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目录第一章绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2管材内高压成形基本原理 (1)1.3管材内高压成形的适用领域 (3)第二章管材内高压成形的影响因素 (4)2.1轴向应力的影响 (4)2.2内压力大小的影响 (4)2.3摩擦系数的影响 (5)2.4起皱的影响 (6)第三章管材内高压成形的设备关键技术 (7)第五章管材内高压成形的工程研发案例 (9)第六章管材内高压成形的展望 (11)第一章绪论1.1研究背景近年来，汽车轻量化是汽车制造业的重要发展趋势。
由于世界能源的紧张和环保问题的日趋严重，汽车工业面临着严峻的挑战：减轻汽车自身重量，提高行驶速度，降低能耗。
除了采用轻体材料以外，汽车轻量化的另一个主要途径是以“空代实”。
这就求促使人们不得不改进传统工艺，创造出适应新经济时代要求的新工艺。
通过合理的结构设计，许多零部件都能采用标准的管材，通过液压成形技术成形结构很复杂的单一整体结构件，代替承受弯曲和扭转载荷的构件，既节省了材料，又发挥了材料的最大效能。
在汽车工业中管材液压成形作为一个非常重要的成形技术已得到了广泛应用，主要用于生产汽车动力系统、排气系统、汽车底盘以及一些结构件。
汽车用排气管件大多为形状比较复杂、轴线有很大变化的零件。
传统成形工艺除铸造成形外，主要采用冲压两个半壳而后组焊成形，或采用管坯进行数控弯曲、扩管、缩管加工而后组焊成形。
这样制造的零件模具费用高、生产周期长、成本高，不适应当前汽车行业在减轻自重、降低成本、提高市场竞争力等方面的要求。
而采用内高压技术制造排气管件可以较精确地控制零件的尺寸精度，便于在后续工序中与其他零件进行装配，且能够进一步减轻系统重量，减少焊缝数量，内表面光滑，排气阻力小，使成形后的产品质量和寿命得到进一步提高。
1.2管材内高压成形基本原理内高压成形(Internal High Pressure Forming)是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件。
基于有限元模拟的管材内高压成形模具设计与优化中国科学院金属研究所精密铜管工程研究中心袁安营 张士宏沈阳理工大学王忠堂摘要设计模具需要丰富的生产实践经验，新产品、新工艺的模具设计不可能一次成功，或多或少都会存在一些结构上的不合理或其他缺陷，产品因而不能顺利成形。
为了解决这些问题，本文对管材内高压成形的过程用MSC.Marc有限元模拟软件进行模拟，验证模具结构上的合理性，发现存在的缺陷并进行模具的重新优化。
这样可以弥补经验设计的不足，缩短了模具设计制造周期，提高了工作效率，避免了因不合理的设计而导致的资源浪费，对类似的模具设计有一定借鉴作用。
关键词有限元模拟 模具设计 内高压成形1 引言20世纪90年代以来，由于燃料和原材料的价格不断上涨以及环保法规对尾气排放的限制日趋严格，使得汽车工业轻量化进程的必要性和紧迫性受到广泛关注。
在保证安全性和舒适性的前提下，汽车的轻量化意味着原材料消耗减少、油耗降低、尾气和噪声污染减轻等一系列益处。
对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面构件，既可以减轻质量又可以充分利用材料的强度和刚度[1～3]。
管材内高压成形正是以轻量化和一体化为特征开发出来的一种空心变截面轻体构件的先进制造技术。
它作为一种柔性化的塑性加工技术，越来越受到人们的重视。
随着我国汽车工业的迅速发展，新型汽车要求新型零部件，这对产品的设计制造，特别是制造过程中模具的设计提出了新的要求，要求模具设计制造周期短、效率高、精度高，为满足这些要求，数值模拟技术就显得尤为重要。
液压成形技术和数值模拟在我国发展的比较晚，但发展势头迅猛。
国内很多单位和研究人员在这方面作了大量工作[6～8]，并对我国模具制造技术的发展起到了很大的推动作用。
但应该看到，数值模拟在我国模具制造业中还不够普及和成熟，还有很大的发展空间。
2 管材内高压成形原理管材内高压成形的原理是通过在管坯内部加高压，同时进行轴向推进，使管坯在模具型腔内成形为预定形状[3～5]，如图1所示，大致工艺过程为：a. 将毛管坯或预成形管坯放入下模并合上上模；b. 用轴向冲头和上下模把管坯两端密封；c. 在管坯内部充满液体；d. 加大液体压力同时进行轴向进给使管坯初步成形；e. 在更高的压力下使管坯充分贴模；f. 打开模具取出零件。
内高压成型工艺内高压成型工艺是一种常见的塑料成型工艺，通过将高温高压的流体塑料注入模具中，使其在模具内形成所需的形状，然后冷却固化，最后取出成品。
内高压成型工艺具有成型速度快、成型精度高、产品表面光滑等优点，被广泛应用于汽车、家电、电子、建筑等领域。
内高压成型工艺的核心是模具的设计和制造。
模具是内高压成型的关键工具，在成型过程中起到承载和塑形的作用。
模具的设计需要考虑产品的形状、尺寸、材料特性等因素，以确保成型后的产品符合要求。
