液压成形

图1 空心异形截面零件引言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。

为了解决汽车，航空航天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。

一、液压成形技术的概述1.1 液压成形的定义和分类液压成形也称为液力成形是指利用液体作为传力介质或模具使工件成形的一种塑性加工技术。

按使用的液体介质不同，液压成形分为水压成型和油压成型；按使用的配料不同，液压成形分为管材液压成形，板料液压成形和壳体液压成形。

板料和壳体液压成形使用的成形压力较低，而管材液压成形使用的压力较高，又称为内高压成形，本文中称管材液压成形为内高压成形。

1.2 液压成形的特点现代液压成形技术的主要特点表现在两个方面：①液压成形技术仅需要凸模和凹模中的一个，或者不使用任何模具，这样可以省去一半，甚至不需要花费制造模具的费用和加工时间，而且液体作为凸模可以成形很多刚性凸模无法成形的复杂零件。

②液体作为传力介质具有实时可控性，通过液压闭环伺服系统和计算机控制系统可以按给定的曲线精确控制压力，确保工艺参数在设定的数值内，并且随时间可变可调，大大提高了工艺柔性。

二、内高压成形技术2.1 内高压成形技术的原理及分类内高压成形技术是用管材作为原材，通过对官腔内施加液体压力及在轴向施加负荷作用，使其在给定模具型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的成形技术。

内高压成形技术主要可以整体成型轴线为二维或三维曲线的异形截面空心零件，从材料的初始圆截面可以成形为矩形，梯形，椭圆形或其他异形的封闭界面，如图1所示。

波纹管液压成形的原理是，将高压液体（如水或液压油）注入预制的管坯中，使管坯在模具中膨胀，然后压缩，管材发生塑性变形，最终得到成形的波纹管。

这种成形方式可以确保管壁减薄量适中，因为液压在管壁上的作用是均匀的。

波纹管液压成形的工艺方法可以分为以下步骤：
1. 按照设计尺寸截取管坯，将管坯放置在下半模上，并闭合上、下半模，左右冲头延伸至管坯的两个端口中形成密闭的空腔，同时向管坯内注入液体。

2. 增大管坯内部液体压力，高压液体均匀作用于模腔，左右冲头固定，利用液体压力和模腔的约束形成初波。

3. 在初波成形完成后，施加轴向压力使模具进给，直至贴合，将初波挤进模腔，之后进一步增大管坯内部液体压力，使得管壁与模腔贴合并固定波形。

4. 成形完成后先卸内压力，再卸载轴向推力，分开上下模具，冲头退出，取出波纹管管件。

按照管坯上波纹成形的顺序是否连贯，波纹管液压成形技术可以分为整体式成形和连续式成形。

其中整体成形是管坯在模具中加载一次，就可以成形管件上所有的波纹，而连续成形是指每次成形一个波纹，依次成形管坯上设计的所有波纹。

请注意，具体的工艺参数和操作细节可能会因波纹管的材料、尺寸和设计要求等因素而有所不同。

因此，在实际生产过程中，需要根据具体情况进行调整和优化。

近20年来，旋压成形技术突飞猛进，高精度数控和录返旋压机不断出现并迅速推广应用，目前正向着系列化和标准化方向发展。

在许多国家，如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国己生产出先进的标准化程度很高的旋压设备，这些旋压设备己基本定型，旋压工艺稳定，产品多种多样，应用范围日益广泛。

了解该产品之前我先来了解一下，液压成形工艺和旋压成形工艺，然后做出一个对比。

一、液压技术液压成形技术就是采用水、油或其它液体介质传递压力,使坯料在液体介质压力作用下紧贴刚性凸模或凹模成形。

与传统板材成形相比,板材液压成形技术的工艺难度大,设备结构复杂。

在国外,液压成形通常有专用的液压成形设备,但其价格昂贵,超过国内很多厂家的购买力。

二、旋压成形工艺介绍旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，将金属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶在旋压机芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。

