先进板材液压成形技术及其进展.docx

塑性工程学报j o u rn al o f pl a s t ic i t y en gin e er in gvol1 13no1 3j u n12006第 13 卷 第 3 期2006 年 6 月先进板材液压成形技术及其进展 3(北京航天航空大学 板料成形研究中心 , 北京100083)李涛郎利辉周贤宾摘 要 : 文章立足于板液压成形这种先进成形技术 , 面向创新 , 介绍了其原理及特点 , 并分类探讨了板液压成形技术最新进展 , 指出了今后的发展趋势 。关键词 : 板液压成形 ; 拉深 ; 板料中图分类号 : t g394文献标识码 : a文章编号 : 100722012 (2006) 0320030205供了机遇 。板液压成 形作 为一 种 先进 的加 工 工艺 ,具有模具成本低 、模具制造周期短 、成形极限高等 特点 , 与传 统 工艺 相比 , 液压 成 形即 节约 了 能源 , 降低了成本 , 又适应了当今产品的小批量 、多品种的柔性发展方向 , 受到世界各国学者的一致关注 。引言液压成形是指采用液态的水 、油或粘性物质作传力介质 , 代替刚性的凹模或凸模 , 使坯料在传力 介质的压力作用下贴合凸模或凹模而成形 , 它是一 种柔性成形技术 。根据成形对象的不同 , 液压成形 技术可以分为壳液压成形 (如图 1 所示) 、板液压成 形 (如图 2 所示) 和管液压成形 ( 如图 3 所示) 3 类 1 。近年来 , 由 于汽 车 和 航 空 工 业 的 快 速 发 展 , 大量冷成形性能差的新材料和结构复杂的零件得到 了越来越多的应用 , 这为板液压成形技术的发展提图 3 管液压成形工艺fig1 3 the p roce ss of t ube hydrofo r ming1板液压成形的原理及特点与传统板成形工艺不同的是 , 板液压成形中用液体来代替或用液体辅助成形 。板液压成形技术可 以分为很多种 , 图 2 为其 中较 为 典型 的一 种 方法 ,即液压拉深成形 。此种方法是利用在凹模中充以液体 , 凸模下行时 , 凹模液压室中的液体被压缩产生 相对压力将毛坯紧紧的贴在凸模上 , 形成有力的摩 擦保持 效果 , 使工 件完 全 按凸 模形 状 成形 。另外 , 在凹模与板料下表面之间产生流体润滑 , 减少有害 的摩擦阻力 , 这样不仅使板料的成形极限大大的提 高 , 而且可以减少传统拉深时可能产生的局部缺陷 , 从而成形出精度高 、表面质量好的零件 。由于液体的运用 , 使得板液压成形有着摩擦保 持 、溢流润滑等特点 。与传统工艺相比其优越性如下 :1) 成形极限提高 , 减少了工件的成形次数和退 火次数 , 以及配套模具数量和成本 。2) 成形零件的回弹性小 , 工件的表面质量和尺 寸精度得到提高 。图 1 壳液压成形工艺fig1 1 the p rocess of shell hydrofo r ming图 2 板液压成形工艺fig1 2 the p roce ss of sheet hydrofo r ming3 国家自然科学资金资助项目 (10577001) 。李 涛 e2mail : lit ao1003 so hu1 co m作者简介 : 李 涛 , 男 , 1977 年生 , 山 东 日 照 人 , 北 京 航空航天大学 , 博士 , 主要研究方向为板材柔性成形技术 收稿日期 : 2005206211第 3 期李涛 等 : 先进板材液压成形技术及其进展313) 模具结构简单 , 加工精度要求较低 , 通用性好 , 配套数量少 。非常适合于现代小批量 、多品种 的柔性加工的要求 。4) 由于液体的应用 , 可以成形室温下一些难成形的材料 , 如镁合金 、铝合金 、钛合金 、高温合金 以及复杂结构拼焊板等 。5) 可以加工形状复杂的零件 。橡皮囊成形技术的优点是设备成本低 , 并能避免板料的污染 ; 其缺点是橡皮囊易损坏需经常更换 ,不能进行热成形 , 能量损耗较大 , 不易控制板材的 流动 , 所以在实际应用中受到了限制 。