讲一讲将板材“玩弄”于模具之中的液压成形技术

讲一讲将板材“玩弄”于模具之中的液压成形技术中国航空制造厂的橡皮囊液压成形设备能加工出航空领域中最为常见的各种形式的蒙皮，再经过相应的加工工艺后就可以满足飞机的不同部位的特殊要求，下图左一是焊接后的成型S形进气道蒙皮焊接件，右一为马鞍形蒙皮。液压成形技术同冲压，焊接等传统的成形技术相比，是一门新型的金属成形技术。为了解决航空航天，汽车等领域的一些复杂的工艺问题和技术要求，从20世纪50年代起，德、美、日等国科学家在相关领域内先后提出了内高压成形技术和板料液压成形技术。1985年我国科学家王仲仁教授发明了球形容器无模液压成形技术，提出了壳体液压成形技术。近几年，依托于计算机控制技术和高压液压系统的发展，液压成形技术迅速发展。目前，很多复杂结构的零件都可以通过该技术批量地加工生产。液压成形技术的发展历史液压成形开始于十九世纪末期，当时主要用于管件的成形，由于相关技术的限制在相当长一段时间内，管材液压成形只局限与实验室研究阶段，在工业上没有得到广泛应用。板材液压成形由管件液压成形引申而来，最初出现的是橡皮膜液压成形。美国、德国和日本相继于五、六十年代开发出了橡皮囊液压成形技术。日本学者保日春男首先对此进行了改进，开发出了对向液压拉深技术。随后欧、没等国家也相继开展这方面的工艺研究及设备的开发工作。1967年，德国SMG公司提出液压机械拉深技术。板材液压成形技术在九十年代后得到人们的重视和大力研究。九十年代后，制造业迅猛发展，零件的形状日趋复杂，加之有大量采用铝、镁等质量较轻、但塑性较差的新材料，使得人们将注意力转向了板材液压成形技术。到了九十年代后期，德国有关学者提出了一种板材成形新工艺--板材成对液压成形。相对于国外来说，国内对于液压成形的研究较晚。上世纪九十年代后，国内众多高校开始对液压成形进行研究，例如哈尔滨工业大学、燕山大学、华南理工大学、上海交通大学等分别对液压成形进行了理论分析和实验研究，总结了很多液压成形的数据和经验，但是对板材成对液压成形的研究相对较少，处于最初的探索阶段。板材液压成形技术针对传统板材冲压成形中存在的成形极限低、模具型腔复杂，以及零件表面品质差等缺点，发展了板材液压成形技术。其基本原理是采用液体作为传力介质以代替刚性的凸模或凹模来传递载荷，使坯料在液体压力作用下贴靠凹模或凸模，从而实现金属板材零件的成形。下图表明传统冲压与液压成形的区别。自从该技术推出以来，在航空航天及汽车领域不断获得应用，特别适于结构外形复杂的零件及冷成形性能差的材料成形，如铝合金、高强钢、高温合金以及拼焊板等。板材液压成形技术现也日渐成为国内外业界的研究热门，并产生了可控径向加压充液拉深技术及液体凸模拉深成形新技术。板材液压成形是采用液体做为传力介质使金属板材成为所需的形状曲面零件的成形工艺。根据液体介质作用位置不同，板材液压成形可以分为充液拉深成形技术和液体凸模拉深成形技术。下图为充液拉伸成形和液体凸模拉深成形的原理图。充液拉深成形板材充液拉深成形工艺可分为四个阶段，第一个阶段，首先开动液压泵将液体介质充满充液室至凹模表面，在凹模上放好坯料；第二个阶段，施加压力；第三阶段，然后凸模开始压入凹模，自然增压或者通过液压系统使充液室的液体介质建立起压力，将板件紧紧压贴在凸模上；第四阶段，同时液体沿法兰下表面向外流出，形成液体润滑。充液拉深成形主要有2中形式：成形材料与液体介质直接接触或者中间有橡皮囊。如下图。橡皮囊成形技术的优点是设备成本低，并能避免板材的污染；其缺点是橡皮囊易损坏须经常更换，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。