（材料加工工程专业论文）紫铜三通管复合成形关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 瓶要 1 3 1 6 ，| 紫铜管接头是空调、冰箱、宾馆、化工、机械等的油、气、热水和海水输送管路 上的连接件，规格品种繁多，使用量大面广。采用整体塑性成形工艺代替分段焊接工 艺生产管接头，是当前国际上管、板塑性成形技术研究的热点。选择技术难度最大的 三通管接头作为典型件，对其整体塑性成形即复合成形的关键技术进行深入的研究， 为该项技术的工业应用打下可靠的基础。 采用传统的金属塑性理论和试验方法相结合，对三通管挤压胀形工艺进行了较为 深入的研究，分析了三通管挤压胀形的金属流动过程及应力应变状态。归纳了实现三 通管接头挤压胀形的主要方法，胀形介质的选择，超高压静水压力的产生与控制，影 响挤压胀形工艺的主要因素，提出了塑性介质挤压胀形力的计算公式。 采用塑性力学与冲压工艺相结合的方法，论述了管件弯曲成形过程中的应力应变 分布状态，工艺参数的确定，u 型管弯曲力的计算，导出了立体三通管弯曲力的计算 公式。 设计制造了挤压胀形与弯曲成形的实验模具装置，对三通管挤压胀形和弯曲成形 进行实验研究，得到了基本符合有关技术要求的三通管接头样品，对理论分析所得结 果进行了较为充分的验证。 关键词：立体多通管超高压挤压胀形 超长支管弯曲成形成形力 华中科技大学硕士学位论文 。 a b s t r a c t p u r p l ec o p p e rm u l t i - w a yt u b e sa r ej u n c t i o no ft r a n s p o r t a t i o np i p e l i n es y s t e mf o ro i l 、 g a s 、h o t w a t e ra n ds e a w a t e ru s i n gi na i r - c o n d i t i o n 、r e f r i g e r a t o r y 、h o t e l 、c h e m i s t r yi n d u s t r y a n dm e c h a n i s m m u l t i w a yt u b e sa r eu s e dv e r yw i d e l y a tt h ep r e s e n t ，r e s e a r c hf o c u so f t u b ea n db l a n k p l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yi st os u b s t i t u t ei n t e g e rp l a s t i cf o r m i n gp r o c e s s e s f o rs u b s e c t i o nw e l d i n gp r o c e s s e s m u l t i w a yj u n c t i o nf o r m i n gi st h em o s td i f f i c u l ti n t e c h n o l o g y , t h e r e f o r ei n t e g e rp l a s t i cf o r m i n gr e s e a r c ho fm u l t i w a yt u b e si st h es o l i db a s e o f i n d u s t r ya p p l i c a t i o n c o m b i n i n g t r a d i t i o n a lm e t a l p l a s t i cf o r m i n gt h e o r y 、而t l le x p e r i m e n t m e t h o d t h ep a p e r d e e p l yr e s e a r c hm u l t i - w a y r o b ee x t r u s i o n b u l g ep r o c e s s e s ，a n a l y s i sm e t a lf l o wp r o c e s sa n d s t r a i n s t r e s ss t a t e ，c o n c l u d et h em a i nm e t h o do fe x t r u s i o n - b u l g ea n dm e d i u ms e l e c t i o n ， i n v e s t i g a t eh o w t op r o d u c ea n dc o n t r o lt h es u p e rh i g hs t a t i cp r e s s u r ea n dm a i nf a c t o r so f a f f e c t i n ge x t r u s i o n - b u l g ep r o c e s s e s ，d e t e r m i n et h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a s o f f o r m i n g f o r