材料成型理论-内高压成形

1、特殊塑性成形内部高压成形(塑料成型工艺操作)内容内高压成形工艺及应用实例1简介1.1内部高压成型技术11.2应用示例21.2.1汽车工业21.2.2航天32应力、应变特征及变形规律分析32.1内部高压成型工艺流程32.2应力和应变特性42.2.1填充阶段52.2.2成型阶段52.2.3塑料阶段62.3形成间隔和装载路线63成型设备84常见缺陷形式及预防措施94.1屈曲94.2皱纹94.3开裂104.3.1弯管壁厚分布规律104.3.2过渡区11开裂的应力分析5内部高压成形的特点126.研究现状、发展趋势和主要研究机构136.1研究现状136.2趋势146.3国内主要研究机构14参考文献15内高

2、压成形工艺简介及应用在节能减排的大背景下，汽车、飞机等车辆结构的轻量化设计概念应运而生。实现轻质结构主要有两种方式，即材料和结构。材料路线：采用铝合金、镁合金、钛合金等轻质材料及复合材料；结构方法：空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体结构等。据统计，对于一定的减重目标，在航天航空领域，轻质材料对减重的贡献约为2/3，结构减重的贡献约为1/3。在汽车领域，主要采用结构减重。然而，内高压成形是一种适应轻质结构发展的先进制造技术。1.1内部高压成型技术内高压成形是一种以管子为毛坯，通过在管子内部施加高压液体和轴向进给，将管子压入模具型腔，使其成形为所需形状的工件。由于使用乳液(向水中加入少量防腐剂)作为

3、水动力传递介质，所以也称为管材液压成形或液压成形。根据成形零件的类型，内高压成形可分为三种类型：(1)异径管的内高压成形；(2)在弯曲轴构件中高压成形；(3)多通管道高压成形。(1)变径管内高压成型：变径管是指管件中部一处或几处的管径或周长大于两端的管径。其中，如图1.1所示，难以形成不对称的大截面差管件。通过轴向进给、内压配合和合模顺序控制，实现了120%截面差零件内的高压成形，突破了100%膨胀率的极限值。图1.1大膨胀率双锥形管件(2)带弯曲轴异形截面管件的高压成形：图1.2所示管件有18个不同形状和尺寸的截面，轴为三维曲线。图1.2汽车副车架中的高压零件(3)多通管高压成形：铝合金薄壁

4、整体三通管高压成形，消除了传统工艺的纵向焊缝，大大提高了零部件的可靠性。图1.3整体三通1.2应用示例1.2.1汽车工业德国在20世纪70年代末开始了内部高压液压成形的基础研究，并在90年代初率先在工业生产中使用内部高压液压成形技术制造汽车轻量化部件。目前，汽车排气系统用异型管配件有；(2)副车架总成；(3)底盘部件、车身框架、座椅框架和散热器支架；前轴、后轴和驱动桥；(5)安全部件等。1.2.2航天飞机上由内部高压成形生产的轻质部件包括结构空心框架梁、发动机上的空心轴部件、进气和排气系统的异形管以及复杂的管接头。采用内高压成形技术制造的航空发动机空心双曲柄曲轴，与原零件相比，重量减轻了48%

5、。2应力应变特性及变形规律分析2.1内部高压成型工艺以变径管为例，其成型过程可分为三个阶段，如图2.1所示。在初始填充阶段(图2.1a)，模具闭合后，用水平冲头将管子两端密封，使管坯充满液体，排出气体，实现管端冲头的密封。在成型阶段(图2.1b)，当管内液体受压膨胀时，两端的冲头按照设定的加载曲线将进料向内推，管坯在内压和轴向进料的共同作用下基本紧靠模具。此时，除了过渡区域中的圆角之外，大多数区域都已形成。在成形阶段(图2.1c)，压力增加，使得过渡区的圆角完全抵靠模具以形成所需的工件。A.充盈期B.成形阶段C.成形阶段图2.1异径管件内部高压成形工艺成型过程中涉及的主要工艺参数：初始屈服压力