21 2 液压拉深技术液压拉深 (如图 2 所示) 是在加橡皮囊的液压成形之后发展的 , 与加橡皮垫的液压成形相比 , 它 省掉了橡皮隔膜 , 增加了压边装置 , 能显著提高生 产率 。1958 年 , 日本的春日保男博士首次提出了液 压拉深技术 。他指出凹模圆角处板料垂直拉深力是 决定溢流压力的主要因素 , 利用数学解析的方法解 释了摩擦保持效果和溢流润滑效果 , 并推导出生成 溢流压力的理论公式 , 并在其后用铜 、铝和软钢等 材料进行了实验验证 。欧 、美 、日本等国家较早地开展了工艺试验研 究及设备的开发工作 , 随后虽有一些工业应用的实 例 , 但应用范围仍不广 。20 世纪 70 年代中期以后 , 日本学者对这项工艺进行了较 为 细致 的试 验 研究 , 提出了一些抑制破裂等成形缺陷的措施 , 使液压拉 深工艺进入了实用阶段 , 广泛用于反光罩和雷达罩 、 航空部件及汽车覆盖件的生产 23 。1977 年 , 丹麦学者 l a r se n 4 针对马达罩的液压 拉深成形过程 , 就板料初始反胀效果对零件成形性 的影响进行了研究 , 提出初始反胀有助于零件的成 形 。以后的研究工作主要集中在 aal bo r g 大学 58 进行 , 在双动液压机上研究液压拉深技术 , 取得了 良好的效果 。在我国自从江阴拖拉机厂采用这种方法生产出 第一件产品 油底壳后 , 这种新工艺在我国也逐渐得到了重视 9 , 正在推广和运用 。哈工大康达昌等 1011 基于通用单动液压机发展特种装备 , 用此方 法一道次拉制出复杂的不锈钢深方锥盒形件和大拉 深比的筒形件 , 并已应用在实际生产中 。并在此基 础上提出了液压变薄拉深新工艺 12 。20 世纪 70 年代末至 80 年代初 , 出现了一批液 压拉深设备的专业制造厂家 ,德国 、美国也都竞相推 出了各种规格的液压拉深专用设备 ,并都形成了系列 定型产品 1314 ,如日本的 a m in o 铁工所及瑞典的 a p & t 公司都生产专用的液压拉深设备 。其中 , 日 本发展尤快 。日本丰田汽车厂已建成了以 40000 kn 超级大型液压拉深机为中心的冲压生产线 ,成形重达7 kg ,平面尺寸达到 950 mm 1300 mm 的大型板金覆 盖件 ,引起世人关注 13 ,15 。尽管板液压成形有着一些明显的优势 ,其缺点 :但也有1) 凹模型腔内的液压压力会对凸模下行产生阻抗作用 , 因此所需成形设备的吨位要比传统成形的 吨位高 。2) 由于液体的应用 , 密封问题必须考虑 。3) 因工件成形后还需要液体补充等工序 , 因此 生产效率不如传统工艺高 。2板液压成形技术的分类及其发展板液压 成形 过程 中 有许 多关 键 技 术 问 题 , 如 :最大程度地提高 成形 极 限 ; 改 善工 件的 局部 变 形 , 有效防止拉裂和起皱 ; 更有效地加工难成形的材料 及形状 复 杂的 零件 ; 增快 换 模速 度 , 提 高生 产 率 ; 降低成形设备的成本及自动化程度等 。为此国内外 学者在成形工艺分析 、有限元数值模拟 、以及成形设备等方面做了大量研究 , 许多典型的 、具有鲜明 特点的成形方法被提了出来 。21 1 橡皮囊液压成形如图 4 所示 , 即在成形过程中有一个橡皮隔膜 将液体介质与板坯分隔开 , 凹模被省掉 。图 4 橡皮囊液压成形工艺fig1 4 rubber2diap hragm hydrofo r m p roce ss美国 、德国和日本相继于 20 世纪 50 、60 年代开发了此种技术 。基于此项技术原理 , sabb 公司 研制了实用型的橡皮囊液压成形机 。并在 1963 年 , 和 a s ea 公司合作 , 开发了 q u in tu s 液压机 。此 液压机采用钢带缠绕增强技术 , 减轻了成形机框架 的重量 , 增强了液室的强度 。至今 , 这项技术仍在 应用 。32塑性工程学报第 13 卷中 18 。近年来 ,此种成形方法日益受到了重视 ,并相应地发展了大吨位的成形机械 ,可以达到 60 000t 。