c eo n p l a s t i cm e d i u me x t r u s i o n - b u l g ef o r m i n go f m u l t i - w a y t u b e j o i n t c o m b i n i n gp l a s t i c m e c h a n i c sa n d s t a m p i n gt e c h n o l o g y , t h ep a p e ra n a l y s i s s t r a i n - s t r e s ss t a t ed u r i n gb e n d i n g f o r m i n g o ft u b ep i e c e ，d e t e r m i n et h et e c h n i c a lp a r a m e t e r , c a l c u l a t eb e n d i n gf o r c eo f u - t u b e ，e d u c ec a l c u l a t i o nf o r m u l a t i o no fb e n d i n gf o r c eo ns o l i d t h r e e w a yt u b ej o i n t as e to f e x p e r i m e n t a ld e v i c eu s i n gt ob u l g ea n de x t r u d et h e t e ej u n c t i o ni sd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d t h ee x p e r i m e n t sa r ep r o c e e d e do nay 2 8 4 0 0 8 0 0t o r t sh y d r a u l i cp r e s s u s i n gc o p p e rt u b eb l a n k s a sag o o dr e s u l t ，t h et e ej u n c t i o ni so b t a i n e d i nt h ee x p e r i m e n t a n d a n a l y s i sa r cu s e d t om a k er e s m t h i g hp r e c i s i o n k e yw o r d s ：m u l t i - w a yt u b es u p e rh i g hp m s s u r e e x t r u d ea n d b u l g e b e n d i n gf o r m i n gf o r m i n g f o m e i i llll 华中科技大学硕士学位论文 1 1 三通管塑性成形的概况 1绪论 随着人们对冰箱、空调的需求越来越多，作为冰箱、空调冷凝器套件的紫铜立体三 通管接头( 图1 1 ) 的需求量也越来越大，在使用中发现焊接紫铜立体三通管接头存在 着生产效率低，使用一段时间以后焊缝脱焊或产生裂缝，且外观质量差等问题。 1 1 1 国外的发展概况 图1 1 冰箱空调器上使用的立体三通管接头 关于用管成形技术生产多通管的研究工作，国内外近年来都以普遍展开。美国和 前苏联在管件的液压胀形工艺方面的研究较早，在二十世纪末期就已经展开，由于研 究工作的展开缺少理论依据，实验数据的缺乏以及昂贵的研究成本，使得对液压挤压 胀形的工艺仅用在航空及军事领域，对管件的研究也仅限于两通管【”。日本在1 9 6 5 年 发表了第一篇关于用铜管液压成形小型无缝三通管的论文，此后关于液压成形的文章 华中科技大学硕士学位论文 就屡见不鲜了，到了7 0 年代就已经能用此方法大批量生产直径达3 0 5 r a m 的钢件，特 别是自行车车架来了解管件一类的多通管件，几乎都是用液压胀形的方法生产的，胀 形压力也达到了1 0 0 3 0 0 m p a ，其中采用了逐渐施压的系统，收到了安全操作，精确调 整内压和提高制件胀形比的效果 2 1 。 8 0 年代初，前苏联挤压胀形等径三通管和等径四通管，其支管的长径比达到了1 2 。 但液压系统中必须使用增压系统才能获得胀形所必须的高压和超高压，存在系统复杂， 技术难度大，投资大，生产率低等缺点1 3 】a 因而早在4 0 年代就已成功的应用在飞机制 造中的橡胶成形技术越来越受到重视，随着高分子化学工业的发展，在7 0 年代末期， 研制成功了多种具有高强度、高弹性和能耐超高压作用等性能优良的橡胶，美国在8 0 年代末期使用聚氨酯橡胶棒代替液体胀形介质，研究成功并生产出了长径比大于2 的 超长支管的三通管，独占国际市场，获得了很好的效益。到9 0 年代末期及本世纪初， 一种新型管件成形介质脱颖而出，那就是低熔点合金，利用低熔点合金作为挤压胀形 介质可得到长径比达3 5 以上的超长支管的多通管h 】【5 】其成形性能得n - y 大幅度提高。 且这种低熔点合金利于管内径小于l o m m 的管件成形，且成形的精度高，表面光滑， 不存在密封问题。 到了9 0 年代，液压胀形成形工艺在各工业领域得到了普遍的关注，尤其是汽车领 域，由于国际上，汽车零部件不断激烈的竞争，加上目前社会的趋势( 人们对环保意识 的增强) 使得生产商不得不生产出重量轻，成本低、安全性能好的汽车【6 】，充分利用管 件的液压胀形技术即可满足这一要求。