同时，模具的制造需要采用高精度加工设备和工艺，以保证模具的精度和寿命。
在内高压成型过程中，首先需要将塑料料粒加热至熔融状态，形成熔体。
然后，将熔体注入模具中，通过模具的形状和结构使熔体充满整个模腔。
在注入过程中，需要控制注射速度和压力，以确保熔体填充充分且均匀。
注入完成后，需要保持一定的压力，使熔体在模具内冷却和固化。
最后，打开模具，取出成品。
内高压成型工艺可以实现复杂形状和细节的成型，因此被广泛应用于汽车行业。
例如，汽车车身的内饰件、仪表盘、门板等都可以通过内高压成型工艺来制造。
内高压成型可以保证产品的精度和强度，同时具有良好的外观质量，满足汽车对外观和功能的要求。
除了汽车行业，内高压成型工艺还在其他领域有着广泛的应用。
在家电行业，空调壳体、洗衣机外壳等产品都可以使用内高压成型工艺来制造。
在电子领域，电视机外壳、电脑外壳等产品也可以通过内高压成型来实现。
在建筑领域，一些装饰材料、管道等也可以采用内高压成型工艺来生产。
内高压成型工艺相对于其他成型工艺具有一定的优势。
首先，成型速度快，可以大大提高生产效率。
其次，成型精度高，可以生产出尺寸精确的产品。
此外，内高压成型工艺还可以生产出表面光滑、质量稳定的产品，满足市场对产品质量的要求。
内高压成型工艺是一种重要的塑料成型工艺，具有广泛的应用前景。
通过不断改进工艺和技术，可以进一步提高成型效率和产品质量，满足市场对高品质产品的需求。
内高压成型设备的形变机理与成型工艺分析内高压成型设备是一种常用于金属成型的工艺装备，通过在金属材料内部施加高压力，使其发生塑性变形，从而实现物体的成型。
本文将对内高压成型设备的形变机理与成型工艺进行分析，以便更好地理解和应用这种成型方法。
首先，我们来了解一下内高压成型设备的形变机理。
内高压成型通过施加高压力使金属材料产生塑性变形，这是由于金属材料的塑性本质决定的。
金属材料具有可塑性，即在一定条件下能够发生形状和尺寸的可逆变化。
在内高压成型过程中，金属材料受到高压力的作用，原子间的力发生改变，使得原子间的晶格结构发生塑性变形。
通过改变内部晶格的形态，金属材料得以在内部形成所需的形状，并通过外力的作用而保持该形状。
内高压成型设备的成型工艺包括以下几个关键步骤：模具设计、填充材料选择、压力控制和冷却处理。
首先是模具设计。
模具是内高压成型的重要组成部分，直接决定了成型产品的形状和尺寸。
模具应具备高压承受能力和良好的密封性，以保证金属材料能够在其内部形成所需形状。
在模具设计过程中，需要考虑到成型产品的结构特点，合理安排模具的形状和尺寸，以提高成型的效率和质量。
填充材料的选择也是一个重要的环节。
填充材料在内高压成型中起到填充模具空腔的作用，其性能将直接影响成型产品的质量。
常用的填充材料有铝、铜、镁等金属材料。
在选择填充材料时，需要考虑其塑性和热导性能，以满足成型工艺的要求。
压力控制是内高压成型的核心环节。
在成型过程中，施加的压力应适中，过大会导致金属材料的脆性断裂，过小则无法形成所需形状。
压力控制的关键在于找到一个合适的平衡点，既能保证形状的准确性，又能避免成型材料的失效。
随着设备技术的不断发展，自动化压力控制系统的应用也越来越广泛，有效提高了成型的精度和稳定性。
最后是冷却处理。
在内高压成型后，成型产品需要进行冷却处理，以保持其所需的形状和性能。
冷却处理可以通过自然冷却或加速冷却的方式进行。
自然冷却时间较长，但成型产品的性能稳定性较好；而加速冷却可以通过水冷或风冷等方式进行，可以缩短冷却时间，但易导致成型产品的内部应力较大，需要进行进一步的应力消除处理。
特种塑性成形一内高压成形（塑性成形工艺大作业）1内高压成形工艺简介及应用实例 (1)1.1内高压成形技术 (1)1.2应用实例........................................................2.1.2.1汽车工业 (2)1.2.2航空航天 (3)2应力、应变特点及变形规律分析 (3)2.1内高压成形工艺流程 (3)2.2应力、应变特点.................................................. 4.2.2.1充形阶段 (5)2.2.2成形阶段 (5)2.2.3整形阶段 (6)2.3成形区间及加载路线 (6)3成形设备 (8)4常见缺陷形式及预防措施 (9)4.1 屈曲.......................................................... .9..4.2起皱............................................................ 9.4.3开裂 (10)4.3.1弯曲管壁厚分布规律 (10)4.3.2过渡区开裂的应力分析 (11)5内高压成形的特点 (12)6.研究现状、发展趋势及主要研究机构 (13)6.1研究现状....................................................... 1.36.2发展趋势 (14)6.3国内主要研究机构 (14)参考文献 (15)1内高压成形工艺简介及应用实例在节能减排的大形势下，汽车和飞机等运输工具结构轻量化设计的概念应运而生。