21 3 周向加压液压拉深技术周向加压的液压拉深成形 ( 如图 5 所示) 是将 高压液体引至工件凸缘的外周边 , 所产生的径向力 推动板料向凹模内流动 ; 同时在坯料与压边圈 、凹模之间形成双面流体润滑 , 进一步降低了接触面上 的摩擦力 , 从而可使冲头拉力降低 , 减小坯料径向 拉应力的数值 , 使成形极限得到进一步提高 。此外 , 凸缘区的应力状态也由单纯的径向拉力区变为径向3板液压成形创新技术及其发展31 1液压成对成形技术液压成对 成形 ( 如图 7 所 示) 是 德 国 20 世 纪90 年代后期提出的一种板料 成形 新工 艺 1921 。因成形 液 压 力 较 高 , 又 称 为 板 材 内 高 压 成 形 , 简 称hb u 。板件成对液压成形时 , 首先将叠放的两块平 板毛坯放置在上下 凹模 中 间 , 压 边后 充液 预 成形 , 边缘切 割 , 对 边缘 采用 激 光焊 接技 术 焊接 。然后 , 在两板间充入高压液体 , 使其贴模成形 。这种成形 属于内高压成形 , 适于成形腔体零件 。这种成形是 靠板料变薄来成形的 , 对于上下型腔不一致的成形 , 上下板料的变薄情况也不一样 , 因此可以考虑采用 非焊接的形式 , 但若两块板料直接接触 , 由于摩擦 的作用 , 两块板料成形时会相互影响 , 鉴于这种情 况 , 德国学者提出改进 , 在中间加了一块隔板以减 小相互作用 。这种成形技术是一种软凸模成形技术 , 与一般的成形工艺相比可减少模具数量 ; 因采用液 压加载 , 模具不易损坏 , 寿命提高 ; 产品与模具贴 合程度好 , 零件冻结性好 , 残余应力通过高压塑性 变形接近完全消除 , 弹复小 ; 板材成形极限可明显 超过拉深工艺和纯液压胀形工艺 。这种工艺技术尤 其适用于形状复杂 、尺寸多变的大型板料零件的生 产 。拉力区和压力区 ,避免在这一部位产生拉裂 。图 5fig1 5轴向加压充液拉深技术hydro2rim deep drawing日本的中村和中川 15 对筒形件和方盒形件自然增压拉深变形时形成的缺陷进行了研究 , 提出了减 少失稳 、提高成形极限的各种优化方法 , 进而发明 了可以极大提高成形极限的新的液压拉深方法 周向加压液压拉深技术 。此后又把周向径向加压的 方法用于反向再拉延 , 可进一步提高反向再拉延的 成形极限 。21 4 液压机械拉深技术德国学者 16 于 20 世纪 50 年代开始进行此项工 艺的研究 , 提出了一种把密封安装在板材与凹模上 表面之间来防止液体从凹模中溢出的新方法 , 即液 压 机 械 拉 深 成 形 方 法 ( 如 图 6 所 示 ) 。1967 年 ,b ue r k 17 研究此项工艺后指出 : 成形过程中 , 由于 液压的作用 , 板料悬空部分形成反胀的现象 , 形成 软拉深筋 , 可防止 板料 在凹 模 圆角 处的 起皱 现 象 , 对提高成形极限具有很重要的作用 。图 7 液压成对成形技术fig1 7 hydrofo r ming of sheet metal p air s中科院金属研究所 2223 对液压成对成形技术进行了改进 , 密封结构采用了垫密封 , 对于不同形状 和尺寸的零件不再需要更换中间加压板 , 而且密封垫还具有润滑和减磨作用 , 有利于法兰部金属的流 动 , 有利于拉深变形 , 在一定程度上提高了成形极图 6 液压机械拉深技术fig1 6 hydro mecha nical deep drawing丰田汽车公司研制出汽车零部件的液压机械拉 深的柔性 系 统 , 并 成 功 地 应 用 于 sera 车 型 的 生 产第 3 期李涛 等 : 先进板材液压成形技术及其进展33限 , 另外 , 对压边机构和凹模结构进行了改进 , 提出可替换凹模结构 , 以提高本工艺的柔性和适应性 。31 2 粘性介质压力成形粘性介质压力成形 ( v p f) (如图 8 所示) 是近 几年发展起来的一种板料柔模成形技术 , 它是美国学者 ext r ude ho ne , ir wi n , pa 24 发明的 。它用 具有应变速率敏感性的粘性介质代替液体介质 。考虑 到零件的几何特性 , 粘性介质压力成形相比普通拉 深 、液压拉深没有明显优势 。