在1 9 9 6 年的德国液压成形技术会议上，企业家 和科研人员一起探讨有关液压成形的技术以及这一技术在工业上的应用。在1 9 9 9 年9 月份举行的国际塑性加工会议上设立了液压成形专题研究。s c h a f e r 液压成形公司还出 版了液压成形设计手册，总之，液压成形技术在最近得到了飞速的发展【7 1 。 1 1 2 三通管发展的国内现状 国内这方面的起步较晚，但发展较快。1 9 9 3 年前通过积压胀形获得的三通管的长 径比均小于1 。试验成功并投入生产的主要是自行车五通管及面管四通的挤压胀形，这 华中科技大学硕士学位论文 两种支管的长径比仅为o 5 左右。现在，浙江一私营企业，通过多次试验探索，应用聚 氨酯橡胶作介质获得了三通管产品，但制件的内表面质量差，甚至在过渡区壁厚增加 了三倍。华中科技大学锻压教研室精密模锻小组在消化吸收美苏日的先进技术的基础 上，在塑性理论的指导下进行了深入的研究，已成功地解决了多通管塑挤胀形技术中 的若干关键，杨雨春博士利用黄油、低熔点合金介质获得了长径比超过3 的三通管。 上海交通大学用新的挤压胀形工艺代替落后的工艺方案，取得了较好的试验效果，并 通过试验验证了液压成形力的理论验算【8 】。 其后，山东工程学院对三通管胀形专用液压机的设计与研制取得了进展，无锡冶金 机械厂三通管的液压技术在组合凹模的成形进行了研究1 9 1 ，国内对三通管的成形技术的 研究发展迅猛，近期有大量的论文和专门的技术参考书出版。 1 2 目前液压技术的发展方向 由于能量、原材料的短缺及带来的不断增加的成本和对环境控制的需要，材料加工 工业肩负以节约能源与原材料的重任。同时在重工业区又有劳工工资保护的新举措， 使得我们必须去寻求新的替代材料或利用先进的生产技术来对材料的最优化应用 1 0 1 i 忆 目前能满足这一标准的工艺应用是内部高压成形技术【7 】，上一世纪晚期，这一技术 就已经得到了应用，例如用内部高压弯曲特制管，但对特殊几何件的生成很难，也不 可能通过以前的方法生成，由于涉及相对复杂的设备技术，内部高压成形工艺长期以 来一直限制在这种特殊领域，只有在机械设备能充分满足大众需要时，内部高压成形 技术才能得到真正的应用，直到6 0 年代，这一技术才得到了广泛的应用，尤其是在t 型件的应用中1 1 2 1 1 3 1 。 除了汽车排气装置中的歧管逐步取代焊接件和铸件外，越来越多的结构件和支撑件 如汽车上的前后支撑目前都已经采用内部高压成形技术大批量生产，这种技术甚至都 已经应用在更大更复杂的零件中，而且一些传统的生产工艺也被融进内部高压成形系 统中，虽然目前大多数都应用在汽车领域，其他行业也对这种生产方式产生那很大的 华中科技大学硕士学位论文 兴趣充分利用这一新型技术【1 4 】【1 5 】【1 6 】。 为了宣传内部高压成形( i h f ) 这种革新性生产工艺，同时达到让公众皆知的目的， 于1 9 9 6 年成立了v d i 委员会，目的是出版v d i 指南“内部高压成形技术，( 第一本“基 本条件和零件设计”已出版，第二本“i h u i h v 一一机器模具与控制”正在准备中) 使得更多的工程人员熟悉这一工艺【7 j 。 空心零件在现代工业设施及产品中应用广泛，种类繁多，可按其几何形状特点分类。 其中，多通管尤其是三通管，应用广泛而成形困难，是塑性成形空心零件中的一个难 点。本文以三通管为主要研究对象，围绕多通管的成形问题而展开，所使用的分析方 法和所获得的结论对于空心零件的成形将具有较为普遍的指导和参考意义。 1 3 课题的来源及研究意义 本课题来自湖北省自然科学基金“立体多通管超高压挤压胀形技术的基础研究” ( 本课题编号为9 9 j 0 2 5 ) 。 近几年来，空调器的发展很快，尤其在我国发展更快? 空调器中的管接头不仅品 种多、数量多，而且形状奇特，目前普遍采用冲压与焊接生产。然而，无论焊接质量 多好，因空调器运行过程中产生微振动，大多在使用一年左右的时间后，部分管接头 的焊接处由于疲劳损坏而产生漏气现象，严重影响空调器的质量。针对这一情况，美 日等国采用挤压胀形同传统的冲压工艺相结合的方法生产出整体管接头，其支管的长 径比超过了3 ，彻底解决了这一问题。 由以上情况可以看出，研究大长径比的立体三通管接头，其意义为： ( 1 ) 直接由铜管毛坯生产各种新型水管接头的塑性加工技术属于创新技术，此项 技术的研究为塑性加工领域内的国际前沿课题。 ( 2 ) 对于复杂结构的立体三通管接头，其成形过程复杂，对此项技术的研究对发展 空间框架结构的研究具有巨大的指导作用。 综上所述，本文系跟踪国际潮流，以研究大长径比复杂立体三通管接头为契机，采 用理论分析与实验研究相紧密结合的方法，对挤压胀形三通管和平面三通管弯曲成立 4 华中科技大学硕士学位论文 体三通管弯曲成形的普遍规律进行深入研究，对塑性成形复杂空心零件的普遍规律进 行探讨，解决带超长支管( 即支管长径比 1 3 ) 的立体多通管挤压胀形的关键技术，获取 满意的制件。