板料旋压成型通用于等断面制件的大批量生产。

由于使用多对辊轮的连续成型，可以滚制出许多壁薄、质轻、刚度大而且断面形状复杂的制件型材。

加上顺序旋压过程中可以与起状、卷筒、等多种工艺装置连动，形成流水作业，故生产效率极高，成本低廉，是现代加工制品中广泛应用和大力推广的特种工艺加工方法。

如自行车钢圈的生产，自来水管的生产，塑料龙骨的生产，波汶板的生产以及国外广为应用的不锈钢窗框的生产基本原理金属旋压技术的基本原理相似于古代的制陶生产技术。

旋压成型的零件一般为回转体筒形件或碟形件，旋压件毛坯通常为厚壁筒形件或圆形板料。

旋压机的原理与结构类似于金属切削车床。

在车床大拖板的位置，设计成带有有轴向运动动力的旋轮架，固定在旋轮架上的旋轮可作径向移动；与主轴同轴联接的是一芯模(轴)，旋压毛坯套在芯模(轴)上；旋轮通过与套在芯模(轴)上的毛坯接触产生的摩擦力反向被动旋转；与此同时，旋轮架在轴向大推力油缸的作用下，作轴向运动。

液压成形摘要：液压成形是一种先进的塑性成形技术，是利用液体介质代替凸模或凹模，靠液体介质的压力使材料成形的一种加工工艺。

液压成形技术不但能成形复杂零件还能够提高零件质量减少成形工序降低加工成本特别适合于小批量零件的加工生产。

关键字：管件液压成形. 液压胀形. 板材液压成形.1概述现代工业产品由大批量向多品种和中小批量方向发展。

对于批量小、尺寸多变的复杂形状板材零件，采用传统冲压方法成形时，模具设计、制造与调试需要消耗大量的人力、物力与时间，很难适应现代化发展的需要。

这就迫切需要研究一种新的柔性生产方法，达到既降低成本又缩短制造周期的目的。

液压成形技术正是在这种背景下提出来的液压成形是一种先进的塑性成形技术，是利用液体介质代替凸模或凹模，靠液体介质的压力使材料成形的一种加工工艺。

它能够改善工件内部应力状态，提高板料的成形极限，成形形状复杂的零件，且成形件质量好、精度高、回弹小，具有传统拉深无法比拟的优越性。

液压成形技术不但能成形复杂零件还能够提高零件质量减少成形工序降低加工成本特别适合于小批量零件的加工生产。

液压成形技术早在20世纪40 年代就被用于汽车制造业。

如果按照加工过程的特点,可以分为管件液压成形技术、板料液压成形技术等2 管材液压成形2.1管材液压成形的历史及原理管材液压成形起源于19世纪末, 当时主要用于管件的弯曲。

由于相关技术的限制, 在以后相当长一段时间内, 管材液压成形只局限于实验室研究阶段, 在工业上并未得到广泛应用。

但随着计算机控制技术的发展和高液压技术的出现,管材液压成形开始得到大力发展。

上世纪90年代, 伴随着汽车工业的发展以及对汽车轻量化、高质量和环保的要求, 管材液压成形受到人们重视, 并得到广泛应用。

管件液压成形是以金属管材为毛坯，借助专用设备向密封的管坯内注入液体介质，使其产生高压，同时还在管坯的两端施加轴向推力，进行补料，在两种外力的作用下，管坯材料塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空零件液压成形原理如图1 所示图1 管件液压成形原理示意图当零件轴线不是直线模腔分模面处截面小于管坯截面时，需进行弯管冲压等预工艺，以便管坯能顺利置入模腔中，如有必要，在液压成形之前还需进行退火处理2.2管材液压成形优点：与传统的冲压焊接工艺相比，管件液压成形工艺具有以下优点:(1 ) 减轻零件质量，节约材料; (2 ) 提高零件的强度和刚度，特别是疲劳强度; ( 3) 减少零件数量节约模具成本；(4) 零件整体成形，可减少后续机械加工和组装焊接量，简化生产流程，提高生产效率; (5) 提高加工精度，减少装配误差积累，可提高产品质量; (6)降低生产成本; (7) 结构形状设计更趋灵活优化。

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。

液压成形原理
嘿，朋友！今天咱就来好好唠唠液压成形原理！
你想想看啊，液压成形就像是一场力量与智慧的舞蹈。

比如说，我们要把一块金属板材变成一个特定形状的部件，这就好像是要给这块金属施魔法一样！液压系统就像一个大力士，它能产生巨大的压力，推动着金属板材按照我们想要的样子变形。

