成形方案

成形方案（精选9篇）

成形方案 篇1

摘要：介绍了喷射成形沉积体运动方式的设计及PLC运动控制的建模方法, 分析了系统控制难点和解决方案;对于长轴面的喷射成形作业具有通用性的借鉴意义, 对于新材料的开发具有积极的推动作用。

关键词：粉末冶金,喷射成形,PLC控制,系统建模

引言

喷射成形是上世纪60年代提出的学术思想, 该技术是从传统的快速凝固粉末冶金 (RS/PM) 工艺基础上发展起来的快速凝固近终成形材料制造技术。它是一项涉及粉末冶金、液态金属雾化、快速冷却和非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术。其基本工作原理是利用惰性气体将合金熔体雾化成不同尺寸的熔滴, 然后沉积到接收基体上, 凝固成结合良好的接近完全致密的坯件;通过调整沉积体的形状和控制沉积体相对于喷嘴的移动, 可以制成不同形状的沉积坯件。喷射成形技术相对于传统的粉末冶金工艺, 制备的材料晶粒更加细小, 组织更为均匀, 且能够抑制高合金化材料中的宏观和微观偏析, 材料的力学性能几乎没有各向异性, 致密度高。此外, 由于喷射成形制成的合金含氧量低, 耐磨性和耐腐蚀性也大大提高, 被广泛应用于航空航天等军事领域。但喷射成形技术的难点在于复现性差, 不易于找到统一的控制模式, 本文旨在从实际应用之角度对长轴面沉积体的喷射成形作业进行控制方案的分析、设计, 寻找一些规律和技巧, 以达到生产出高质量产品的效果。

1 系统总体控制方案设计

不同生产条件下, 喷射成形原理上没有多大差别, 但生产装置和控制方法等方面是解决该技术的关键。江苏共昌轧辊股份有限公司 (以下简称“江苏共昌”) 通过对国家“十二五”科技支撑计划项目的组织实施, 成功研发出适合喷射成形轧辊的成套设备, 如图1所示, 包括熔炼系统、保温系统、雾化沉积系统、真空系统、除尘系统、沉积体精确运动控制系统、监测系统、冷却水循环系统, 及PLC上位机控制系统、雾化沉积监控系统等。

真空熔炼感应炉置于中间包上方, 熔炼钢水经除渣、脱氧后直接倾倒至中间包坩埚, 以减少由于运输造成的热量损失。中间包坩埚采用感应加热进行钢水恒温处理, 主要采用钨铼热电偶进行测温和信号反馈, 闭环控制中频电源输出功率, 保证了钢水的浇铸过程温度一致。对中间包坩埚进行了特殊设计, 采用双室坩埚, 一方面隔墙底部开孔的连通器可以保证钢水的纯净度, 另一方面让水口位保持一定的压强, 有效地防止了堵嘴及喷射不均等异常情况的发生。

设备的传动系统包括熔炼坩埚的倾倒、沉积体装载小车的进出、沉积体的升降及自转、沉积体U型加热器的定位与加热控制、喷射舱的闭锁和密封、雾化气的控制等。其中沉积体的升降及自转需要精确的变频调速控制, 选用Micro Master440系列变频器, MM420变频器由微处理器控制, 采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件, 具有很高的运行可靠性及功能的多样性。MM420变频器的控制方式有多种, 可以通过数字量加模拟量实现简单控制, 也可以通过USS或PROFIBUS的方式与其他控制单元通信连接。在变频调速控制上我们采用PLC输出模拟量控制变频器输出频率和开关量控制启停来实现。设计的喷射成型控制系统 (如图2所示) 主要由可编程序控制器PLC、工业控制计算机、上位组态控制软件 (WINCC) 、现场传感变送器、执行器 (如电动机等) 、阀门机构等组成。