6、Ps:管道开始塑性变形时所需的内部压力；开裂压力Pb:合模前的内压应小于开裂压力；成型压力(成型压力)Pc:用于成型截面过渡圆角，保证尺寸精度。轴向进给力Fa:实现轴向进给；夹紧力Fc:关闭模具而不产生间隙；补充l:减小成型区域的壁厚，减小厚度，提高膨胀率；2.2应力和应变特性如果管是薄壁管，忽略管内壁上的压力P，只考虑轴向应力和环向应力，管可以被认为处于平面应力状态。根据米塞斯屈服准则，可以得到内部高压成形的屈服条件：(1)其中 是周向应力；z是轴向应力；s是材料屈服强度。根据Levy-Mises增量本构方程，厚度变化与应力状态的关系如下：(2)其中，dt是厚度的瞬时增量，大于0表示增厚，小

7、于0表示变薄；i为等效应变增量；i是等效应力。在变形过程中，管道上不同点在某一时刻和同一点在不同时刻的应力状态会有很大的不同，所有可能的应力状态都应位于平面应力屈服轨迹或屈服椭圆上的点ADBC之间的曲线上，如图2.2所示。图2.2屈服轨道上高压成形的应力应变状态位置2.2.1填充阶段在这一阶段，冲头在管端施加一定的轴向推力以实现密封。整个管道在轴向压缩下处于单向应力状态(见点A)。相应的应变状态为轴向压缩、周向伸长和厚度增加，但变形量很小。2.2.2成型阶段在成形阶段，进料区和成形区的应力和应变状态不同。对于进料区的管材，管材与模具的接触应力N基本等于内压p，周向应力 为零，只有轴向应力z存在

8、于进料区，因此进料区的应力状态对应于屈服椭圆上的点a。由于模具的约束，周向应变 也为零，因此进给区域处于平面应变状态，轴向长度缩短，厚度增加。由于管与模具之间的摩擦，轴向应力z的绝对值从管端向内逐渐减小，因此管端增厚最为严重。在成形的初始阶段，管仍然处于扁平状态，其应力状态是环向拉伸和轴向压缩，即位于屈服轨迹的中点A和点B之间。应变状态与环向应力 和轴向应力z的值有关：当| z |位于屈服轨迹的b点和d点之间时，存在dt0，壁厚减小；当| z |位于屈服轨迹的点d和点a之间时，存在dt 0，壁厚增加；当=| z |，位于屈服轨迹的点d时，此时d=-dz，dt=0，壁厚不变，管道处于平面应变状态

9、。随着变形的进行，变形区域中的管道将不再保持笔直，而是将变形为向外凸出。此时，该区域的管道处于双向拉伸应力状态，显示为从点b向点c移动在成形阶段，还有另一种特殊情况，即管道仅承受内部压力，而没有轴向进给，即自由膨胀。在自由胀形的初始阶段，当管保持在直管状态时，管仅受到由内部压力引起的周向应力，并且轴向应力 z=0，其在屈服轨迹曲线上的点B处。随着内压的增加，变形区的管材将发生向外的凸形变形，此时的应力状态接近屈服轨迹上的C点。在这种双向拉伸应力状态下，管材容易开裂，这也是自由胀形极限膨胀率低于内部高压成形极限膨胀率的主要原因。2.2.3塑料阶段通过增加液体压力，过渡圆角被压向模具，以获得所需的

10、几何形状和尺寸。在成形阶段，成形区域中的大多数管已经与模具接触，只有进料区域和成形区域之间的过渡圆角区域还没有完全粘附到模具上。此时，在内压作用下，作用在过渡区圆角上的力相当于环形壳体的力。拉伸变形发生在周向和切向两个方向，并且壁厚减小，这相当于位于屈服轨迹曲线上的点B和点C之间。2.3成型间隔和装载路线成型间隔是指轴向应力与管道内部压力之间的匹配间隔，没有起皱或开裂(见图2.3)。起皱的临界轴向压力和破裂压力可以通过图来确定。图2.3轴向应力与内压关系示意图在图2.3中，La表示当管道进入屈服并开始塑性变形时轴向应力和内部压力之间的关系，点a1表示初始屈服压力，点Lb表示破裂压力，点b1表示

11、没有轴向应力的破裂压力。Lc表示产生褶皱的轴向应力，c1表示没有内压时褶皱的轴向应力，以及内压下褶皱的临界应力。三条管线1a、1b和1c分成四个区段A、B、C和D，其中区段A是弹性区，并且管道在该区段中仍处于弹性状态。乙段是裂解区。当内部压力在此范围内时，管道会破裂。截面C是起皱区域，当轴向应力在该截面时会发生起皱；D区是成形区。只有当内压与轴向应力的匹配关系在此范围内时，才能保证管道在发生塑性变形时不会起皱或开裂。引入加载比例因子参数=z/，:缺陷因子；临界弯曲曲轴轴向压缩应力。图2.4加载比参数和缺陷因子与临界轴向压力Fcr应力之间的关系当0 1: 增加时，Fcr增加； 1: 增加，Fcr