实现结构轻量化有两条主要途径，即材料和结构途径。
材料途径：采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料；结构途径：采用空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体等结构。
根据统计，对于一定的减重目标，在航天航空领域，米用轻质材料减重的贡献大约为2/3,结构减重的贡献大约为1/3;而在汽车领域，则主要采用结构减重的途径。
锻压技术 2004年 第3期・综述・我国内高压成形技术现状与进展苑世剑3(哈尔滨工业大学液力成形工程中心 150001) 摘要: 综述了近年来国内内高压成形机理、数值模拟、设备和工艺研究情况。
详细介绍了轴向失稳应力、开裂内压、起皱控制与利用。
设备关键技术和影响数值模拟结果的主要因素,以及研制的典型汽车结构件、复杂管件和组合式凸轮轴。
最后指出内高压成形的发展趋势。
关键词:内高压成形 液压成形 汽车零件 管材State of art in internal high pressure forming in chinaYu an Shijian(Harbin Institute of T echnology ) Abstract :An overall review is given concerning fundamentals ,numerical simulation ,machine and process in the field of in 2ternal high pressure forming in China.S ome research results are introduced in detail ,including axial buckling stress ,bursting pres 2sure ,control and use of wrinkles ,key technology of hydroforming machine and major factors affecting simulation results.T ypical pro 2totype parts manu factured by internal high pressure forming are shown such as structural components ,special shape pipes ,hollow shafts and assembled camshafts.Finally ,the trends in internal high pressure forming are discussed.K eyw ords :Internal high pressure forming Hydroforming Autom otive part Tube3男,41岁,教授,博导收稿日期:2003204219一、引言内高压成形是以管材作坯料,通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件[1,2]。
内高压成形材料及工艺参数内高压成形技术是一种通过加压方式将材料塑形成所需形状的加工方法，它主要适用于金属材料、陶瓷材料和高分子材料等高强度、高硬度材料的加工。
内高压成形材料主要包括粉末冶金材料、陶瓷材料和聚合物材料。
首先，粉末冶金材料是应用较广泛的内高压成形材料。
粉末冶金是一种通过将粉末材料压制成形并进行高温处理的方法，形成致密的材料结构。
在内高压成形过程中，粉末冶金材料经过高压加工，在高压下形成高密度、高强度的材料。
常见的粉末冶金材料有铁及其合金、铝及其合金、钛及其合金等，被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械制造等领域。
其次，陶瓷材料也是内高压成形的重要应用材料之一。
陶瓷材料具有高硬度、耐磨、耐高温等特点，在某些特定领域具有独特的应用价值。
内高压成形可以使陶瓷材料形成致密的结构，提高其力学性能和耐磨性能。
常见的陶瓷材料有氧化铝、氮化硅、碳化硅等，被广泛应用于电子器件、磨料、耐火材料等领域。
此外，聚合物材料也是内高压成形的重要应用材料之一。
聚合物材料具有轻质、耐腐蚀、成本低等特点，在塑料制品、橡胶制品等领域有广泛应用。
内高压成形可以使聚合物材料形成致密的结构，并提高其力学性能和热稳定性。
常见的聚合物材料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，被广泛应用于塑料制品、管道等领域。
内高压成形的成功与否与工艺参数的选择密切相关。
工艺参数包括压力、温度、保压时间等。
压力通常是内高压成形的控制参数，它的选择应考虑材料的性质、形状的复杂程度和生产效率等因素。
温度是指材料在内高压成形过程中的温度，它的选择应考虑材料的熔点、塑性和变形性等因素。