就好比你要做一个超级酷的飞机模型，液压成形就是那个能帮你把一片片零件塑造成完美形状的神奇工具。

你知道吗？在这个过程中，液体就像是一群听话的小士兵，听从液压系统这个指挥官的命令。

当压力施加到液体上时，它们就齐心协力地去推动金属板材。

这多神奇啊！如果没有液压成形，那我们生活中的好多东西都没法制造出来呢！
再比如说汽车的零部件吧，那些复杂的形状，可不就是靠液压成形弄出来的嘛！它可比我们手工敲敲打打厉害多啦！
哎呀呀，我跟你说，液压成形的应用可太广泛了！从航空航天到日常生活用品，到处都有它的身影。

它不就是那个默默奉献，却让我们的生活变得更美好的幕后英雄吗？
我觉得啊，液压成形真的是超级厉害的技术，它让我们能制造出各种各样复杂又精美的东西，丰富了我们的生活！真的值得我们好好去了解和研究它呀！。

小型桥壳液压胀形初始变形条件分析及成形试验王连东１㊀徐永生１㊀陈旭静１㊀吴㊀娜１,２１．燕山大学,秦皇岛,０６６００４㊀㊀２．唐山学院,唐山,０６３０００摘要:介绍了小型汽车桥壳的液压胀形工艺,提出了初始胀形内压的表达式,预测了初始胀形内压与轴向推力的匹配关系(即经向应力比的大小)对预胀形时各部分变形顺序的影响.在普通液压机上进行了两种加载路径下的液压胀形试验,在初始经向应力比小于零并保持恒内压的条件下,预胀形管坯先变形成两侧高㊁中部低的双鼓形,经增压后将中部胀起;在初始经向应力比大于零且内压恒定的条件下,预胀形管坯中部沿轴向胀裂;两种加载路径下,管坯扁锥体凸起与胀形区之间均产生了明显内凹缺陷.理论分析与试验结果均表明,初始变形条件对小型桥壳的预胀形有重要影响.关键词:汽车桥壳;液压胀形;初始胀形内压;经向应力比;预胀形管坯中图分类号:T G ３１６㊀㊀㊀㊀㊀㊀D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０１６．０３．０２１A n a l y s e s o f I n i t i a l D e f o r m a t i o nC o n d i t i o n s f o rL i gh t H y d r o f o r m i n g A x l eH o u s i n g a n dF o r m i n g E x pe r i m e n t s W a n g L i a n d o n g １㊀X uY o n g s h e n g １㊀C h e nX u j i n g １㊀W uN a １,２１．Y a n s h a nU n i v e r s i t y ,Q i n h u a n g d a o ,H e b e i ,０６６００４㊀㊀２．T a n g s h a nC o l l e g e ,T a n gs h a n ,H e b e i ,０６３０００A b s t r a c t :T h e h y d r o f o r m i n g t e c h n o l o g y o f l i g h t a x l e h o u s i n g wa s i n t r o d u c e d ．T h e f o r m u l a o f i n i t i a l i n t e r n a l pr e s s u r ew a sd e d u c e d ,a n dt h e i n f l u e n c e so f t h er e l a t i o no f t h e i n t e r n a l p r e s s u r ea n da x i a l t h r u s t (a x i a l s t r e s s r a t i o )i n t h e p r e b u l g i n gp r o c e s so nt h ed e f o r m a t i o ns e qu e n c ew a s p r e d i c t e d ．T h e h y d r o f o r m i n g e x p e r i m e n t sw e r e d o n e o n g e n e r a l h y d r a u l i cm a c h i n e u n d e r t w o d i f f e r e n t l o a d p a t h s ．