事实上 , 粘性介质压力成形在凹模尖角处导致更多的材料减薄 , 要求大 的夹紧力阻止模具在成形力下分开 , 在设计压边力 控制系统时 , 介质 的泄 漏问 题 也是 要考 虑的 因 素 。 它比普通刚性凸模的拉深来说要慢 , 但它在原型制 造 、难成形的应变敏感材料的成形 , 易开裂的有喷漆及覆层的板料成形 、生态制造等方面有着明显优 势 , 另外 , 它有更简单的工装 、粘性介质处理更容 易 、更安全 , 以及更安静的操作环境 。图 9 均匀压边力的液压机械拉深技术成形的杯体fig1 9 fo r med cup s in hdd wit h unifo r m p ressure o nto t he bla nk31 4其他板液压成形创新技术中科院金属研究所 27 对所提出的可移动凹模液 压成形技术进行了研究 , 凹模由固定和可移动两部 分组成 , 这种技术是拉和胀的复合成形 。适合成形 形状复杂的零件以及低塑性 、难成形的材料 。可使 板料的局部变薄明显改善 , 成形极限得到提高 。为了进一步改善一些常温下难成形材料的成形 性能 , 德国学者 s1 no vo t ny , m1 gei ge r 28 等研究 了镁合金和铝合金液压热成形 : 基于材料性能测试 , 提高温 度 , 不 同镁 、铝合 金的 材 料性 能行 为 不同 , 研究了相应材料的合理成形工艺 。使之成形性能明显改善 , 得到更高的拉深率和延伸率 。4结论及展望图 8 粘性介质压力成形fig1 8 vi sco us p ressure fo r ming有限元模拟技术的应用 、自动化水平的提高以及相应超高压技术的发展 , 推动着液压成形技术快 速发展 , 创新点不断涌现 , 使其应用范围迅速扩大 , 应用背景被不断地挖掘 , 现已成为制造业研究的热 点 。以后板液压成形的发展趋势主要有以下几个方 面 :1) 工艺上继续完善工艺理论和实验研究 , 综合 考虑模具 、设备结构 、工艺参数的影响 , 进一步加 强工艺控制 , 如形状复杂零件的成形 , 拼焊板的液 压成形 , 常温下低塑性材料的液压热成形 、对胀成 形 、复合成形等 。2) 利用成形过 程有 限元 模拟 技 术实 现工 艺 优 化 , 积累丰富的专家经验已成为成形工艺研究的一 个重要发展方向 。3) 对成形设备的研究趋势表现在 , 不断改进控 制技术 , 通过配备自动换模装置 、连续送出料自动装置 , 实现快速充液及模具快速开合来克服液压成 形工艺的缺点 , 进一步提高生产效率及自动化程度 。美国学者 l eo ni d b1 sh ul ki n 等 25 研究 了变 压边力的板材粘性介质压力成形 。并用有限元方法建 立了压边圈的弹性模型 , 对压边力进行优化 。要求 压边力的分布是时间和压杆位置的函数 。此种柔性 压边力对于成形非对称或材料属性不一致的零件有 明显的优势 。31 3 具有均匀压边力的液压拉深技术本文作者 26 在液压机械拉深的基础上提出了均 匀压边力作用的液压机械拉深技术 , 并进行了大量的试验和模拟研究 , 采用 al2m g2si 合金的拉深率达 到了 21 54 , 软 铝 ( al10502h0 ) 的 拉 深 率 达 到 了31 11 。图 9 是用软铝和软钢进行试验所得到的一些 复杂形状零件 。在此过程中作用在法兰上的液压力 和凹模室内的液压力相等 , 这清晰的边界条件使得 成形模拟更加容易 , 从而液压力能够被自由准确地控制 。34塑性工程学报第 13 卷id2p ressure a ssi sted met ho ds. ic t p ,1998 . 5 ,707k na kamura , t na kagawa . sheet metal fo r ming wit h hydrolic co unter p re ssure in j apa n. a nnal s of t hecir p. 1987 . 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