保压时间是指在给定压力下保持的时间，通常要根据材料的流动性和冷却速率等因素来选择。
除了这些基本参数，还有一些辅助参数如涂胶厚度、流道结构等也需要合理选择。
综上所述，内高压成形材料涵盖了粉末冶金材料、陶瓷材料和聚合物材料等。
内高压成形工艺参数的选择对成形效果起着关键作用。
合理的内高压成形材料选择和工艺参数控制是确保产品质量和效率的重要因素。
特种塑性成形—高压成形（塑性成形工艺大作业）目录1高压成形工艺简介及应用实例 (1)1.1高压成形技术 (1)1.2应用实例 (2)1.2.1汽车工业 (2)1.2.2航空航天 (3)2应力、应变特点及变形规律分析 (3)2.1 高压成形工艺流程 (3)2.2应力、应变特点 (4)2.2.1充形阶段 (5)2.2.2成形阶段 (5)2.2.3整形阶段 (6)2.3 成形区间及加载路线 (6)3成形设备 (8)4常见缺陷形式及预防措施 (9)4.1 屈曲 (9)4.2 起皱 (9)4.3 开裂 (10)4.3.1弯曲管壁厚分布规律 (10)4.3.2 过渡区开裂的应力分析 (11)5高压成形的特点 (12)6. 研究现状、发展趋势及主要研究机构 (13)6.1 研究现状 (13)6.2 发展趋势 (14)6.3国主要研究机构 (14)参考文献 (15)1高压成形工艺简介及应用实例在节能减排的大形势下，汽车和飞机等运输工具结构轻量化设计的概念应运而生。
实现结构轻量化有两条主要途径，即材料和结构途径。
材料途径：采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料；结构途径：采用空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体等结构。
根据统计，对于一定的减重目标，在航天航空领域，采用轻质材料减重的贡献大约为2/3，结构减重的贡献大约为1/3；而在汽车领域，则主要采用结构减重的途径。
然而，高压成形是适应结构轻量化发展起来的一种先进制造技术。
1.1高压成形技术高压成形(Internal High Pressure Forming)是以管材作坯料，通过管材部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。
由于使用乳化液（在水中添加少量的防腐剂等组成）作为水传力介质，又称为管材液压成形（Tube Hydroforming）或水压成形。
按成形零件的种类，高压成形分为三类：（1）变径管高压成形；（2）弯曲轴线构件高压成形；（3）多通管高压成形。
文章编号:1004-132Ⅹ(2002)09-0783-04内高压成形的应用进展苑世剑 教授苑世剑 王仲仁 摘要:介绍了内高压成形原理、优点、应用范围、适用材料、国内外研究现状和工业尤其在汽车工业的应用情况,并综述了内高压成形领域实验研究、数值模拟、专用设备、模具结构和润滑等方面的情况。
关键词:液力成形;内高压成形;轻体构件;汽车零件中图分类号:T G53 文献标识码:A收稿日期:1999—12—29基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975021) 液力成形(hydro fo rming )是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。
作为生产支叉管等管路配件的一种方法,可追溯到30年前,但成形压力一般小于30M Pa [1]。
近年来,由于超高压液压技术的成熟,德国和美国已将该成形技术用于机器零件的制造,其成形压力一般大于400M Pa,有时超过1000M Pa 。
目前,已用于汽车等机器制造领域的实际生产。
在飞机、航天器和汽车等领域,减轻质量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20世纪90年代,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。
除了采用轻体材料外,减重的另一个主要途经就是在结构上采用“以空代实”,即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件,采用空心结构既可以减轻质量节约材料又可以充分利用材料的强度和刚度。
内高压成形正是在这样的背景下,开发出来的一种空心轻体构件的先进制造技术。
1 成形原理和工艺分类内高压成形原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形。
基本工艺过程是,首先将管坯放入下模(图1a 下部),闭合上模,然后在管坯内充满液体,并开始加压,在加压的同时管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料使管坯成形(图1a 上部)。
对于轴线为曲线的构件,需要把管坯预弯成接近零件形状,然后加压成形。
根据模具的分模方式和工件的形状,内高压成形可分为水平分模(见图1a )、垂直分模(见图1b )和带凸台或支叉零件成形(见图1c )3种基本类型[1,2]。
