充分利用强化效应 增加材料的强度和刚度。内高压成形正是在这样的背景下开发出来的一种制造空心 轻质构件的先进制造技术。因此，管材内高压成形在当代工业生产中占有十分重要 的地位。 图1 - 1 液压成形零件图 f i g 1 1w o r k p i e c e sf o r m e dw i t hh y d r o f o r m i n g 管材内高压成形是以管材为毛坯，在管坯内部高压介质产生的成形压力作用下， 使管材产生塑性变形的加工技术。实际上，管材内高压成形是对管材的二次加工， 故属于管材深加工技术范畴。 近年来，德国、美国及日本已将该成形技术用于机器零件的制造。目前，应用 内高压成形技术生产的部分产品已成功应用于汽车、航空、航天等领域。 金属管材内高压成形工艺是在内压力作用下，依靠材料的拉伸变形，使直径较 小的管坯沿径向向外扩张的成形工艺，属少无切削加工先进制造技术。在胀形工艺 中，既可实现对管坯的局部胀形，也可对整个管坯进行胀形。管材内高压成形可以 在机械压力机、液压机或专用设备及其他专用装置上完成。 目前，国内外对管材内高压成形技术主要有刚性模成形和软模成形两类。采用 刚性分块式凸模成形时，称刚性模胀形。利用弹性体( 聚氨脂橡胶、天然橡胶或石 蜡) 或液体( 矿物油、乳化液或水) 、气体代替刚性凸模的作用对管坯进行成形时， 2 第1 章绪论 称软模胀形。石蜡胀形、气体胀形应用很少。近年来又产生了采用低熔点合金作为 传压介质的塑挤胀形，但应用很少。 1 3 国内外发展概况及本课题的研究意义 1 3 1 内高压成形技术的国内外发展概况 金属管材内高压成形工艺，特别是液压胀形工艺( i h pf o r m i n g ) 一直是制造空 心零件的较好方法。该工艺属于少无切削加工、精确( 半精确) 成形技术，因此在 国内外受到广泛重视。日本、德国、美国等国都对该技术做了大量研究。液压成形 在汽车工业、航空工业、卫生洁具制造中已广泛应用 2 】o 在汽车中的排气管、凸轮 轴、散热器框架、前后轴、发动机支架、曲轴、坐位支架、车体零件和空间框架中 均能够发现该工艺的应用实例( 见图1 - 1 ) 。成功的应用是宝马( b m w ) 汽车5 0 0 系列后车轴。奔驰( m e r c e d e sb e n z ) 汽车排气多支管，别克( b u i c kp a r ka v e n u e ) 汽车内室围栏、发动机支架，c o r v e t t e 汽车底梁、驾驶室弓形粱和仪表面板梁都广 泛采用液压成形工艺制造，并已取得了较大的经济效益。但目前国内外管材胀形均 采用刚性模胀形和软模胀形( 包括弹性体胀形、液压胀形) 工艺两类方法成形，但 各自均存在不足，从而限制了传统胀形工艺的更广泛应用。 1 3 1 1 刚性模胀形工艺简介刚性分块式凸模胀形如图1 2 所示【钔。凸模1 由若干 扇形块拼成，套在锥形芯轴2 上。当压力机滑块压下锥形芯轴时，各分块凸模沿芯 轴锥面向外扩张，使管坯3 产生径向增大，从而获得管件所需形状。胀形结束后， 锥形芯轴恢复到初始位置，以便将胀形后的管件取出。 在传统刚性分块式凸模胀形中，凸模和凹模的加工极为困难，特别对有些曲面 胀形模更是如此。零件的成形实际上既不按凹模，也不按凸模型面成形，而是按材 料的性质自然形成的。这就不可能使零件的尺寸及形状完全符合图纸的理论要求。 另外，在刚性分块式凸模胀形工艺中，分块凸模与管坯之间存在较大摩擦力，且胀 形内压力的分布不均匀，使得材料的切向应力应变分布亦不均匀，降低了胀形系数 的极限值，允许变形量较小，壁厚减薄严重，降低了零件的强度和使用寿命。由于 分块凸模间存在间隙，因此成形后的零件表面有时会残留明显的直线段和棱角，导 致成形后的零件几何精度难以保证。另外，刚性分块式凸模胀形的模具结构复杂， 燕山大学工学博士学位论文 不便加工。但该工艺生产效率较高，因此，刚性分块式凸模胀形工艺适用于精度要 求不高，变形量较小，生产批量较大的管类胀形【”。 1 分块凸模2 芯轴3 管坯4 凹模 图1 - 2 刚性分块凸模胀形 f i g 1 - 2r i g i dp u n c hf o r m i n g 1 3 1 t 2 弹性体胀形工艺简介弹性体胀形是利用弹性体( 通常为聚氨酯橡胶) 作 为传力介质，对管坯进行塑性成形的工艺4 1 ( 见图1 3 ) 。 