U n Ｇd e r t h ef i r s tl o a d p a t h ,t h ei n i t i a la x i a ls t r e s sr a t i o w a sn e ga t i v ea n dt h e p r e s s u r e w a sc o n s t a n t t h r o u g h o u t t h e f e e d i n gp r o c e s s ,t h e p r eb u l g i n g t u b ew a s f i r s td e f o r m e d t oad o u b l e d r u mt y pew i t h t h e d i a m e t e r o f t w o s i d e s l a r g e r t h a n t h e c e n t r a l ,a n d t h e c e n t r a l p a r tw a s f i n a l l y b u l g e db y i n c r e a s i n gt h e i n t e r n a l p r e s s u r e ．U n d e r t h es e c o n dl o a d p a t h ,t h e i n i t i a l a x i a l s t r e s sr a t i o w a s p o s i t i v ea n dt h ep r e s s u r ew a s c o n s t a n t t h r o u g h o u t t h e f e e d i n gp r o c e s s ,t h ec e n t r a lo f t h et u b ec r a c k e da x i a l l y．T h e c o mm o n c o n c a v e d e f e c t s o f t h e s a m p l e so f t w o l o a d p a t h sw e r eo b s e r v e da t t h e t r a n s i t i o nr e gi o nb e Ｇt w e e n f l a t c o n e a n db u l g i n g a r e a ,a n d i tw i l l n o t d i s a p p e a r a f t e r t h e f i n a l b u l g i n g．B o t ho f t h e t h e o r e t i Ｇc a l a n a l y s e s a n d e x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e i n i t i a l d e f o r m a t i o n c o n d i t i o n s h a v e a n i m p o r t a n t i n Ｇf l u e n c e o n t h e p r e b u l g i n gp r o c e s s o f l i g h t a x l eh o u s i n g．K e y wo r d s :a u t o m o b i l e a x l eh o u s i n g ;h y d r o f o r m i n g ;i n i t i a l p r e s s u r e ;a x i a l s t r e s s r a t i o ;p r e b u l g i n g t u b e收稿日期:２０１５０１１６基金项目:河北省自然科学基金资助项目(E ２０１２２０３０２２)０㊀引言管材液压胀形是制造机械零部件的先进方法,已广泛应用于机械㊁电子㊁航空航天㊁交通运输等领域.近年来,国内外学者对管材液压胀形进行了较多的研究.K o c 等[１]从理论上得到了液压胀形时理想管材轴向屈曲㊁起皱和破裂的临界条件,给出了确定不同工艺条件下胀形内压㊁轴向力和轴向补料量的方法.M a n a b e 等[２]研究了材料的各向异性和硬化系数对液压胀形的影响,指出了应力比对壁厚分布和成形性能的影响.李洪洋等[３]进行了空心阶梯轴内高压成形试验,给出了初始内压的表达式,并进行了不同初始内压下的工艺试验.汽车桥壳为异型截面空心管类件,理论上可以用液压胀形方法制造.２０世纪８０年代,日本学者用液压胀形方法试制出微型汽车桥壳样件[４ ５],取得了一些宝贵经验.２１世纪初,国内一些学者提出了汽车桥壳半滑动式液压胀形工艺,给出了极限胀形系数的数学表达式,并研究了内压与轴向力的匹配问题[６ ８].汽车桥壳形状复杂,两端小中部大,中部截面与两端截面的当量直径比大于３．０,周向扩张量大,轴向补料多,用液压胀形方法成形难度大.