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容如下： 1 立体三通管接头挤压胀形工艺的研究，主要包括：挤压胀形过程中应力应变状 态的分布情况及成形规律，超长支管( 即支管长度管径3 ) 挤胀成形过程中挤压 力、胀形力、平衡力以及合模力的大小，管接头尺寸与原始管坯尺寸的变化关系及原 始管坯尺寸的确定： 2 三通管挤压胀形的方法，胀形介质的选择，超高压胀形力的产生与控制方法，影 响挤压胀形成形工艺的主要因素，内部高压成形工艺对设备的要求； 3 平面三通管通过弯曲变成立体三通管的成形工艺的研究，主要包括：弯曲成形工 程中应力应变的分析，管件弯曲成形时的弯曲力与弯矩的计算，讨论了有关管件弯曲 的最小弯曲半径； 4 立体三通管接头的实验研究，挤压胀形模具和弯曲模具装置的制定，挤压胀形工 艺和弯曲工艺的实施； 5 比较理论分析及实验结果，验证理论及分析的正确性，为工艺及模具的优化设计 提供科学依据。 1 5 本章小结 本章在概述塑性成形空心零件的基础上，论述了目前国内外多通管挤压胀形的实验 研究和理论分析的研究状况及存在的问题，明确了本文采用理论分析与实验研究相紧 密结合的研究方法，说明了本文研究课题的来源、研究目的和意义，阐明了论文的主 要研究内容。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 多通管挤胀复合成形 过程分析及其主要影响因数的研究 在塑性成形技术的发展过程中，复合化一直是一种技术创新的重要途径，其特点 是在成形过程中将原来分属不同范畴的工艺方法组合起来使用“，其目的是节约材料 和能源，减少加工难度和加工工序，提高零件的加工精度，尽可能做到无切削( 即净 形n e t s h a p e ) 或少切削( 即近净形n e a rn e ts h a p e ) 加工，提高劳动生产率和降低成 本，以满足日益发展的工业和社会需求“。 如前所述，若能由无缝管坯通过挤压胀形复合工艺直接获得多通管，比起传统 的铸造、焊接或热挤压制坯后机加工的生产方法，无疑具有明显的优势。 在这方面的研究工作中有不少问题需要解决，首先是必须结合实际情况选择工艺 方案，主要是成形方法、胀形介质、管坯材料、润滑方式和选择所用设备等，同时还 要分析成形过程，明确适合于该方案的多通管所应具备的条件。此外，由于管坯一次 成形为多通管时变形非常大，超过常规条件下获得的成形极限，故应使变形区金属处 于最有利于变形的应力状态，即必须选择一个合适的静水压力状态下，才能够成形。 而应力状态与成形极限间的数值关系非常复杂，目前还没有完全揭示清楚，只有针对 特定的问题。依靠理论分析与实验研究相结合的方法来确定。 2 2 多通管挤压胀形的方法 在多通管的塑性成形中，管坯内表面须作用有非常大的胀形压力q 。超高胀形压 力q 的产生方法有两种：液压法和挤压法。液压法由液压增压系统产生g ，挤压法则通 6 华中科技大学硕士学位论文 过冲头在密闭型腔中挤压胀形介质而获得口。挤压法可根据冲头的数目和结构进一步 分为挤胀复合法和挤胀分离法两种，在挤胀复合法中有一对挤胀冲头，而在挤胀分离 法中则有一对挤压冲头和一对胀形冲头呻1 1 2 “。 根据胀形压力的产生方法可把多通管挤压胀形的方法相应地分为三种：液体介质 挤压胀形、塑性介质复合冲头挤压胀形和塑性介质分离冲头挤压胀形。这三种方法各 有优缺点，适合于不同的场合，分述如下： 2 2 1 液体介质挤压胀形 圜2 1 液体介质挤压胀形三通管示意图 液体介质挤压胀形成形三通管如图2 1 所示，胀形模具由两半模组成，管坯置于 其中，内部的液体通过专门的增压系统提供的内压口的大小与左右两冲头运动无关。 由左右冲头提供挤压力f ，平衡冲头提供支管端部的平衡力f 。在这三个力的作用下， 使得管坯在超高压静水压力下挤胀成形。该方法由于胀形压力场分布最为均匀稳定， 所成形的产品质量最好，在冷成形中应用范围最广。但由于胀形压力要求较高，需数 百甚至上千m p a ，而液压泵只能产生约3 0 m p a 的压力，故须庞大复杂的增压系统，技 术要求高，价格比较高昂，生产率较低。另外，液体介质挤压胀形成形不能应用于如 中碳钢、大尺寸厚壁件等需要加热以提高塑性、减小抗力的场合。 液体介质挤压胀成形主要是应用在t 型件上，直径范围为l o m m 6 0 0 m m ，通过多 模具的使用可达到每分钟1 0 0 件的产出率。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 塑性介质复合冲头挤压胀形 塑性介质复合冲头挤压胀形成形三通管如图2 2 所示，对介质和对管壁两端施压 的冲头为一台阶形结构。挤压胀形时，冲头前端首先进入管坯内对塑性介质施压，使 支管模腔对应的管壁隆起产生胀形，当冲头台阶与管坯接触时，则产生挤压力f ，这 时，管坯在内压力q 和挤压力f 。两个力的作用下产生塑性变形，使支管不断增长。 - - 一_ j 缓溉一 世 竖1 ； a ) 胀形压力建立阶段b ) 稳定变形阶段 图2 2 挤胀复合式成形三通管示意图 内压g 的大小取决于挤胀冲头的运动，胀形介质在由挤胀冲头及管坯内表面构成 的密闭型腔中体积受到压缩而产生。在一般情况下g 可近似为： g ：等 ( 2 1 ) r 式中k 一一介质的体积压缩特性参数，是一个数值较大的常数； y 一一体积压缩量； v 一一介质在任意时刻的体积。 这种方法只适合于具有一定几何特征的多通管。