1 压头2 组含凹模3 成形件4 聚氨酯橡胶 图l - 3 弹性体胀形 f i g a 一3 t u b e sf o r m i n go f e l a s t o m e r 利用聚氨酯橡胶胀形的工艺与刚性分块式凸模胀形和其他方法成形相比，具有 很多优点】： 4 第l 章绪论 ( 1 ) 模具结构简单若用传统刚性分块凸模胀形，凸模和凹模都需要作成分块结 构。若采用聚氨脂橡胶作为凸模或凹模时，利用聚氨脂橡胶受压后横向膨胀而卸载 后自行恢复的特点，可以制成整体，因而不存在凸、凹模在制造上的配合问题，模 具结构和制造均可大为简化。 ( 2 ) 提高了成形零件的质量采用聚氨酯橡胶作凸模时，只要刚性凹模符合零件 图纸的理论要求，则零件成形时，可以完全按凹模型面成形，贴模性好。另外，用 传统刚性分块凸模成形时，在零件表面难免会出现刚性凸、凹模镶块分界面的直线 段痕迹( 见图1 2 ) 及压痕和刮伤等，而采用聚氨酯橡胶胀形模成形时就可以完全避 免。 ( 3 ) 生产率高因为聚氨酯橡胶是整体的，而且，它与压头联结在一起，操作极 为方便。 ( 4 ) 不需要密封不存在液压胀形中的密封困难，以及油、水损失和污染等问题。 但弹性体胀形工艺也有很多缺点 4 1 ： ( 1 ) 弹性体耐高温性能较差，例如聚氨脂橡胶，一般不宜在8 0 。c 以上的条件下工 作。 ( 2 ) 弹性体弹性模量较大，且硬度愈高，弹性模量值愈大，故对缺陷的敏感性很 强( 应力集中严重) 。因此弹性体使用寿命比较短，增加了加工成本。 ( 3 ) 一般弹性材料( 如聚氨脂橡胶) 的加载一压缩一回弹一卸载曲线不重合，即 通常所说的滞后现象。滞后现象会导致橡胶自身发热，尤其在大变形( 变形量超过 3 0 ) 和高速变形情况下更为严重。由于弹性体发热，导致其使用性能下降，甚至 不能正常工作。为此，必须对压缩变形量和压力机的速度予以限制。 ( 4 ) 山于弹性体的弹性曲线一般为非线性，其压缩量、硬度、尺寸、形状、单位 压力等因素对胀形均有影响，故在设计时很难把握，往往需要反复调试，不便实现 计算机智能控制。 1 3 1 3 液压胀形工艺简介液压胀形是利用液体( 水或油) 代替刚性凸模或弹性 凸模( 如聚氨酯橡胶、p v c 塑料等) 的作用，使管坯在液体压力作用下产生径向扩 张的成形方法，5 】( 见图1 4 ) 。 液压胀形多用于生产表面质量和精度要求较高的复杂形状零件。由于液体压力 便于控制，特别适用于大、中型零件成形( 与橡胶胀形压力受限相比) ，一般胀形赢 燕山大学工学博士学位论文 径可达2 0 01 5 0 0 m m 左右。 液压胀形通常采用两种方式：一种是液体直接作用在坯料上，即直接加压液压 胀形法；另一种是液体通过橡皮囊间接地作用在坯料上，即橡皮囊液压胀形法。 l 左压头2 管坯3 上模4 右压头5 下模 图1 4 液压胀形 f i g 1 - 4h y d r o f o r m i n g 与传统的冲压、焊接工艺相比，液压成形工艺具有以下优点【1 ，2 】： ( 1 ) 减轻重量，节约材料。通过对零件壁厚合理的设计和组合，可以极大地减小 零件重量。对于空心轴类件可以减轻4 0 5 0 ，有些件可达7 5 。与冲压焊接的 组合件相比，汽车上用液压成形的空心结构件重量可减少2 0 3 0 。 ( 2 ) 由于零件数目和模具数量的减少，降低了模具成本。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。如，汽车副车架零件，其成形模具由6 个减少到1 个；散热器支架零件由1 7 个减少到1 0 个。 ( 3 ) 减少了不必要的后续机械加工和组装焊接工序。内高压成形零件不需要焊接 部分，但在液压成形的时候可能冲孔。由于后续机械加工工序的减少，极大的提高 了材料利用率。以汽车散热器支架为例，散热面积增加4 3 ，焊点由1 7 4 个减少到 2 0 个，装备工序由1 3 道减少到6 道，生产率提高6 6 。 ( 4 ) 提高强度、刚度与硬度，尤其疲劳强度。仍以散热器支架为例，垂直方向强 度提高3 9 ；水平方向提高5 0 。 ( 5 ) 降低生产成本。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 j 最件平均降低生产成本1 5 2 0 ，模具费用降低2 0 3 0 。 