(a )水平分膜 (b )垂直分模 (c)带凸台或支叉零件成形图1 成形原理和工艺分类2 优点与传统的冲压焊接工艺相比,内高压成形主要优点如下[2～4]:(1)减轻质量,节约材料 对于图2所示空心轴类零件可以减轻40%～50%,有些件可达75%。
汽车上部分采用冲压工艺与内高压成形的产品结构质量对比见表1。
(a )机械加工(b)内高压成形图2 阶梯轴表1 汽车上部分冲压件与内高压成形件的重量对比名称冲压件(kg )内高压成形件(kg )减重(%)散热器支架16.5011.5024副车架12.007.9034仪表盘支梁2.721.3650 (2)减少零件和模具数量,降低模具费用 内高压件通常仅需要一套模具,而冲压件大多需要・783・内高压成形的应用进展——苑世剑 王仲仁多套模具。
(3)可减少后续机械加工和组装焊接量 以散热器支架为例,散热面积增加43%,焊点由174个减少到20个,装备工序由13道减少到6道,生产率提高66%。
(4)提高强度与刚度,尤其疲劳强度 仍以散热器支架为例,垂直方向提高39%,水平方向提高50%。
(5)降低生产成本 根据德国某公司对已应用零件统计分析,内高压件比冲压件平均降低成本15%～20%,模具费用降低20%～30%。
3 应用范围和适用材料(1)应用范围 内高压成形适用于制造航空、航天、汽车行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或异型截面空心构件,如汽车的排汽系统异型管件、非圆截面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架(约占汽车总重量的11%～15%)和空心轴类件、复杂管件等[5]。
(2)适用材料 碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金及镍合金等,原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。
4 国外研究进展4.1 失效形式内高压成形是内压和轴向进给联合作用的复杂成形过程。
如果内压过高,减薄过度甚至开裂;如果轴向进给过大,会引起管子屈曲或起皱,见图3[1]。
只有给出内压力与轴向进给的合理匹配关系,才能获得合格的制件。
(a )弯曲(b )起皱 (c )破裂图3 失效形式4.2 实验研究在内高压成形实验研究方面,进行的主要工作有薄管失效形式及防止措施[5];成形过程中工件的应力应变和几何形状的测量[6];管材的成形极限;FLD 图的适用性[5];内高压成形的摩擦特性[7];管材性能的测试方法[8];内压与轴向位移的合理关系及控制方法。
4.3 数值模拟数值模拟能准确地反映内高压成形过程,预报成形缺陷,显示工件贴模与成形情况,给出壁厚分布。
而且可以方便地调整内压与轴向位移的匹配关系,研究其对成形缺陷和壁厚分布的影响,以获得最佳的加载曲线[9,10]。
在此基础上,再进行实验验证与调整。
因此内高压成形的数值模拟受到许多研究者和工业界的重视。
数值模拟采用的软件主要是动力显式有限元程序,如LS —DYNA 、PAM -STAM P 等。
影响模拟精度的因素如下: 管材力学性能的选取,因为从板料加工成管材的过程会引起力学性能的改变; 摩擦类型与摩擦系数的确定; 工件与模具的接触算法。
4.4 内高压成形专用设备从结构上看,内高压成形机类似于普通的液压机,具有四柱式和框架式2种结构,但内高压成形机滑块行程比普通液压机要短些。
专用的内高压成形机至少需要具有4种功能[11]: 提供合模力; 管端轴向进给; 内高压产生装置;!内压与轴向进给的实时控制。
4.5 模具结构和润滑内高压成形模具的主要组成部分包括上模、下模、左冲头和右冲头。
冲头是内高压成形模具的特殊部分,其作用为密封管端和轴向进给补料。
冲头端头的密封结构是非常重要的,关系到整个内高压成形过程能否顺利进行和生产效率。
上下模具与冲头接触滑动部分可以采用镶块结构,镶块可以使用耐磨材料,损坏后便于及时更换。
同样对于大批量生产用的模具,模膛采用镶块结构可以降低模具制造成本。
内高压成形中使用的润滑剂有以下4种: 固体润滑剂,M oS2和石墨; 石蜡和油; 高分子基润滑剂;!乳化剂。
润滑剂大多通过喷洒和浸泡涂到管坯表面。
除了采用油脂润滑剂外,在成形之前工件表面的润滑剂涂层要求进行干燥和硬化。
润滑剂涂层厚度要求均匀。
5 国外应用情况5.1 汽车工业德国于20世纪70年代末开始内高压液力成形基础研究,并于90年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制造汽车轻体构件。
德国・784・中国机械工程第13卷第9期2002年5月上半月奔驰汽车公司(DAIMLER BENZ )于1993年建立其内高压成形车间,宝马公司(BM W )已在其几个车型上应用了内高压成形的零件。
目前在汽车上应用有 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[4,12]。