在成形过程中，型腔密闭后无法 补充介质或清除多余介质，即介质体积v 无法改变。由式( 2 1 ) ，为保证鼋的稳定性， 需保持a v 的稳定，即主管金属向支管的转移量必须与主管中的胀形介质向支管中的 华中科技大学硕士学位论文 转移量相协调。 如图2 3 所示，设多通管主管的内径为d ，外径为d ，支管的长度、内径和外径 分别为：h 。、d 。、d 。，h ：、d ：、d ：。设挤胀冲头从位置移动到+ a x 的过程中， 第f 个支管的平衡冲头从虬移动到y 。一觇，即在挤压行程为a x 时，支管增长量分别为： 妙，a y ：。相应地，体积为2 三d 2 血的胀形介质由主管向支管移动，在支管中的 体积为署矸缈，从而有 n ，- d 2 a x = 手砰蛾厶一 厂豇 毒习 b 垒晋良 li一 l| l i| | i l | | 小1 1l a ) 冲头位置为x o b ) 冲头移动了a x 图2 3 塑性介质复合冲头挤压胀形多通管管坯与胀形介质的尺寸关系图 同理，对于管坯金属，压缩量为缸时的体积关系为 詈( d 2 - d 2 ) 血= 署( 研一d ? 埘， 从而可得 岳= t 毋而硝贾苈丽i 式中的系数t = 0 9 1 1 ，由成形初期的体积关系及壁厚t 与压力的变化引起。对于挤 9 华中科技大学硕士学位论文 眶胀形过程，因为壁厚变化不大而认为是均匀分布 d d = d 1 一d l = d 2 一吐= = d ，一4 = = 2 t 故有 鲁- k 泓e a ，+ 2 h ， 两 ( 2 2 ) 满足式( 2 2 ) 就能保证在整个成形过程中挤胀冲头始终与管壁金属和胀形介质同 时相作用。就能建立起稳定的胀形压力。因此，只有尺寸关系满足式( 2 2 ) 的多通管 才能进行塑性介质复合冲头挤压胀形。 这种成形方法除具有冲头结构简单、所需设备和装置较少、操作便利等优点外， 还具有制件的壁厚比较均匀稳定、变化幅度不大的优点，因为型腔密闭后，压力和体 积间具有负反馈效果：若介质的体积压缩量相对增大，即内压增大，管壁就会变薄， 介质的外径增大，体积压缩量减小。内压值降低；若体积压缩量相对减小，即内压减 小，管壁就会增厚，介质的外径减小，体积压缩量增大，内压值增大。这种反馈效果 较强，直接取决于介质的体积压缩特性参数k 。 对于塑性介质复合冲头挤压胀形，挤胀冲头、凹模、管坯及胀形介质的尺寸关系， 决定着胀形的初始压力。在成形过程中，胀形压力的调整较为困难，只能在一定范围 内进行，主要是通过改变挤胀冲头的结构实现。 总之，塑性介质复合冲头挤压胀形多通管具有操作方便、制件的壁厚较为均匀稳 定、模具结构简单、使用寿命较高等优点，但只能应用于满足式( 2 2 ) 的多通管，对管 内径小于l o m m 的多通管的成形可采用这种成形方法。经试验发现，对于细管用液体 作为介质，尤其在超高压状态下密封极为困难，就目前条件，以采用塑性介质为宜， 如在管坯中注入低熔点合金，在挤压力作用下，低熔点合金可自行产生高压，自行封 闭，产生的力场均匀。因此当管内径小于l o m m 时，选用低熔点合金作为挤压介质， 采用塑性介质复合冲头挤压胀形成形的方法成形。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 塑性介质分离冲头挤压胀形 图2 4 塑性介质分离冲头挤压胀形三通管示意图 塑性介质分离冲头挤压胀形如图2 4 所示，内压g 由专门的胀形冲头挤压胀形介 质产生，其数值与挤压冲头无关而由胀形冲头的运动决定。胀形压力的产生机制与塑 性介质复合冲头挤压胀形成形相似，二者的区别在于挤压冲头与胀形冲头是否为一 体。塑性介质分离冲头挤压胀形成形方法中，挤压冲头和胀形冲头分离，通过复合油 缸驱动。 胀形冲头与挤压冲头分离后，与塑性介质复合冲头挤压胀形成形相比较，冲头的 结构和运动较为复杂，并需增添一套驱动胀形冲头运动的机构。但塑性介质分离冲头 挤压胀形成形具有以下三个优点： ( 1 ) 超高胀形压力g 的产生及调整较为容易。g 与管坯内径对应的面积之乘积就是 胀形冲头的推力，故口的调整可通过调整胀形冲头的运动实现。若胀形冲头采用液压 缸驱动，只需调整液压缸的油压p 。就可调整g ，并且有 州争2 p ， 式中d 一一液压缸的缸径； d 一一为胀形冲头工作部位的直径。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 具有几乎和液体介质挤压胀形成形一致的效果，应用范围较广。 ( 3 ) 对胀形介质的密封要求较低。 与液体介质挤压胀形相比，塑性介质分离冲头挤压胀形在增加冲头运动复杂性的 同时避免了庞大而昂贵的液压增压系统，其优点为设备投资较小、生产率高、而且成 形效果较好。但冲头的使用寿命较低，模具结构较复杂，且不能应用于管坯尺寸太小 的场合。 2 3 多通管挤压胀形过程分析 将筒形件或管坯向外扩张成为曲面零件的成形方法称为胀形。根据毛坯变形的不 同，胀形可分为自然胀形和轴向压缩胀形两类。自然胀形，也称为纯胀形，即在胀形 过程中，零件的成形主要靠毛坯壁厚的变薄和轴向自然收缩( 缩短) 而成形。轴向压 缩胀形，即在胀形的同时，沿管坯轴向施加挤压力而进行压缩成形，故也称为塑挤胀 形3 。 纯胀形时管坯在胀形压力的作用下产生双向拉伸，壁厚变薄而表面积增大。