下位机选用的是西门子S7-300系列PLC, 包括CPU模块、信号采集模块、电源模块等。选用SIMATIC工控机作为上位监控系统, 以及西门子组态软件WINCC。工控机上安装有CP5611通讯卡, 上、下位机之间采用MPI方式进行通讯连接。WINCC组态软件可以实现人机交互界面, 可以对喷射过程进行方便直观的监视、控制及数据的归档和报警信息的处理;PLC和现场具体设备相连, PLC程序实现对设备整体工作流程的具体控制实现;PLC通过协议与WINCC实时交换数据。

2 上位监控系统WINCC软件设计

2.1 设计方案

WINCC组态软件是一个集成的人机界面HMI和监控管理系统, WINCC中提供了ANSI-C和VBS语言脚本, 具有标准的应用程序接口, 通过ODBC和SQL能访问WINCC所集成的数据库归档数据。WINCC主要由控制中心、系统控制器和数据管理器等模块组成, 其中控制中心组合了系统操作所需的全部数据, 并确保按等级数据进行存储, 系统控制器进行通讯管理, 而数据管理器主要是用于处理变量值。在设计控制软件时之所以选用WINCC组态软件, 除了因为其功能强大之外, 还兼顾考虑到其本身提供有下位机S7-300PLC的驱动程序, 可以嵌入编程工具STEP的管理器, 使得上位机程序和下位机PLC程序可以被统一管理, 二者链接非常容易实现。监控主画面 (如图3所示) 根据实际生产需要主要对喷射过程进行动态管理与监控, 有工艺参数设置部分、沉积体负载小车4个方向及自转控制部分、沉积小车模拟运行动态画面、各电机转速及位移随动显示部分、报警单元、沉积体加热器及安全门联锁运动控制部分等, 其中一些子画面由按钮调用。

画面中左侧中上部显示模拟的各部件单元的运动状态, 左下部分分别显示了X, Y, Z轴的运动速度曲线的实时监控, 画面右侧分别是喷射成形工艺参数设置、喷射沉积体的手动定位, 启停控制, 下方为子画面调用按钮。

2.2 控制程序

2.2.1 工艺参数的设置与修改

点击“设置参数”会自动进入参数设置画面, 如图4所示。在获取参数修改权限后可以对控制工艺参数进行修改。主要的参数分为三块内容:1) X轴、Y轴的单圈移动距离及Y轴的提升速度控制;2) X, Y, Z轴的减速机的减速比;3) 运行参数设置的极限值, 防止超出安全控制的参数范围。而对于复现性的产品生产, 也可以从预先存入的数据库中直接进行参数调用 (如图5所示) , 为数据管理及工艺改进提供方便。

2.2.2 启动或停止作业

在参数修改或调用程序结束后, 需要手动定位沉积体的起始点, 通过点击主画面右侧的“手动定位”按钮获取权限, 通过调节四个方向将雾化喷嘴定位在沉积体左侧的起点位置。定位结束后, 沉积体进行预热, 红外测温仪检测预热温度并自动反馈至中频装置, 达到预设温度后, 中频装置关闭, 沉积体装载小车运行至起喷点位置, 铁水雾化气压 (40MP) 正常、中间包坩埚内铁水温度满足后, 点击“启动按钮”, 铁水泄流闸阀打开, 沉积体自转同时沉积体装载小车按预设方向开始移动, 喷射成形作业按设定的工艺路线开始运行。喷射作业直到沉积体直径达到目标直径时自动终止。

在喷射成形加工过程中, 暂停按钮可以随时终止喷射作业, 再次点击暂停按钮, 将按照原先的加工进度上继续执行喷射作业。急停按钮用于在系统出现紧急情况下切断伺服电机电源之用。报警子画面列出了故障信息, 如图6所示。