图4为德国某公司生产的汽车用轻体件。
图4 汽车用轻体构件根据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果,在北美制造的典型轿车中,空心轻体件在轿车总量的比例已从15年前的10%上升到16%,而在中型面包车、大吉普和皮卡车中,轻体构件的比例还要高[13]。
因此美国有关大学、研究机构和公司十分重视内高压液力成形技术,已于几年前开始着手研究开发,近年来加大研究开发的力度[14]。
如克莱斯勒(Chry sler)汽车公司于1990引进内高压技术生产了仪表盘支梁。
目前通用汽车公司(GM )已用液力成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2004年北美生产的典型车型中将有50%零件采用内高压成形技术制造。
图5为用内高压成形制造的副车架。
图5 轿车副车架5.2 航空航天工业用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有结构空心框梁、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管接件等。
图6为用内高压成形制造的飞机发动机空心双拐曲轴,与原零件相比减重48%。
图6 飞机发动机空心双拐曲轴5.3 其它应用除了用内高压成形汽车和飞机上使用的各种轻体件外,还可制造空心阶梯轴。
与弯曲工艺结合,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。
通过连接和成形的复合,可加工出轻体凸轮轴。
用不同材料的2种管材,通过内高压成形,可以加工双层复合管件,以满足不同的要求,例如具有高或低的热传导的零件,以及具有较高防腐性能的零件。
内高压成形还可以用于中间带陶瓷材料层的零件的制造,陶瓷材料可以作为保温层,还可阻碍声波和振动的传播。
6 国内研究与应用情况国内用类似的方法加工三通管、波纹管等管件和自行车零件,但成形压力较低,内压与轴向进给的控制也不严格。
用内高压成形制造汽车、飞机等机器零件还是空白。
哈尔滨工业大学是国内最早系统开展液力成形的单位,20世纪80年代中期,王仲仁教授首创球形容器无模液力成形工艺,为大型壳体制造提供了一种成本低周期短的新技术。
在壳体液力成形理论、实验和数值模拟方面,开展了卓有成效的研究工作,并在供水、液化气和建筑等领域取得了许多实际应用。
目前,哈尔滨工业大学液力成形课题组获得国家自然科学基金和黑龙江省科委的资助,开始内高压成形理论、工艺和设备关键技术的研究。
研制国内首台150M Pa 内高压成形机,该机采用计算机控制,可以按给定的加载路径严格控制内压与轴向进给,已加工出一些飞机使用的铝合金变径管、不锈钢 接头、轿车后轴纵臂和组合式凸轮轴等典型样件。
图7为矩形截面件内高压成形数值模拟及与实验的比较[15]。
7 结束语减轻结构重量以节约材料和运行中的能量是・785・内高压成形的应用进展——苑世剑 王仲仁 (a)数值模拟结果(b)实验件图7 高压成形数值模拟及与实验的比较现代先进制造技术发展的趋势之一。
内高压成形是适应这种趋势提出来的一种制造空心轻体的新工艺。
内高压成形件具有重量轻、刚度好、零件数量少、可减少后续机械加工和组装焊接量等优点,因此可以减少模具,降低生产成本,缩短加工周期。
可以用于制造汽车、航空、航天等行业中使用的各类轻体构件。
国内目前在内高压成形应用领域尚处于空白。
我国机械工业基础良好,急需用高新技术进行改造,在开发解决了内高压成形关键技术后,通过对现有技术装备的改造,可以形成空心轴类件和汽车轻体件的生产基地。
一方面可以供应国内生产的需要,另一方面还可以生产配件供应欧美汽车公司,对促进我国经济的发展具有重要的意义。
参考文献:[1] D ohman F,Har tl C.Hy dr ofo rm ing:Resear ch andP ractical A pplicatio n.Pr oceedings o f2thI nter natio nal Conference o n Innov atio ns inHy dr ofo rming T echnolog y,Ohio,U SA,1997. [2] Charles C,Br ug gem ann,Shah S.Hy dr ofo rmingpr ocess o ver view a nd applications.P ro ceeding s of2th Int ernational Co nfer ence o n Innov atio ns inHy dr ofo rming T echnolog y,Ohio,U SA,1997. [3] Klaas F.I nno vations in hig h-pressur ehy dr ofo rming.P ro ceeding s o f2th Inter na tio nalCo nfer ence on Innov atio ns in Hy dr ofo rmingT echno lo gy,O hio,U SA,1997.