在管坯 成形为多通管的过程中，纯胀形的应力应变状态只会使管壁变薄甚至开裂而得不到大 的长径比，因而在成形三通管时必须采用胀形与挤压复合的工艺方法，即挤压胀形工 艺【2 3 l 【2 4 1 。 。 胀形力是成形支管和防止金属向内凹陷折叠所必须的。内部压力。施加挤压力的目 的在于使管坯金属向变形区域流动，不断补充支管延伸所需的金属，抵消在胀形力作 用下管壁变薄的趋势。同时，支管端部还应施加有较大的平衡力，使支管区域的金属 由两向拉应力较大一向压应力较小的应力状态变为两向压应力较大一向拉应力较小或 三向压应力状态。只有在管坯内表面受到胀形力作用、两端受挤压力作用、支管端部 受平衡力作用，且这三个力数值均较大，并保持合理的比例关系，变形区域的金属才 能处于较高的静水压力和有利于塑性变形的偏应力状态，获得超出常规成形极限的大 变形，才能够用管坯一次成形为带超长支管的多通管制件。 以塑性体为胀形介质三通管的成形方法为例，分析其成形过程，按其力学特性分为 华中科技大学硕士学位论文 三个阶段，自由胀形阶段( 如图2 5 ) 、挤压胀形阶段( 图2 6 ) 和稳定变形阶段( 如 图2 7 ) ，分述如下： 图2 5 三通管自由胀形阶段示意豳 1 自由胀形阶段，如图2 5 所示，从管坯开始发生塑性变形直到冲头轴肩碰到管坯 端部为止。在冲头移动过程中，冲头端面首先和塑性介质接触，塑性介质被迫发生形 状变化，充满由冲头端面及管坯内表面所构成的密闭空间，此过程压力不大。在冲头 进一步向前移动时，塑性介质压缩，压力急剧增大，直至管坯发生塑性变形。此后， 塑性介质随着管坯一起变形，体积几乎不再变化，建立起基本均匀稳定的压力场。在 此阶段，管坯金属只受到塑性介质产生的胀形压力和凹模的约束作用，在主管型腔和 支管型腔的过渡区产生凸起。此时，管坯的最大变形量是由金属容许的壁厚变薄量和 自由状态下管坯能承受的压缩量所决定。 华中科技大学硕士学位论文 图2 6 三通管挤压胀形阶段示意图 2 挤压胀形阶段，如图2 6 所示，从冲头轴肩碰到管坯端部挤压胀形开始直至支管 端部金属碰到平衡冲头为止。此时，管坯受到轴向压力只和弹性介质产生的内压 f 9 2 象的作用，处于复杂应力状态。整个冲头所受到的作用力为：f = f i + r 2 ，挤压 、 力e 和胀形力e 的比例关系很重要，若鼻比e 大得多，介质就不能产生足够的内压支 撑管壁防止起皱；反之则没有金属的补充流动，管壁会严重变薄，甚至破裂。 3 稳定变形阶段，如图2 7 所示，从支管端部金属同平衡冲头接触开始，直至成形 结束。此时，管子受到三种力的作用，巧、e 和平衡力f ，。其中，e 和e 比在第二 阶段有明显增大，这时金属处于较高的静水压力作用下变形。当这三个力的数值较大 并保持合理比例关系时，金属处于超高压静水压力和有利于塑性变形的偏应力状态下 变形，能够获得较长的支管。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图2 7 三通管稳定变形阶段示意图 2 4 影响挤压胀形的主要因素 如前所述，为得到大变形三通管，成形必须在多个外力的作用之下，金属必须在 合适的偏应力状态和超高静水压力作用下变形。当过渡区被内压胀形形成的凸起，在 强大的平衡力作用下使弧形端部变为平面，形成支管的端盖而成为传力区，支管的高 度就随冲头的挤胀行程成倍地增长。 对于多通管的挤压胀形过程，其影响因素比较多，主要有： 1 工艺力和挤压胀形速度。 多通管成形过程中需要作用有四个力：挤压力、胀形力、平衡力以及合模力。前 三者是成形力，其大小及比例关系非常重要，直接决定着变形金属的应力应变状态， 决定着材料的变形能力、变形方式和大小。其中，挤压力作用于管坯端面，平衡力作 用于支管端部。胀形力由胀形介质产生，作用于管坯内表面。胀形介质对于胀形力场 的大小及分布的影响非常显著，若选用弹性体和塑性体为介质时，还会在管坯内表面 产生不利于大变形的摩擦阻力。因此，应认真选择合适的胀形介质，严格控制成形力 华中科技大学硕士学位论文 阴天，j 、o - 合模力使两半凹模在成形过程中始终保持紧密接触，保证模具型腔具有准确的尺 寸。若合模力较小，挤压胀形时管材就会沿分模面挤出，形成飞边，飞边象加强筋一 样造成较大的变形阻力。因而合模力应足够大，避免管坯金属流入分模面。 当冲头运动速度在5 m 形以下时，变形速度对变形过程的影响并不明显，仅影响 着流动应力。而当冲头速度较高时，材料的成形性能降低，故应在生产率允许的前提 下应尽可能减小挤压胀形速度。 2 模具尺寸精度及表面质量 ( 】) 模具型腔的形状尺寸及精度，特别是过渡区圆角半径的大小，这将直接决定 管坯的变形和摩擦力的分布；模具的制造及装配精度，在定量分析中往往为简化问题 而忽略那些不对称及偏心部分的成形过程，这也正是造成理论分析和试验结果问有较 大偏差的重要原因之一。 ( 2 ) 模具的表面质量，主要是指模腔表面粗糙度，粗糙度越低，即表面越光滑， 金属流动阻力就越小，有利于支管的成形。 ( 3 ) 模具的刚度和强度，直接影响着制件的几何形状和尺寸精度。 另外，当采用液体介质时，模具的精度还较大地影响着超高压液体的密封，决定 着成形能否进行。因此，在技术经济合理的情况下，模具加工精度应尽可能提高，刚 度应尽可能大。 ， 3 挤压冲头的运动及其精度，主要指两个挤压胀形冲头或挤胀冲头应保持同步运 动的精度。