画面上显示出X, Y, Z轴伺服电机及电源模块的工作状态, 当出现故障报警时, 可以查看相应的报警代码。同时, 也可以通过操作相对应的复位按钮将报警进行复位。

2.2.3 动态监控

曲线画面主要用于喷射过程中对X, Y, Z轴伺服电机运行转速的动态实时监控, 如图7所示。

3 控制系统建模方案

轧辊长轴喷射成形要兼顾多种条件因素, 要在铁水雾化喷射扫描速度、往返运行速度、基轴变速下降、雾化气体压力的调节等方面达到和谐的统一, 才能在保证较高的沉积收得率的前提下喷射出致密的冶金结合良好的产品。轧辊基材在真空喷射仓内用U型中频感应加热器预热到1200℃, 真空环境预防了基材氧化, 高温预热保证了冶金结合。

3.1 建模相关参数的定义与设定

3.2 喷射成形工作状态的运动控制和算法

3.2.1 堆积厚度 (D)

D= (铁水流量*沉积率) / (7.85×线速度×带宽) = (A×H) / (7.85×B×C) 。

3.2.2 工件起始速度 (F)

F=工件线速度/ (起始直径×∏) =B/ (Y×∏) 。

3.2.3 工件旋转的速度控制

工件线速度/ (工件直径×∏) =B/ (Y+2×D) ×∏=B/[Y+2×A×7.85/ (B×C) ]×∏。

3.2.4 工件横向行走速度

起始横向速度*起始直径/ (起始直径+2×堆积厚度) =E×Y/ (Y+2D) 。

3.2.5 工件横向运动的次数N (以改变运动方向计数)

N= (工件目标直径-工件起始直径) / (2×堆积厚度) = (Z-Y) / (2×D) 。

3.2.6 下降位移控制 (以每个横向运动行程结束时下降一次)

每次下降的距离=堆积厚度=D。

3.3 关键控制点—起喷点的设置方案

1) 设置原则:从一端向另一端进行铁水喷射扫描堆积, 起喷点改变了传统的以中心点为基准向两侧扫描的方式, 实际证明, 设计为端点定位的控制方式更加合理;

2) 喷射起喷位设置有接近开关, 当沉积体工件装载小车到达此位置时, 信号反馈至主程序, 主画面有到位信号指示灯, 而喷射过程中该信号将直接控制沉积体装载小车横向位移的反向动作。

通过将以上的建模方案定义至S7-300, 对应的PLC程序设计将异常简便。

4 结束语

喷射成形设备结构形式复杂多样, 比如有单喷嘴、双喷嘴和多喷嘴等;有沉积体工件水平方向和竖直方向移动, 或沉积体固定而喷嘴移动等方式;设备配置不同其控制方案也相差迥异。本文仅就江苏共昌沉积体工件水平移动方式 (包括随着沉积厚度的增加为保证铁水喷射雾化距离而进行的本体下降运动) 做出了控制方案设计说明, 对关键的结构件如U型中频感应加热器、恒压双室保温中间包坩埚、雾化喷嘴系统等进行了自主开发设计, 部分申报了国家专利。PLC控制系统设计先进, 运行可靠, 保证了喷射成形工艺执行过程中的零误差。系统可维护性好, 提高了项目的自动化作业率和工作效率, 铁水雾化沉积率在80%以上, 在行业中有比较好的借鉴意义。

参考文献

[1]张济山, 熊柏青, 崔华.喷射成形快速凝固技术——原理与应用[M].北京:科学出版社, 2008.

[2]许加星, 喷射成形设备控制系统研究与应用[D].西安:西安电子科技大学, 2009.

成形方案 篇2

镁合金热介质内高压成形装置及管材成形性能

介绍了镁合金热介质内高压成形装置的基本组成和原理,阐述了镁合金管材内高压成形性能测试方法,并将该方法应用于AZ31B镁合金管材热成形性能评定.所建立的`热介质内高压成形装置最高加热温度为315℃.压力为100 MPa,可实现高压热介质的传输和密封、成形件温度和加载曲线控制等.综合分析温度对总延伸率、均匀延伸率和n值等性能参数的影响,所采用的AZ31B镁合金管材的最佳成形温度在150～200℃之间.另外,分流模挤压管材的焊缝性能对内高压成形性能也有重要影响.