本文针对某小型桥壳的液压胀形工艺,分析了初始胀形内压的大小㊁初始胀形内压与轴向推力的匹配关系(即经向应力比的大小)㊁胀形过渡区的形状等初始胀形条件对桥壳预胀形的影响,预测了胀形区各部分的变形趋势以及可能出现的内凹㊁胀裂等缺陷,并在普通液压机上进行了工艺试验.１㊀小型汽车桥壳液压胀形工艺本文研究的小型汽车桥壳总长１０５０mm ,中８９３ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.间截面当量直径为２１２mm,两端直臂圆管部分外径为６７mm.受普通液压机开间的限制,将桥壳样件总长度缩减至４７６mm.无缝钢圆管液压胀形工艺包括端部缩径㊁预胀形和终胀形三个阶段,工艺过程如图１所示.２０无缝钢管坯初始直径为１０２mm㊁壁厚为５ ５mm㊁长度为５５８mm,两端部缩径后直径减至６７mm,然后进行预胀形,包括锥形区的挤压变形和中间部分的液压胀形两个过程.液压胀形前,胀形模具轴向推进时先将缩径管坯的圆锥区挤压成宽度相同而高度不同的扁锥体,如图１b㊁图１c 所示.预胀形时将中部液压胀形成中间略低于两侧的马鞍形(图１d),中间截面的胀形系数k１＝１ ５５.预胀形管坯退火后,再进行终胀形得到桥壳样件,如图１e所示.(a)缩径后管坯(b)挤压后管坯垂直纵向视图(c)挤压后管坯水平纵向视图(d)预胀形管坯(e)终胀形图１㊀桥壳液压胀形工艺简图２㊀预胀形管坯初始变形条件分析缩径管坯圆锥区在预胀形前被挤压成扁锥体,如图２所示.垂直纵截面上,扁锥体与轴线倾斜角为α,扁锥体与中部预胀形部分过渡处形成高于初始管坯的凸起,最高点A处的纬向曲率半径为RθA㊁经向曲率半径为R１,凸起部位与预胀形区过渡处B u点处的内凹圆角半径为R２.水平截面上,扁锥体与轴线倾斜角为β,扁锥体与中部预胀形部分过渡处B d点处的外凸圆角半径为R３.(a)管坯垂直纵截面(b)管坯水平纵截面图２㊀缩径管坯预胀形受力分析２．１㊀初始胀形内压的确定对挤压后的缩径管坯进行预胀形:初始内压为p,在管坯两端施加轴向推力F a１㊁F a２,在扁锥体上施加轴向推力F b１㊁F b２,如图２所示.对管坯施加内压和外力后,胀形区各质点处于三向应力状态:纬向应力σθ㊁经向应力σρ和径向应力σr.假设沿管坯壁厚方向,纬向应力σθ㊁经向应力σρ均布,则两者与内压p之间应满足以下平衡方程:pt０－σθRθ－σρRρ＝０(１)式中,Rθ为质点处管坯中间层的纬向曲率半径,近似等于外层的纬向曲率半径;Rρ为质点处管坯中间层的经向曲率半径,近似等于外层的经向曲率半径,对于外凸曲线, Rρ为正值,对于内凹曲线,Rρ为负值;t０为质点处管坯的壁厚.经向应力由模具施加于管坯的轴向推力和液体内压共同作用产生,其大小由下式确定:σρ＝－F a＋F b－πr２０pπ(２r０＋t０)t０(２)式中,F a为作用于管坯端部的模具推力,即F a１与F a２之和;F b为作用于管坯锥面的模具推力,即F b１与F b２之和; r０为管坯预胀形区内半径.胀形管坯外表面上质点径向应力σr为零,处于平面应力状态,变形时塑性条件按M i s e s屈服准则,即应满足:σ２θ－σθσρ＋σ２ρ＝σ２s(３)定义经向应力σρ与纬向应力σθ的比值为经９９３Copyright©博看网. All Rights Reserved.向应力比λ,即σρ＝λσθ(４)将式(４)代入式(３)得到σθ＝σs１－λ＋λ２(５)将式(４)㊁式(５)代入式(１),得到初始胀形的内压p :p ＝(t ０R θ＋λt ０R ρ)σs １－λ＋λ２(６)水平纵截面上,管坯外壁中点C d 发生初始变形所需的内压p C d 为p C d ＝t ０R θσs１－λd ＋λd ２(７)扁锥体过渡处B d 点发生变形所需的内压p B d 为p B d ＝(t ０R θ＋λdt ０R ３)σs １－λd ＋λ２d(８)管坯垂直纵截面上,管坯中点C u 发生变形所需内压p C u 为p C u ＝t ０R θσs１－λu ＋λu(９)扁锥体过渡凹圆角处B u 点发生变形所需的内压p B u 为p B u ＝(t ０R θ＋λut ０R ２)σs １－λu ＋λ２u (１０)扁锥体凸起点A 处发生变形所需内压p A 为p A ＝(t ０R θA ＋λu t ０R １)σs １－λu ＋λ２u(１１)２．２㊀初始经向应力比影响分析由于管坯各处变形所需的内压不同,在液压胀形过程中,各处达到塑性屈服条件的顺序也不同,导致变形有先后.