12、减少。这表明=1.0是一个分水岭值，即无论缺陷因子如何影响，按=1.0的比例加载是最理想的加载路径。3成型设备内部高压成形设备是内部高压成形压力机(如图3.1所示)。内部高压成型机先进、紧凑、可靠、维护方便、操作简单。内部高压成型机由管坯体机构、液压系统、供水系统、控制台等组成。图3.1内部高压成形压力机图3.2内部高压成形压力机的工作原理内部高压成形压力机各部件的工作原理；合模压力：关闭模具，防止出现裂缝，裂缝可能导致零件飞边或导致管端密封失效；水平气缸：驱动冲头实现管端密封和轴向进给；高压源：增压器，为成型提供高压；计算机控制系统：根据设定曲线加载管件；液压系统：为增压器和水平气缸提供动力

13、；水压系统：在管道中提供液体。4常见缺陷形式及预防措施内高压成形是内压和轴向进给共同作用下的复杂成形过程。主要缺陷是弯曲、起皱和开裂(见图4.1)。如果轴向进给过大，将会导致弯曲或起皱。如果内部压力太高，它会变得过薄甚至破裂。只有通过给出两者之间的合理匹配关系在成形的初始阶段，过大的轴向力将导致压缩不稳定，即起皱。皱纹分为死皱纹和有益皱纹。死皱纹是在随后的填充过程中不能被弄平的皱纹，而有益的皱纹可以在随后的成形过程中被弄平，并且可以提高材料的成形极限。有益皱纹的形成必须满足两个条件：几何条件和机械条件。几何条件包括皱纹的数量、壁厚的变薄率和补充量。根据研究，随着皱纹的增加，所需补充材料的量增加

14、，壁厚减小甚至增厚。通过起皱，可以预先在成形区域收集成形所需的补充量。关键是控制皱纹的数量。只要褶皱的数量合理，形成的后壁的厚度可以基本保持不变，或者减薄可以控制在所需的范围内。在有益的皱纹展平过程中不开裂的严格机械条件是皱纹峰不变薄。如图4.2所示有益的皱纹图4.2有益皱纹和死皱纹4.3开裂开裂是膨胀率、摩擦系数和壁厚共同作用的结果。4.3.1弯管壁厚分布规律在弯曲轴管中液压成形后，最小壁厚位于弯曲部分之外，最大壁厚位于弯曲部分之内。图4.3为弯管成型后方形截面壁厚分布的实验结果。直边中点的最大厚度为1.462毫米，减薄率为2.5%。过渡区的最小厚度为1.255毫米，减薄率为163%。矩形截

15、面构件的壁厚分布与方形截面构件相似。图4.3方形截面的壁厚分布表4-1显示了膨胀率对壁厚分布的影响。可以看出，随着膨胀率的增加，直边中心处的壁厚变化不大，而过渡区变得很薄，这很容易导致过渡区开裂。表4-1膨胀率对壁厚分布的影响边长/毫米膨胀率/%圆角半径/毫米直边中心的壁厚/mm直边中心处的细化率/%过渡区壁厚/毫米过渡带还原率/%43.53.55.51.462.51.2616.3461061.4351.1225.5摩擦条件对壁厚分布也有重要影响。随着摩擦的增加，壁厚不均匀性增加，过渡区变得越薄越严重(见图4.4)。因此，在实际成形中，使用合适的润滑剂来减少摩擦是促进壁厚分布均匀的重要措施。图4.4摩擦对壁厚分布的影响4.3.2过渡区开裂的应力分析弯曲段外过渡区的开裂是由弯曲过程中过度的壁厚减薄和加工硬化导致的塑性不足造成的。预防措施主要是控制弯曲过程中过度的壁厚减薄。结合图4.5中过渡区的曲率和应力，解释了过渡区开裂的机理。图4.5过渡区的曲率和周向应力假设圆角的半径rc在成形过程中的某个时刻是恒定的，并且多边形横截面中心部分和模具的接触半径rf