尽管该工艺有很多优点，管材液压成形也有一些难以克服的缺点： 6 第1 章绪论 ( 1 ) 生产效率低，生产周期长，设备成本高，模具结构复杂，需专门液压系统供 液，因而设备投资较大，不宜用于大批量生产。 ( 2 ) 胀形模具或装置需要严格密封。由于成形过程中密封很难保持，易产生泄漏， 因此，导致液压成形的成品率低，这在很大程度上限制了该工艺的应用。 ( 3 ) 液压成形介质传压特点是压力均匀分布。但均匀分布的压力并不利于成形件 厚度的控制和材料成形极限的发挥。在成形过程中，一旦某处材料出现局部变薄， 将极易在该变薄区产生颈缩破裂。 ( 4 ) 当成形失败( 局部破裂) 时，油液飞溅，污染环境，危及操作工人。 在美国俄亥俄州州立大学e r c n s m 和研发中心已经建立了由零部件制造、材 料和设备供应商联合进行管类液压成形的研究机构。在该机构中，他们主要针对液 压成形工艺进行材料、润滑条件以及材料成形性能、模具设计和工艺控制等方面的 研究。 1 3 1 4 内高压成形技术在国内外的应用在内高压成形技术中，最具代表性的是 液压胀形技术。世界上很多发达国家都对其投入大量精力进行研究。目前，液压胀 形工艺在国外的应用相对于国内而言已经达到一个较高的水平，特别在航空、航天、 汽车及管道工业等领域得到广泛应用 1 - 1 3 】： ( 1 ) 航空航天工业近年来，液压胀形技术在国外航空工业的应用迅速发展。主 要用于复杂零件、连接零件的生产，用以取代传统的冲压和焊接零件。例如，飞机 上的轻体构件、空心结构框梁、发动机上的中空轴类件、进排气系统异型管和复杂 管接件等。图1 5 是采用胀形工艺制造的航天飞机铝合金零件。 图1 - 5 采用液压胀形技术制造的飞机零件 f i g 1 - 5 h y d r o f o r m e dp a r t su s e di nt h ea e r o s p a c ei n d u s t r y ( 2 ) 汽车工业德国于2 0 世纪7 0 年代末开始胀形工艺的基础研究，并于2 0 世纪 9 0 年代初率先开始在生产中采用液压胀形成形技术制造汽车轻体构件。德国奔驰汽 燕山大学i ：学i 尊士学位论文 车公司( d a i m l e r e b e n z ) 于1 9 9 3 年建立液压胀形成形车间；宝马公司( b m w ) 已在其几个车型上应用了液压胀形成形的零件。目前，在汽车工业中，大约有3 0 0 种薄壁零件采用液压成形技术生产。2 0 世纪9 0 年代以来，4 0 0 0 0 k n 专用液压胀形 机生产线已经诞生。目前在汽车上应用的胀形成形零部件主要有：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。 采用轻金属材料可以减少车身重量，优化汽车动力性能。图1 6 为德国宝马汽 车( b m w ) 采用全自动液压成形生产线生产的铝合金汽车后桥。美国克莱斯勒 ( c h r y s l e r ) 汽车公司于1 9 9 0 首先应用胀形技术生产了仪表盘支架。目前美国最大的汽 车公司通用汽车公司( g m ) 已采用胀形技术制造了发动机托架、散热器支架、 下梁、棚顶托梁和内支架等空心轻体件。据一项调查表明，估计到2 0 0 6 年北美生产 的典型车型中将有5 0 零件管件采用液压胀形技术制造。 图1 - 6 德国宝马( b m w ) 汽车铝合金汽车后桥 f i g 1 - 6 a l u m i n i u mr e a ra x l e ，b mw g e r m a n y ( 3 ) 其他应用除了采用液压胀形工艺生产汽车和飞机上使用的各种轻体件外， 目前还利用该技术生产了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。采用胀形工艺加工的空心阶梯轴完全可以取代采用传统 工艺加工的阶梯轴。与弯曲工艺结合，还可加工轴线为曲线，截面为圆形、矩形或 其它形状的空心构件。通过连接和成形复合，可加工出轻体凸轮轴。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，具有不同热传导率的零件，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。 