比较式(７)㊁式(８)可知:在管坯水平纵截面上,当经向应力比λd ＝０(即经向应力σρ＝０)时,中间C d 点与两侧扁锥体过渡处B d 点变形所需的内压相同,即中部与两侧将同时胀形;当经向应力比λd ＜０(即σρ为压应力)时,p B d ＜p C d ,两侧过渡处B d 点先于中间点C d 发生胀形,管坯将呈两侧高㊁中部低的双鼓形;当经向应力比λd ＞０(即σρ为拉应力)时,p B d ＞p C d ,中间点C d 先于两侧过渡处B d 点发生变形,管坯将呈中部高于两侧的单鼓形,管坯中部轴向补料效果差,容易胀裂.比较式(８)㊁式(１０)可知:当经向应力比为负值时,垂直纵截面上扁锥体过渡处B u 点变形所需的内压p B u 大于水平纵截面上的过渡点B d 所需内压p B d ,即B d 点先于B u 点发生变形;当经向应力比等于零时,B d 点与B u 点变形所需的内压理论上相同,但由于挤压变形后垂直纵截面上B u 点处存在内凹圆角,B u 点的变形受到邻近凸起A 点的影响而不易发生,即B u 点仍将迟于B d 点发生胀形.比较式(７)㊁式(９)可知:在经向应力比相同时,水平截面上的中间点C d 与垂直截面上的中间点C u 将同时起胀.扁锥体的形状使得水平截面上的轴向力F b ２的作用效果好于垂直截面上的轴向力F b １的作用效果,即λd ＜λu ,所以C d 点将先于C u 点发生胀形.比较式(９)~式(１１)可知:在管坯垂直纵截面上,当经向应力比等于零时,中间点C u ㊁两侧过渡凹圆角处B u 点与扁锥体的凸起点A 将同时达到塑性条件;当经向应力比小于零时,扁锥体的凸起点A 最先达到塑性条件,其次是中间点C u 达到塑性条件,而两侧过渡凹圆角处的B u 点最后达到塑性条件,该处容易形成凹陷.３㊀小型桥壳液压胀形试验３．１㊀预胀形模具根据图１所示的桥壳液压胀形工艺,选取２０无缝钢管,屈服极限为３５０M P a ,强度极限为４１０M P a ,单向拉伸的均匀延伸率为２５％,弹性模量为２１０G P a ,泊松比为０ ２８.在普通液压机上依次进行四次缩径,缩径后管坯如图３所示.图３㊀缩径后管坯缩径后管坯在普通液压机上采用半滑动式液压胀形方式[６]进行预胀形,管坯轴向进给８５mm ,预胀形模具结构如图４所示.１．左导板㊀２．下模分块３㊀３．柱销㊀４．下模分块２㊀５．导柱６．下模分块１㊀７．控制模㊀８．管坯㊀９．上模分块１１０．螺钉㊀１１．上模分块２㊀１２．密封镶块㊀１３．上模分块３１４．密封压头㊀１５．管接头㊀１６．传感器㊀１７．导柱１８．限位块㊀１９．右导板㊀２０．螺钉㊀２１．放液孔图４㊀半滑动式预胀形模具００４ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.３．２㊀初始胀形内压及加载路径假想管坯中部与两侧同时发生塑性变形,即经向应力比等于零时,按式(７)或式(９)计算出的胀形内压p ０为p ０＝t ０σs R θ１－λ＋λ２＝３７ ７(M P a )当初始内压小于p ０时,胀形两侧部分将先于中部发生变形;当初始内压大于p ０时,胀形部分中部将先于两侧发生变形.液压胀形时管坯内压与轴向进给量之间的关系即加载路径对成形影响至关重要,为比较初始胀形条件对变形的影响,选择以下两种加载路径,如图５所示.图５㊀预胀形试验加载路径(１)加载路径Ⅰ.初始胀形内压p 小于p ０,内压选为３７M P a ,则初始经向应力比小于零.管坯轴向推进８５mm 过程中保持内压３７M P a 不变,合模后将内压升至６０M P a 校形.(２)加载路径Ⅱ.初始胀形内压p 大于p ０,内压选为４２M P a ,则初始经向应力比大于零.管坯轴向推进８５mm 过程中保持内压４２M P a 不变,合模后将内压升至６０M P a 校形.３．３㊀预胀形试验(１)按加载路径Ⅰ试验.管坯合模时先变成图６a 所示的两侧大中部小的双鼓形:两侧最高点直径为１５７mm ,中间部分直径仅为１２３mm ,表明管坯两侧先于中部发生变形;水平纵截面方向的变形区域较垂直方向上的变形区域大,表明管坯两侧水平纵截面方向较垂直方向容易变形;管坯垂直纵截面方向上,扁锥体与胀形区之间产生了明显内凹,表明挤压管坯纵截面上扁锥体凸起与预胀形区之间的内凹圆角处不易变形.模具合模后将双鼓形的管坯内部液体压力增至６０M P a 进行校形,得到成形良好的预胀形管坯,如图６b 所示.校形后管坯垂直纵截面方向上扁锥体与胀形区之间的内凹仍然存在.如图７a 所示,选择预胀形管坯,沿水平纵截面㊁垂直纵截面及圆周方向切去１/８部分,在剖面上选取测量点测量壁厚:沿圆周方向从垂直截面至水平截面每间隔４ ５ʎ采集一点,共采集２０点;㊀(a)增压前样件(b)增压后样件图６㊀路径I 预胀形试验样件在垂直纵截面上从中间向外侧每间隔７ ５mm 采集一点,共采集２０点.