冲头运动的同步性影响着变形的对称性，对变形大小影响较为强烈。若冲 头运动不能保持同步，在过渡区域将产生较大的剪切变形，非常不利于获取长支管。 故应采用有效措施以保证同步运动精度，如在液压系统中采用同步油缸，在机械装置 中采用等臂杠杆等。 4 管材质量，主要包括材料的化学成分、金相组织和微观结构、管材的各向异性， 管材的表面质量和力学性能等，这些因素都会严重影响着管材的塑性变形能力和成形 性能。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 5 润滑剂的选择，摩擦力会导致应力应变场分布的不均和变形抗力的增大，工件 表面擦伤等，故应采用合适的润滑剂并保持良好的润滑状态，以便减小摩擦。 2 5 胀形介质的选择 胀形压力依靠胀形介质产生和传递，胀形介质是影响压力场最为重要的因数之一， 也是决定工艺方案可行性和影响制件质量的最为重要的因素之一。胀形介质的选择必 须根据挤压胀形的方法和特定的多通管进行。 目前常用的介质有如下几种【2 6 】1 2 2 】： 1 流体，如在室温下可使用油液、油脂等。由于，液体介质的胀形最大的优点是 流体产生的力场分布均匀稳定且流体介质与管坯内腔无摩擦，使材料在最有利的条件 下成形，可得到超长的支管，并且工艺简单，成本低，所得零件表面光滑，质量好， 应用范围广泛。但由于胀形压力大，密封非常困难。还需要有一套庞大的增压与控制 系统才能实现。 经实验发现，对管坯内径小于l o m m 的三通管，利用液压胀形实施起来很困难，因 此对细长管坯应采用其他胀形介质。 2 弹性介质，胀形力分布基本均匀，且外力撤除后能恢复原状，可方便地从制品 内取出，生产便利其成形精度高，便于加工形状复杂的零件。能够耐高压( 上万个大气 压) 又具有较好机械性能的弹性介质主要是高分子化合物，如聚氨酯橡胶，它具有优良 的力学性能，已成功地用于自行车车架管接头的生产中。其缺点主要是弹性介质与管 坯间有较大摩擦，又由于弹性介质变形的阻尼作用，在支管区域及过渡区处胀形压力q 比主管区域有较大的降低，不能得到较长支管，应用范围较窄，只适合于支管的长径 l v d , 于1 的场合。此外，弹性介质硬度越高，弹性模量值越大，对缺陷的敏感性就越 大，其加载压缩曲线和回程的卸载曲线不重合，耐高温、高压和耐水解性能较差；当 支管长度较大时，聚氨酯橡胶棒无法退出。 3 塑性体，如铅锑合金、低熔点合金、橡皮泥等，可认为是粘度极大的流体， 所产生的胀形力分布也较为均匀，其优点在于可产生很高的压力，在挤压力的作用下， 华中科技大学硕士学位论文 塑性介质可自行产生高压，自行密封，可得到很长的支管，利用这种方法成形的三通 管所需的模具结构简单。在成形过程中，塑性体的变形会在管坯内表面产生不利于 大变形的摩擦阻力。同时，塑性体充填管坯及从制件中清理掉都比较麻烦，生产率 较低。 对无法应用液体介质胀形的细长管坯可采用塑性体介质。 综上所述，若能解决密封问题，最适宜大变形多通管挤压胀形的介质是流体，其次 就是塑性体，再其次是弹性介质【4 】【5 1 。 2 6 内部高压成形工艺对设备的需求 由多通管挤压胀形工艺可知其胀形过程为：将注满塑性介质的管坯置于下半凹 模，开动压力机，滑块下行，使上下两半凹模闭合并压紧，然后两个水平冲头对管坯 两端施加挤压胀形力，当支管长径比接近其挤压胀形的成形极限时，平衡油缸对支管 管端施加作用力，即平衡力，两个挤压胀形冲头，而平衡冲头后退，直至成形结束。 当挤压胀形结束后，首先两挤压胀形冲头后退，然后挤j 墨f j 1 + 滑块带动上半凹模回程， 将工件从下半凹模取出，这就完成了一个工作循环。 若是采用液体介质时，则两挤压冲头将管坯两端封闭后，对管坯内部注入高压 液体。挤压胀形结束后，首先将介质卸压。 。 由此可知，挤压胀形可采用专用压力机，也可采用通用压力机加上一套挤压胀 形模具装置来实现。无论那种设备，除满足动作要求外，而且要求压力可调，速度可 调【2 7 1 。 2 7 本章小结 1 分析了多通管挤压胀形的工艺方法和成形过程，研究了影响挤压胀形工艺过 程的因素及其控制方法； 2 讨论了影响三通管成形的主要因素； 华中科技大学硕士学位论文 3 研究了不同胀形介质的性能、优缺点及适用范围，为胀形介质的选择提供了 依据； 4 研究了多通管挤压胀形的实施方案，对设备性能提出了具体要求； 5 研究方法和研究结论对于空心零件的成形也将具有较为普遍的指导和参考意 义。 华中科技大学硕士学位论文 3 三通管挤胀复合成形过程的理论分析与计算 3 1 引言 在生产实践中，为了提高胀形系数，通常在采用胀形的同时，将毛坯沿轴向进行 压缩。采用轴向压缩的结果，使胀形区的应力、应变状态得到了改善，有利于提高成 形性能。 对管坯所施加的轴向压缩力和对胀形介质施加的压力可同时进行，也可分别进行， 根据第二章有关介质的选取，我们所选用的介是低熔点合金铅，对于铅而言，其体积 的变化随压缩的变化不大可忽略不计，因此对管坯和低熔点合金铅的压缩胀形可同时 进行，这对模具的设计和制造带来了方便，同时选用铅作为胀形介质，可假定胀形介 质与管坯在挤胀成形工程中无摩擦，管坯与介质看作一个整体，使得变形力的分析与 计算变得容易。同时胀形系数也可很大。 在引入一些合理假设的基础上，才能够分析应力应变的分布情况和计算成形力。 