国内有些企业采用胀形方法加工三通管、波纹管、旋转管接头等管件和自行车 第1 章绪论 零件，但成形压力较低，内压与轴向进给的控制也不严格。用液压胀形工艺制造汽 车、飞机等机械零件在国内尚处于起步阶段。 1 3 2 管材内高压成形技术的研究进展 由于液压胀形技术是内高压成形技术中最具代表性的工艺，因此，国内外关于 内高压成形的研究主要集中在液压成形方面。对液压成形技术的研究水平代表了内 高压成形的研究水平。 1 3 2 1 液压成形技术的研究进展管材液压胀形成形方法在不同时期和不同的国 家有着不同的名称 1 - 2 0 1 。早期，一般称之为管材胀形成形( b f t ：b u l g ef o r m i n go f t u b e ) 和液体胀形成形( l b f ：l i q u i d b u l g e f o r m i n g ) 。其后的一段时间内，液压成形( h p f ： h y d r a u l i cp r e s s u r ef o r m i n g ) 已被很多研究人员所使用。在德国，制造者则将这种工 艺称为内高压成形( 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 ) 。 虽然管材液压胀形工艺用于实际工业生产只有短短十几年的时间，但该项技术 的发展及其理论体系的建立却可以追溯n - 十世纪4 0 年代。g r e y 首次利用内压力 和轴向压力成形了带t 型头的铜管1 9 。5 0 年代到6 0 年代期间，d a v i s 对含碳量中等 的钢管在内压力和轴向拉伸载荷下的变形情况进行了实验研究，以获得其在胀形变 形时的屈服和破裂特性。f a u p e l 、c r o s e l a n d 和d i e t m a n n 等人通过实验和数值分析研 究厚壁管胀形时的破裂极限压力。到了6 0 年代，一些国家的研究者对薄壁管胀形中 的失稳现象进行了实验和理论研究。这些对厚壁管和薄壁管的基础性研究在当时极 大的促进了液压胀形技术的发展。人们开始研究如何将该项技术运用到生产实际中 去。f u c h s 首次发表了将液压胀形用于金属成形，确切的说是金属管件成形的文献。 在文章中，他叙述了自己对铜管进行液压胀形成形的实验研究情况，提出了将该项 技术用于实际生产的可行性。而其后的一些研究成果也进一步增加了这种可行性。 o g u r a 和u e d a 公布了用低碳钢和中碳钢管材成形t 型头的实验结果。他们采用内压 力和轴向压力共同作用成形出各种规格的t 型头，并从实验中获得了较准确的成形 t 型头的内压力和轴向压力的工作区域。同时，a 1 q u r e s h i 和他的研究小组首次利用 聚氨酯来提供内压力，在无轴向压力的条件下对多种材料进行了胀形实验，并获得 了成功【9 1 。 到了2 0 世纪7 0 年代，许多学者继续通过实验和理论分析对胀形工艺的各个方 烈山大学丁学博士学位论文 面进行了研究。在这5 一时期，新材料、新没备、新工具不断出现。例如，除了聚氨 酯，橡胶和人造橡胶也都被作为传压介质用于管材的胀形成形中。l i m b 和他的同伴 对各种壁厚管材进行了液压胀形研究。他们的研究结果表明，在施加轴向载荷时， 增大内压力能够使管材变形部分更好地与模具的模腔贴合。在研究中，他们也注意 到了管材传力区壁厚增加的现象，并对管材在不同润滑条件下的胀形进行了实验研 究。 在进行大量实验研究的同时，对液压胀形工艺过程的理论研究和数值分析也得 到了快速的发展。w o o 在假设整个管坯在胀形中都处于拉伸状态和自由膨胀的状态 的基础上，对胀形过程进行了理论研究。他将通过双向应力测试获得的管材应力一 应变特性用于理论计算，并通过实验进行了验证。p o w e l 和a v i t z u r 运用上限法将内 压力表示成管材材料特性及几何参数的函数。s a u e r 发表了关于管材胀形颈缩准则 的理论和实验研究的论文，在假定胀形过程中轴向应力与周向应力比值恒定的前提 下，数值计算结果与实验结果吻合较好。w o o 在他的研究中也考虑到了管材的各向 异性的特征。他采用h i l l 的各向异性理论，在考虑金属管材各向异性影响的条件下， 对应力和应变进行了理论分析。