由周向截面上的壁厚变化曲线(图７b )可知:从垂直截面至水平截面,管坯壁厚逐渐增大,最小壁厚为４ ２mm ,相对初始壁厚减薄率为２３ ６４％,最大壁厚为４ ９６mm ,减薄率为９ ８２％.在垂直纵截面上,胀形区的壁厚较均匀,由胀形区向外侧壁厚由４ ２mm 逐渐增加到６ ０９mm ,如图７c 所示.(a)预胀形剖开试件(b)中间截面周向壁厚(c)纵向截面轴向壁厚图７㊀预胀形管坯壁厚分布(２)按加载路径Ⅱ试验.管坯中部及两侧均胀起,水平截面方向上中部的变形较两侧大,管坯中部沿纵向胀裂,裂口处的壁厚为３ ９mm ,减薄率为２９ ０９％.由变形结果可推断:中间部分先于两侧发生变形,在胀形过程中补料效果差导致壁厚减薄率超过了文献[８]给出的胀裂极限而出现胀裂.由图８所示的试件可看出,管坯垂直纵截面方向上扁锥体与胀形区之间仍然存在明显的内凹.图８㊀路径Ⅱ预胀形试验样件１０４ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(３)终胀形试验.将加载路径Ⅰ得到的预胀形管坯退火后进行终胀形,得到了液压胀形桥壳样件,如图９所示.由样件的外观可以看到,预胀形管坯垂直纵截面方向上扁锥体与胀形区之间的内凹在终胀形过程中没有消除,仍残留在样件中.图９㊀终胀形样件４㊀结论(１)给出了预胀形管坯各部分变形所需初始内压的表达式.初始内压正比于管材的屈服强度和管坯的壁厚,随管坯的纬向曲率半径㊁经向曲率半径的增大而减小,随经向应力比的减小而减小.(２)分析了初始经向应力比λ对预胀形管坯变形的影响:当λ＝０时,管坯两侧与中部同时发生变形;当λ＞０时,中部先于两侧发生变形,管坯将呈中部高于两侧的单鼓形,中部轴向补料效果差,容易胀裂;当λ＜０时,水平截面方向上两侧先于中部发生变形,垂直截面方向上扁锥体凸起先于中部发生变形,两侧过渡凹圆角处不易变形,管坯将呈两侧高㊁中部低的双鼓形,而且垂直截面方向过渡内凹圆角处可能形成内凹缺陷.(３)针对小型桥壳进行了两种加载路径下的液压胀形试验,结果表明:初始经向应力比小于零并保持恒内压胀形时,预胀形管坯先变形成两侧高㊁中部低的双鼓形,经增压后将中部胀起;初始经向应力比大于零并保持恒内压胀形时,预胀形管坯中部沿轴向胀裂;两种加载路径下,管坯垂直纵截面方向上扁锥体与胀形区之间均产生了明显内凹,加载路径Ⅰ下的预胀形管坯退火后进行终胀形时内凹缺陷仍没有消除.(４)缩径后管坯先挤扁圆锥区再胀形中部时,垂直截面上扁锥体与胀形区之间产生的初始凸起限制了其临近处的变形,最终导致样件存在内凹.后续拟先将缩径管坯液压胀形为一定形状的预成形管坯,再进行整体成形得到无内凹的桥壳样件.参考文献:[１]㊀K o c M ,A l t a nT．P r e d i c t i o no fF o r m i n g Li m i t sa n d P a r a m e t e r s i n t h eT u b eH y d r o f o r m i n g Pr o c e s s [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM a c h i n eT o o l s&M a n u f a c Ｇt u r e ,２００２,４２(１):１２３ １３８．[２]㊀M a n a b eKI ,A m i n o M．E f f e c t so fP r o c e s sP a r a m e Ｇt e r s a n dM a t e r i a l P r o p e r t i e s o nD e f o r m a t i o nP r o c e s s i nT u b eH y d r o f o r m i n g [J ]．J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o Ｇc e s s i n g T e c h n o l o g y ,２００２,１２３(２):２８５ ２９１．[３]㊀李洪洋,苑世剑,王小松,等．初始内压对内高压成形阶梯轴影响的实验研究[J ]．材料科学与工艺,２００５,１３(４):１４３ １４５．L iH o n g y a n g ,Y u a nS h i j i a n ,W a n g X i a o s o n g ,e ta l ．E x p e r i m e n t a l I n v e s t i ga t i o no fI n i t i a l I n t e r n a lP r e s Ｇs u r e o n H y d r o f o r m i n g M u l t i s t e p pe dS h af t [J ]．