作 者：刘钢 何祝斌 苑世剑 许爱军 作者单位：哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(z1)分类号：V2关键词：镁合金 内高压成形 管材成形性能

成形方案 篇3

目前, 中国电信的三屏互动数字社区产品主要依托其天翼宽带品牌优势, 提供包括光纤宽带、社区信息化、无线Wi-Fi、数字家装、IPTV等综合信息化解决方案, 形成了完善的融合产品体系。该平台的实现与上线, 有力支撑了数字社区产品的落地和推广, 已在广东省的东莞、佛山、梅州、清远、江门等地的数字社区中得以应用, 用户规模现有约7000多户。

所谓三屏互动是指通过电视、电脑、手机实现三屏同看、三屏通信等互动功能, 让用户随时随地获取各种信息服务。其实质是基于宽带互联网、电信网络, 以PC、TV、手机等具有数字化能力的设备为终端, 通过聚合CP/SP的各种信息内容和应用, 为用户提供综合信息服务内容。

三屏互动是当下电信运营商在全业务运营背景下, 实现业务转型发展的重要方向, 是推进综合信息化服务在不同网络平台、多样化终端环境下实现业务融合和信息分享的重要技术路径, 也是实现综合信息服务的集约化运营的必由之路。

随着大带宽时代到来, 家庭将成为三屏互动主要的应用场景和服务对象。本文将针对家庭应用场景, 提出三屏互动数字社区平台架构设计方案, 阐述其核心能力和主要功能。

多账号间自由转换

总体上, 三屏互动数字社区平台可以分为基础能力平台与外部业务系统两部分, 其中基础能力平台提供所有业务需要的基础能力, 包括帐号、消息、存储、监控、业务触发、邮件、个性化门户封装等各个部分;而外部所有业务系统以对接的方式与基础能力平台进行对接 (如图1所示) 。

该平台上的账号包括了手机号码、固话号码以及IPTV账号。对于机顶盒, 使用原有IPTV帐号或固话号码进行登录;对于手机, 采用WAP、客户端时, 使用手机号码进行登录, 如果使用Net方式时, 使用手机号码或固话号码进行登录;对于PC, 使用手机号码或固话号码进行登录。

对于账号能力的具体描述, 主要包括三个方面。

首先, 多帐号绑定能力:即业务平台帐号下可关联其业务号码, 如固话、手机、IPTV、ADSL帐号等, 为方便用户使用, 登陆帐号仅限于固话和手机号码。

其次, 多帐号间费用支付能力:即业务平台支持使用手机号码、固话号码及IPTV账号相互支付费用, 并且将支付情况及费用明细反馈给用户。

最后, 多帐号在线状态查询能力:即用户可以通过手机号码、固话号码及IPTV账号相互查询好友在线状态, 并可多账号间好友互通, 相互发送消息。

多屏触发业务实时提供

在体现三屏消息能力方面, 该业务平台可支持PC、手机、TV三屏之间, 用户与PC、手机、TV三屏之间消息相互发送及接收。

比如消息实时发送、接收能力, 业务平台能够实时发送及接收三屏消息, 有利于大大提高用户的感知度和满意度;消息定时发送、接收能力, 业务平台能够根据用户设定的时间定时发送及接收三屏消息, 使得数字社区三屏互动社区平台更显人性化及方便性;消息状态确认能力, 业务平台根据接收三屏消息情况进行状态确认, 如果业务平台在一定时间内无法接收到三屏消息, 说明接收消息超时, 平台向用户反馈消息发送失败, 否则用户反馈消息发送成功。