胀形技术在理论分析及数值计算上的快速发展，为 将胀形工艺应用于生产实践提供了坚实的理论基础，使得人们能够通过数值计算方 法来获得比较合理的可成形的管件形状，制定出比较合理的加载路径，并选择合适 的设备。 从2 0 世纪8 0 年代开始，日本学者对胀形技术的研究集中到了管材材料特性及 其对胀形过程的影响上。m a n a b e 和n i s h i m u r a 研究了硬化系数和各向异性对管材液 压胀形过程的影响，推导出了最大内压力与初始管径、初始壁厚、材料应变硬化指 数等材料参数在无轴向载荷作用下的函数关系。m a n a b e 对铝管在内压力和轴向压力 共同作用下胀形的成形极限进行了理论分析和实验研究。在他的实验中，内压力和 轴向载荷均通过计算机系统进行控制，以获得预先制定的加载路线。 f u c h i z a w a 运用塑性增量理论对有限长薄壁管的胀形过程进行了分析，研究了硬 化指数对极限胀形高度的影响，运用塑性理论和薄膜理论对胀形成形的成形极限进 行预测，并将内压力和胀形最大管径用管材初始长度、初始管径、硬化系数和应变 硬化指数来表示。在这之后，f u c h i z a w a 基于形变理论和h i l l 各向异性理论研究了薄 壁管在只有内压力作用时，管材的各向异性对胀形变形过程的影响，并将管材液压 1 0 第1 章绪论 胀形方法用于测定管件材料的应力应变特性，分别对铝管、铜管、钛管在仅施加内 压力的条件下进行测定。先进的测试仪器和控制系统的出现，使得胀形过程中管材 壁厚、周向半径、子午向半径及内压力的变化都能够被准确的测得，运用薄膜理论 和形变理论就可得出管件材料的应力、应变关系。 t h i r u v a r u d c h e l v a n 用液体作为加压介质对轴向压缩液压胀形进行了实验和理论 研究。他利用计算机来控制实验过程和采集数据，并尝试通过优化轴向载荷数值以 获得更大的成形高度。u e d a 经过大量实验，成功地用液压胀形方法加工出了各种规 格的齿轮变速箱。h a s h i m i 和他的研究小组通过实验、数学分析和有限元法对轴对称 件和非轴对称件的胀形过程进行了研究。t o n g h a i 用上限法来计算和预测胀形过程中 最大内压力和轴向载荷的大小。他通过对铅管的自由胀形研究，发现当轴向应力和 周向应力的比值处于1 到0 的范围内时，对管材的胀形成形非常有利。但在当时的 实际生产中，要将应力比控制在这个范围是比较困难的。 除了以上学者对胀形工艺的研究以外，d o h m a n n 和他的学生们从2 0 世纪8 0 年 代早期开始，也对液压胀形技术的各个方面进行了研究。他们的研究基于以前的理 论研究成果和该技术在当时实际生产中的应用情况，在实验和理论分析中采用了不 断发展的有限元分析方法和计算机控制技术，获得了各种特定条件下的变形能力曲 线，加快了该项技术在实际生产中的应用。s c h m o e c k e 对胀形工艺参数的控制和胀 形工艺所能获得的可能的工件形状进行了研究，在实验室中用厚壁管成形出了阶梯 轴状的管件，并将其运用到实际生产中【9 叫4 1 。 现在，用有限元方法对液压胀形过程进行模拟已成为许多学者研究和验证理论 分析的重要手段。利用大型有限元软件如m a r c 、d e f o r m 、a u t o f o r m 、l s d y n a 、p a m s t a m p 、a b a q u s 等对胀形过程进行模拟，能够对管件在胀形过程 中的变形情况，例如管材壁厚的减薄、是否有屈曲、折皱等失稳现象发生以及管件 在特定加载路径下的成形极限等进行预测，以制定出合理的加载路径，设计出合理 的模具形状” 19 1 。为了缩短胀形工艺的开发时间和减少开发成本，有限元模拟方法 本身也在不断地发展之中，例如，自适应技术在有限元模拟中的应用。自适应技术 通过在合理的内压力和轴向进给量之间迭代，以保证工件在成形过程中不会发生破 裂和起皱现象，从而制定出更合理的胀形工艺。 从以上液压胀形工艺研究的发展历程可以看出，胀形工艺的研究经历了从单纯 燕山大学工学博士学位论文 的实验研究到理论分析与实验研究相结合，再到现在的理论分析、实验研究和数值 模拟相互验证的过程【4 19 1 。 1 3 - 2 2 粘性介质成形技术的研究进展 采用固念的聚氨酯橡胶、液态的水或油等 材料作为传力介质