充液拉深的工作原理是：当冲头进入压力室，压力室通过板料和压边环闭合而成为一个封闭的整体，板料在冲头的作用下成形。在拉深过程中，板料所受的液体压力与冲头方向成90度。液体压力通过液压阀来控制，成形所需的液体压力与材料类型及零件尺寸有关。板料在拉深过程中随冲头下行，同时压力室的液体给给零件反压，这就保证了拉深件的外观没有划痕，且冲头形状决定了零件的成形形状。充液拉深零件成形所需的成形力要比传统成形所需的成形力大，这是因为除了传统成形所需的拉伸力和压边力外，充液拉伸还需要克服在压力室中的成形液体压力。下图反映了压力室的烦压力与冲头直径的关系。小直径零件充液拉深所需的成形力与传统拉深差别不大，但随着零件直径的增大，所需的成形查遍逐渐增大。同时，充液拉深成形的工作周期也随着压力室所需达到的大液体压力而增加。零件直径在100nm以下时，充液拉深成形的工作周期一般要比传统拉深长10%，而零件直径在200nm以上时，充液拉伸成形的工作周期是传统拉深的2倍。在充液拉伸技术的基础上，发展出了可控径向加压充液拉深技术。如下图所示，可控径向加压充液技术，辅以独立于液室压力pc的可控径向液压力pr，来推动法兰区材料的活动，配合凸模的拉深进行成形。由于现有充液拉深成形技术还主要依靠液室压力作用来增大板材与拉深凸模之间有益摩擦和建立坯料与凹模之间的流体润滑，从而缓解凸模圆角处坯料径向拉应力来进步板材零件的成形极限，适合制造普通拉深无法一道次拉深成形的复杂板材零件。而对于铝合金等大高径比、低塑性材料曲面（锥面、球面、抛物线截面等）零件和锥盒形零件，过大的液室压力会导致曲面零件成形初期悬空区的破裂和锥盒形零件棱边角部起皱。因此，通过单纯增大液室压力来进步有益摩擦、进步成形极限的量度是有限的，大高径比、低塑性材料零件的成形仍然困难。可控径向加压充液拉深技术中，由于径向液压与液室液压相互独立控制，可根据变形材料、零件外形和成形极限，通过增大径向液压来辅助零件的拉深成形，同时利用有益摩擦和流体润滑，避免大高径比、曲面零件成形初期因液室压力过大而导致的悬空区破裂，从而进一步进步零件的成形极限。液体凸模拉深成形液体凸模拉深成形则是以液体介质代替凸模传递载荷，液压作为主驱动力使坯料变形，坯料法兰区逐渐流入凹模，最终在高压作用下使坯料贴靠凹模型腔，零件形状尺寸靠凹模来保证。这一成形法通过合理控制压边力可使坯料产生拉-胀成形，应变硬化可提高曲面薄壳零件的刚性、压曲抗力和抗冲击能力。因此，它非常适于铝合金和高强钢等轻合金板料形状复杂（特别是局部带有小圆角）、深度较浅的零件成形。原理如下图所示。铝合金为航空航天领域广为应用的材料，板材零件多为相对较浅的具复杂型面的超薄构件。由于铝合金硬化指数低，普通拉深使零件外形的冻结性及刚度受到影响，必须使其产生充分的变形硬化，才能保证零件结构尺寸的稳定性及刚度。对于较浅的复杂曲面零件，成形模具简单，在成形过程中可通过控制压边力及成形液压，既保证充分的变形强化，又可实现坯料法兰区的公道流进，避免壁厚过度减薄。如左图，1mm厚的2024硬铝合金板材件。通过液体凸模拉深技术，可使该件的材料变形硬化，同时避免曲面部分起皱，获得具有较高刚度的薄壁板材零件。如右图，为1mm厚的SUS304不锈钢复杂板材件。通过液体凸模拉深技术的运用，可简化模具，无需具有复杂型面的凸模，从而消除了普通拉深凸模与坯料之间的不利摩擦，利于材料流进模腔。在公道边压边力条件下，终极成形压力12MPa时可实现该件的成形。航空领域板材成形技术的应用世界范围内，在零件加工制造行业，板材液压成形已成为先进国家和企业解决复杂薄壁件精确、高效、整体成形的关键技术，并已经在航空发动机、运载火箭整流罩等复杂零件、难成形材料的成形中获得初步应用。