在多屏业务触发能力方面, 本业务平台在运行时, 依据业务逻辑定义事件, 触发事件, 并调用消息、电话、邮件等功能进入下一步业务逻辑的能力。

用户可定义账号绑定功能捆绑账号。当账号登录或操作业务功能时, 平台发布公告或重要信息时将自动发送提醒短信, 即时通知用户。

当用户发布的信息、参与的活动等事件变更, 系统产生新的公告等, 而用户又不能即时获知, 平台提供了即时邮件通知。

文件的推送、下载往往需要大量的时间, 而这时用户又不能时刻等待。为节省用户上网时间, 平台提供断点续传、离线下载等事件处理, 为此, 用户只需简单操作, 平台将自动为用户选择合适的处理方式完成文件的推送、下载。

个性化门户适应不同终端

个性化门户在三屏上虽然具有相同的核心显示要素, 但却也体现出个性化、不同的显示风格, 适应三屏终端的物理特性 (屏幕大小、显示能力、操作习惯) 。

个性化门户需要调用三屏消息能力、存储能力及事件触发能力等。以PC为例, 要求PC门户应有条理的展现社区logo、好友管理入口、消息管理入口、各大组件入口等, 以及在门户以滚动条形式展示最新的系统消息、社区公告等 (如图2所示) 。

业务平台支持PC、手机、TV三屏之间, 用户与PC、手机、TV三屏之间, 以及用户与用户之间消息相互发送及接收。从功能上, 信息包括如下内容:

●社区公告、周边商铺 (实时和非实时消息) :文字, 图片 (JPEG, 指向社区平台的路径) , 视频 (视频段, TS格式, 指向社区平台的路径) 等。

●视听娱乐:包括收藏、预订和推荐 (实时和定时消息) , 文字, 图片 (视频节目简介) , 链接等。

●好友站内互发消息:手机短信、手机WAP网站站内消息、PC实时站内消息、TVMS半透明消息框。

材料成形原理 部分答案 篇4

1、纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明

答：纯金属的液态结构式由原子集团、游离原子和空穴组成的，液态金属的结构是不稳定的，而是出于瞬息万变是的状态，即原子集团、空穴等的大小、形态、分布及热运动都出于无时无刻不在变化的状态，这种现象叫做“结构起伏”。而实际合金的液态结构是极其复杂的，其中包含各种化学成分的原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡等，是一种“混浊”的液体。实验实际液态金属中还存在成分起伏。例如Al和Al-Si合金相比较，Al-Si合金中由于成分起伏Al与Si的浓度也是出于不断变化中的。

2、液态金属表面张力和界面张力有何不同？表面张力和附加压力有何关系？

答：液体金属的表面张力是质点（分子、原子）间作用力不平衡引起的。而任意两相（固-固、固-液、固-气）的交界面称为界面，由界面间相互作用而产生的力叫界面张力，表面张力可说是界面张力的一个特例。界面张力与两个表面张力之间的关系为：

σAB=σA+σB –wAB，其中σA、σB分别是A、B两物体的表面张力，wAB为两个单位面积界面向外做的功。表面张力与附加压力的关系有拉普拉斯方程描述：P径。

3、液态合金的流动性和充型能力有何不同？如何提高液态金属的充型能力？

答：液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关。液态金属的充型性能是一种基本性能。充型能力好，零件的形状就完整，轮廓清晰，否则就会产生“浇不足”的缺陷。液态金属的充型能力首先取决于其金属本身的流动能力，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关，是各种因素的综合反映。

提高金属的充型能力措施：（1）金属性质方面：改善合金成分；结晶潜热L要大；比热、密度大，导热率小；粘度、表面张力小。（2）铸型性质方面：蓄热系数小；适当提高铸型温度；提高透气性。（3）浇注条件方面：适当提高浇注温度；提高浇注压力。（4）铸件结构方面：在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；降低结构复杂程度。

（1R11R2），其中R1、R2为曲面的曲率半

4、钢液对铸型不浸润，180，铸型砂粒间的间隙为0.1cm，钢液在1520℃时的表面张力σ=1.5N/m,密度ρ液=7500㎏/m3。求产生绩效粘砂的临界压力；欲使钢液不粘入铸型而产生机械粘砂，所允许的压头H值是多少？