、 分析应力应变分布的主要目的在于判断工艺的可行性、评价成形后的性能指标、优化 工艺及模具设计。计算成形力的主要目的则是作为选择挤压胀形设备和模具设计的依 据。 3 2 三通管的尺寸变化关系与管坯计算 管坯长度按体积不变原理进行计算，且假设挤胀成形过程中管壁厚不变。如图3 1 所示，设主管及管坯外径为d ，内径为d ，管坯长度为，。，在挤胀过程中某一瞬时主管 长为，支管高为h 。 两等径园柱体相交，公共部分的体积y 1 可由积分公式求出【2 2 1 ： 詈= p = r 出厂2 厄而= 争 华中科技大学硕士学位论文 由上式可得d = 0 的三通管( 即实心体) 的体积为： v = 号d 2 ( ) - 譬 捌3 1 = 通霄霄坯计算t 寸关系图 从而能够建立起计算三通管管坯尺寸的体积关系： - ；( d 2 - d2 ) i p = d 2 - d 2 州州一竿+ 詈d 2 ( 删) 上式中右边第三项为支管段盖的体积，从而可得到坯料长度的计算公式： ，：三+ 日一4 ( d 2 + d d + d 2 ) + 生 3 3 三通管液压胀形应力应变分析 对于带超长支管的三通管的挤压胀形，其一，管坯内腔必须作用有胀形力，这主 要是由胀形介质的体积受压后产生的；其二，管坯端部必须作用有挤压力，它由冲头 的轴肩产生：其三，支管的端部必须作用有平衡力，其产生方式可有多种。只有在这 三个力的协同作用下，管坯变形区金属才有可能处于强大的三向压应力状态，才有可 能得到大变形。这三个力中，内压的作用，一是起胀形作用，即在挤压胀形开始时使 处于支管型腔的金属通过交薄而产生隆起的鼓形；二是压迫管坯金属使之紧贴凹模而 不发生向内弯曲或折叠等失稳：三是建立超高的静水压力。挤压力的作用是改善主管 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 三通管挤压胀形原理及变形区的应力状态 一一 2 2 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 为三通管挤压胀形原理及变形区应力状态分布图，长度2 ，0 、直径2 r 和壁 厚s o 的原始管坯，置于可分凹模型腔中。挤压胀形时，管坯受内压q ，轴向挤压力q l 不断增加，直到所需长度为止。支管端部的反向支撑力q 2 ，其作用在减小甚至抵消支 吒( 加- 1 ) 1 n 击 一旷丽守 旷哪粼击邶 w , ( 2 + m ) + ( 1 - m ) i n k p i n 一旷 霸零产 ”一丽05璃rsin&shz 华中科技大学硕士学位论文 r ( 1 十c o s 盛6 暑+ 叩) m = o 兰 ( c o s 曰砌素) 2 r 为系数，考虑因内压q 和支管端单位支撵力q 2 的差别而导致在支管侧壁上 的应力的影响。 叩= 舞舭警等+ 等州 式中： r 一一毛坯外半径。 r 一一支管外半径； r 一一支管与主管相交处半径； a 系数，口= 等； q 2 - - - - 支管端部支撑力， g ：= 蒙导；、 o 。一一材料屈服应力。 由方程组可以看出，应力分量不是随圆柱坐标系统不变的，而是随着塑挤胀形过 程的变化而变化的。经分析不难得出：在主管的端部oz 、o 。和o 均为压应力，0 ： 是出挤压力q l 引起的，其方向与毛坯的轴线平行。毛坯外表面承受径向应力口。的作 用，而内表面承受均匀的内压的作用。因受刚性凹模模壁的限制，主管端部的切向变 形为零，属于平面应变状态，故有 c r o ；( + 戊) 内压的作用效果是使整个管坯塑性区的壁厚变薄，使过渡区金属向支管型腔拉伸 变形。若胀形压力不足，金属的厚向压应力不够而轴向压力过大，出现失稳，管坯向 内凹陷：若胀形压力过大，金属在较强的拉应力作用下变形，壁厚变薄严重。挤压力 则是使主管及过渡区呈增厚趋势，若其值过大，胀形压力就会相对不足，出现失稳； 华中科技大学硕士学位论文 其值过小，则管坯变薄明显。平衡力使支管及过渡区壁厚增加。这三个力应保持合理 的数值关系，同步增长。若平衡力增大，挤压力及胀形力也应相应增大。这三个力增 大到一定程度时，摩擦、模具变形等对成形的不良影响效果也同时增强，故这三个力 应在一定范围内取值。 挤压力、胀形力与平衡力三者间合理的数值关系是挤压胀形技术中的关键之一， 目前有很多关于成形力研究方面的论文出现【3 l 】【3 2 】 3 3 】【3 4 】，但这种关系是很难用纯理论推 导得出，需要采用理论分析与实验研究相结合的方法得到。 3 4 成形力的计算 3 4 1 单位胀形力的计算 _ 动 、 、 内压q j蓁1 l 一肺西姑礴然蕊强强碳掰l 一 一i 舅掰硷穗猁贻愆绺炊蜊l c 届部放大 、 、 b i 一 圈3 3 三通管挤压胀形示意图 利用低熔点合金作为三通管塑挤胀形的介质与用聚氨酯橡胶和液体作变形介质 相比，其工程力的计算公式是不一样的，将融化的低熔点合金直接浇入管坯内部，为 了清除低熔点合金内部的气孔与疏松，将挤压冲头的前端做一矮凸台，凸台外径等于 管坯内径。其胀形过程可以认为是一整体毛坯的径向挤压过程，三通管在挤胀成形过 程中，要受到三个力的作用，即管坯两端的挤压力f l ，胀形介质的内压力q 以及支 管端头的平衡力f 。为了计算挤压胀形力，可将注满低熔点合金的管坯可看作实心圆 柱体。其挤压力与平衡力的作用状态如图3 3 所示。这种带有侧向平衡力的挤压胀