成形零件种类覆盖许多种，包括筒形、球形、锥形、抛物线形等旋转体零件以及具有复杂曲面的非旋转零件，成形材料涵盖低碳钢、不锈钢、高强钢、高温合金、铝合金、镁合金、钛合金等，厚度从0.2至3.2mm，最大零件尺寸达到2200mmxl600mm，成形精度小于0.25mm,最大壁厚减薄率小于12%。在航空领域，美国膜型号战机的发动机唇口零件就采用了板材液压成形技术。如下图，零件外径800mm，壁厚1.2mm，成形精度达到0.3mm，采用一次液压成形代替了传统的二十多道拉深工序。橡皮囊液压成形主要应用于飞机框肋零件。框肋零件是飞机机体骨架中的组件，担负着支撑飞机外形和承受气动载荷的双重任务。下图是飞机翼肋在飞机中的装配示意图。通常，框肋零件属于平面类型，但四周具有弯边。框肋零件的弯边有两个作用，一是起到加强的作用，另一个是为了便于和桁条、翼梁等的铆接。飞机翼肋在飞机中的装配示意图几种典型的肋类零件小编收集了一些液压成形技术较为成熟的国际公司，一起看看有哪些吧。舒勒拥有全球市场份额的35%左右，年营业额超过10亿欧元。在gardner世界机床企业(产值)排名中，舒勒集团排在第14位，在金属成形机床类企业中排第4位。西马克梅尔(SMSMeer)公司是SMS集团下的两大核心企业之一，它先后兼并了以生产机械压力机和螺旋压力机而闻名的奥姆科公司和哈森克勒佛公司、以生产碾环机为主的班宁公司和瓦格纳公司。如今西马克梅尔已成为全球管材、长材、锻压和加热领域的领军企业，拥有全球市场份额的40%左右，已为全世界累计制造11000多套设备，年营业额超过10亿欧元。拉斯科(Lasco)公司是锻锤的先驱，也是世界上首家将变频器应用到螺旋压力机上的企业。拉斯科公司的主要产品有：冷、温、热锻液压机，板材成形液压机、粉末冶金成型液压机、液压模锻锤、电液对击锤、电动螺旋压力机、系列楔横轧机和辊锻机。辛北尔康普(Siempelkamp)机械制造公司属于辛北尔康普集团公司，主营机械成套设备制造，销售额占整个集团的70%。锻造成型设备特别是液压机是该公司的强项，锻造压力机产品有自由锻液压机、模锻液压机、等温锻造压机和无缝气瓶专用液压机；板材成形压力机产品有管道成型压力机、热交换器板压力机、拉深压力机和特种板成形压力机。此外辛北尔康普还掌握先进的液压成形技术和设备，1994年辛北尔康普为宝马公司提供了第一台适用于汽车工业的液压成形大批量生产设备。雷菲尔德(Leifeld)公司是世界上旋压和流动旋压技术领先者，它收购了德国另一家著名的旋压机生产企业Leico公司的所有知识产权。其旋压机产品已经系列化，除了普旋机外还生产强旋、成形旋压和收口旋压机。旋压机能够广泛应用在航空航天、汽车和兵器等行业，例如当前最先进的汽车轮毂制造工艺就是采用旋压机。结论板材液压成形有以下优点：1、 进一步提高成形极限和零件质量的成形新技术。向着主动径向加压充液拉深和正反加压充液拉深技术方向发展。主动径向加压充液拉深，除充液室内液体压力作用外，在板料法兰区径向独立施加液压，拉深过程中辅助推动板料向凹模口内流动，可以进一步提高零件成形极限，实现更深、更复杂零件的成形。正反加压充液拉深，在成形批料的上表面施加液压来配合充液拉深，可以部分甚至全部抵消液室压力导致的反胀，尤其适合成形过程中具有较大悬空区的锥形件等的成形，允许施加更大的液室压力，抑制减薄，提高成形极限，促进其在航空航天领域的应用。2、 低塑性材料的拉深成形。高性能铝合金、镁合金和超高强度钢等材料强度提高、塑性降低，如铝合金、镁合金板材厚向异性指数小、硬化指数低，与钢相比，更易产生破裂和起皱的倾向，普通冲压工艺往往需要多道工序，工艺繁琐。充液拉深技术可以弥补低塑性材料成形性能方