P2R21.50.1210-2610Pa

023H2cosgr21.5cos18075009.80.12100.082m

5、根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢液温度为1500℃，0.0049Ns/m,液7500kg/m,MnO5400kg/m, MnO呈球形，其半径r=0.1mm。

2r(液MnO)g92333V20.11026(75004500)9.8190.00490.0071m/s

6、设想液体在凝固时形成的临界核心是边长为a﹡的立方体形状；①求均质形核是的a﹡和△G的关系式。②证明在相同过冷度下均质形核时，球形晶核较立方形晶核更易形成。解：（1）对于立方形晶核 △G方＝－a3△Gv+6a2σ①

令d△G方/da＝0 即 －3a△Gv+12aσ＝0，则 临界晶核尺寸a*＝4σ/△Gv，得σ＝

a*

42△Gv，代入①

△G方＝－a△Gv＋6 a**3*2

a*4△Gv＝a△Gv

*2均质形核时a*和△G方*关系式为：△G方*＝a*3△Gv（2）对于球形晶核△G球*＝－

43πr*3△Gv+4πr*2σ

临界晶核半径r＝2σ/△Gv，则△G球＝**

23πr△Gv

*3所以△G球*/△G方*＝

23πr*3△Gv/(a*3△Gv)将r*＝2σ/△Gv，a*＝4σ/△Gv代入上式，得

△G球/△G方＝π/6<1，即△G球<△G方 所以球形晶核较立方形晶核更易形成

7、设Ni的最大过冷度为319℃，求△G﹡均和r﹡均，已知，Tm=1453℃，L=-1870J／mol，σLC=2.25×10ˉ5J／cm ²，摩尔体积为6.6cm ²。r均*****

2*2.25*10*（1453＋273）＝(2σLC/L)*(Tm/△T)＝cm＝8.59*10－9m

1870*3196.6*

－5△G均＝16316πσLC*Tm/（L*△T）

－5432322(2.25*10*10）*（1453＋273）＝π*＝6.95*10－17J 1870362(*10)*3196.68、什么样的界面才能成为异质结晶核心的基底？

从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。但润湿角难于测定，可根据夹杂物的晶体结构来确定。当界面两侧夹杂和晶核的原子排列方式相似，原子间距离相近，或在一定范围内成比例，就可以实现界面共格相应。安全共格或部分共格的界面就可以成为异质形核的基底，完全不共格的界面就不能成为异质形核的基底。

9、阐述影响晶体生长的因素。

晶核生长的方式由固液界面前方的温度剃度GL决定，当GL>0时，晶体生长以平面方式生长；如果GL<0，晶体以树枝晶方式生长。

10、用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于哪几个方面？半径相同的圆柱和球体哪个误差大？大铸型和小铸型哪个误差大？金属型和砂型哪个误差大？

用Chvorinov公式计算凝固时间时，误差来源于铸件的形状、铸件结构、热物理参数浇注条件等方面。

半径相同的圆柱和球体比较，前者的误差大；大铸件和小铸件比较，后者误差大；金属型和砂型比较，后者误差大，因为后者的热物性参数随温度变化较快。

11、何谓凝固过程的溶质再分配？它受哪些因素的影响？

溶质再分配：合金凝固时液相内的溶质一部分进入固相，另一部分进入液相，溶质传输使溶质在固－液界面两侧的固相和液相中进行再分配。

影响溶质再分配的因素有热力学条件和动力学条件。

12、设状态图中液相线和固相线为直线，证明平衡常数k。=Const。

设液相线和固相线的斜率分别为mL和mS，如上图：

液相线：T*－Tm＝mL(Cl*-0)① 固相线：T*－Tm＝mS(Cs*-0)② ②÷①得：T－TmT－Tm**＝

mSCSmLCL**＝1 即 CSCL**＝

mLmS＝k0 由于mL、mS均为常数，故k0＝Const.13、Al-Cu相图的主要参数为CE=33%Cu，Csm=5.65%，Tm=660℃，TE=548℃。用Al-1%Cu合金浇注一细长试样，使其从左至右单向凝固，冷却速度足以保持固-液界面为平界面，当固相无Cu扩散，液相中Cu充