M a Ｇt e r i a l S c i e n c e a n dT e c h n o l og y ,２００５,１３(４):１４３ １４５．[４]㊀U e d aT．D i f f e r e n t i a lG e a rC a s t i n g fo rA u t o m o b i l e s b y L i q u i dB u l g eF o r m i n g Pr o c e s s －P a r t １[J ]．S h e e t M e t a l I n d u s t r i e s ,１９８３,６０(３):１８１ １８５．[５]㊀U e d aT．D i f f e r e n t i a lG e a rC a s t i n g fo rA u t o m o b i l e s b y L i q u i dB u l g eF o r m i n g Pr o c e s s －P a r t ２[J ]．S h e e t M e t a l I n d u s t r i e s ,１９８３,６０(４):４８ ５６．[６]㊀王连东,陈国强,杨东峰,等．普通液压机半滑动式液压胀形汽车桥壳的工艺研究[J ]．中国机械工程,２０１１,２２(１８):２２４９ ２２５３．W a n g L i a n d o n g ,C h e n G u o q i a n g ,Y a n g D o n g f e n g,e t a l ．R e s e a r c ho fH a l f s l i d i n g H y d r o f o r m i n g A u t o Ｇm o b i l e H o u s i n g s w i t haC o mm o n P r e s s [J ]．C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１１,２２(１８):２２４９ ２２５３．[７]㊀陈国强,王连东,韩晓亮,等．半滑动式液压胀形汽车桥壳的模具设计及成形[J ]．塑性工程学报,２０１１,１８(３):６１ ６５．C h e n G u o q i a n g ,W a n g L i a n d o n g ,H a n X i a o l i a n g,e t a l ．T h eD i eD e s i g na n d D e f o r m a t i o n A n a l y s i so f H a l f s l i d i n g H y d r o f o r m i n g B u l g i n g ofA u t o m o b i l e A x l e H o u s i n g s [J ]．J o u r n a lo fP l a s t i c i t y E n g i n e e r Ｇi n g,２０１１,１８(３):６１ ６５．[８]㊀王连东,程文冬,梁晨,等．汽车桥壳液压胀形极限成形系数及胀裂判据[J ]．机械工程学报,２００７,４３(５):２１０ ２１３．W a n g L i a n d o n g ,C h e n g W e n d o n g ,L i a n g Ch e n ,e t a l ．F o r m i n g L i m i tC o e f f i c i e n t a n dB u r s t i n g C r i t e r i o no f H y d r o b u l g i n g A u t o m o b i l eA x l eH o u s i n gs [J ]．C h i Ｇn e s eJ o u r n a lo f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,２００７,４３(５):２１０ ２１３．(编辑㊀陈㊀勇)作者简介:王连东,男,１９６７年生.燕山大学车辆与能源学院教授㊁博士研究生导师.主要研究方向为液压胀形工艺理论与技术㊁汽车零部件设计及制造.徐永生,男,１９９０年生.燕山大学车辆与能源学院硕士研究生.陈旭静,女,１９８８年生.燕山大学车辆与能源学院硕士研究生.吴㊀娜,女,１９８０年生.唐山学院机电工程系副教授,燕山大学车辆与能源学院博士研究生.２０４ Copyright ©博看网. 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