[4] Cher ek H.Par t co st r eductions in the hy dr ofo rmingpr ocesses.P ro ceeding s o f2th Inter na tio nalCo nfer ence on Innov atio ns in Hy dr ofo rmingT echno lo gy,O hio,U SA,1997.[5] L iu S-D,M eulema n D.A nalytical andEx periment al Ex aminat ion o f T ubularHy dr ofo rming Limits.SA E T echnical Paper N o:980449,1998.[6] M izuko shi H,O kada H,W akabayashi H.T eefitting hy dr aulic fo rm ability o f A luminium allo yt ubes.A dvanced T echno lo gy o f Plasticit y,Vo l.I I,P ro c.of t he6th ICT P,1999:1165～1170[7] L eit ermann W,Vo n Zengen K-H,Dick P.I nno vative for ming techno lo gies for space fr ames.A dvanced T echno lo gy of P lasticity,V ol.I I,P ro c.o f the6t h I CT P,1999:1165～1170[8] Soko lo w ski T,G erkek K,A hmeto glu M et al.Ev aluation o f mater ial cha racter istics in t ubehy dr ofo rming:hydraulic bulg e t est ing of tubes.A dvanced T echno lo gy of P lasticity,V ol.I I,P ro c.o f the6t h I CT P,1999:1217～1220[9] G housti O,Ba ida M,L enoir H et al.3D simulationo f t ube hydro for ming,A dv anced T echno lo gy ofP lasticity.V ol.II,Pr oc.o f t he6th I CT P,1999:1211～1216[10] M anabe K,A mino M,N aka mur a S.F E analysison local thinning a nd fr act ur e pheno menon inhydro for ming of tubular co mponents.A dv ancedT echnolog y o f P lasticity,Vo l.II,Pr o c.of the6thICT P,1999:1229～1234[11] Har tl Ch,A bbey T.Pr oduct dev elo pment ofcomplex hydro for med par ts and requirementsr egar ding to ol manufactur e.A dv ancedT echnolog y o f P lasticity,Vo l.II,Pr o c.of the6thICT P,1999:1183～1188[12] Bo bber t D.P ro duct inno vat ion w it h inter na l highpressure for ming.A dvanced T echno log y ofPlasticity,V ol.I I,Pr oc.o f the6th ICT P,1999:1161～1164[13] M ar ando R A.T ubular Hydro for ming P ro cessV ariables.M etal Fo rming,July1998:36～40 [14] M usta fa A,Sutt er K,L i X et al.T ubeHydro for ming-Cur rent Resear ch,A pplicationand N eed fo r T r aining.P ro ceeding s o f2thInter na tio nal Co nfer ence on I nnov ations inHydro for ming T echno log y,O hio,U SA,1997. [15] 李洪洋.管坯内高压液力成形的实验研究与数值模拟:[硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1999.(编辑 马尧发)作者简介:苑世剑,男,1963年生。