分混合时，求：

①凝固10%时，固液界面的Cs﹡和Cl﹡。②共晶体所占比例。

③画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线，并标明各特征值。

CSCLCsmCE6.65%33%（1）溶质分配系数 k0＝===0.171 当fs＝10％时，有

0.171－1Cs＝k0C0(1－fs)*k0－1＝0.171*1％*（1－10％）

0.001870.171＝0.187％

CL*＝C0fLk0－1＝

CSk0*＝＝1.09％

（2）设共晶体所占的比例为fL，则

CL＝C0fLk－1＝CE 0*则fL＝（CEC01k0－1＝（）33%5.65%1)0.171－1＝0.12(3)沿试棒的长度方向Cu的分布曲线图如下：

14、何谓热过冷和成分过冷？成分过冷的本质是什么？

金属凝固时，完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷； 由固液界面前方溶质再分配引起的过冷称为成分过冷.成分过冷的本质：由于固液界面前方溶质富集而引起溶质再分配，界面处溶质含量最高，离界面越远，溶质含量越低。由结晶相图可知，固液界面前方理论凝固温度降低，实际温度和理论凝固温度之间就产生了一个附加温度差△T，即成分过冷度，这也是凝固的动力。

15、影响成分过冷的因素有哪些？哪些是属于可控制的工艺因素？成分过冷对晶体的生长方式有何影响？晶体的生长方式只受成分过冷的影响么？

影响成分过冷的因素有G、v、DL、m、k0、C0，可控制的工艺因素为DL。

过冷对晶体的生长方式的影响：当稍有成分过冷时为胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状树枝晶和自由树枝晶，无成分过冷时，以平面方式或树枝晶方式生长。

晶体的生长方式除受成分过冷影响外，还受热过冷的影响。

16、影响成分过冷的因素有哪些？它对材质或成型产品（铸件）的质量有何影响？

影响成分过冷范围的因素有：

成分过冷的条件 GL

vDLk0DLk0v成分过冷的范围为 △＝mLC0(1－k0)－GL，上式中，mL、C0、k0为不变量，所以影响成分过冷范围的因素只有DL、GL和v。

对于纯金属和一部分单相合金的凝固，凝固的动力主要是热过冷，成分过冷范围对成形产品没什么大的影响；对于大部分合金的凝固来说，成分过冷范围越宽，得到成型产品性能越好。

17、铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何？

铸件的典型凝固组织为：表面细等轴晶区、中间柱状晶区、内部等轴晶区。

表面细等轴晶的形成机理：非均质形核和大量游离晶粒提供了表面细等轴晶区的晶核，型

壁附近产生较大过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并且互相接触，从而形成无方向性的表面细等轴晶区。

中间柱状晶的形成机理：柱状晶主要从表面细等轴晶区形成并发展而来，稳定的凝固壳层一旦形成处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，便转而以枝晶状延伸生长。由于择优生长，在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。

内部等轴晶的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。

18、常用生核剂有哪些种类，其作用条件和机理如何？

常用生核剂有以下几类：

1、直接作为外加晶核的生核剂。

2、通过与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。

3、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。

4、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂。含强成份过冷的生核剂 作用条件和机理：

1类：这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒，他们与欲细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为衬底促进自发形核。

2类：生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物，这些化合物与欲细化相间界面共格关系和较小的界面能，而促进非均质形核。

3类: 如分类时所述。

4类：强成分过冷生核剂通过增加生核率和晶粒数量，降低生长速度而使组织细化。

19、试分析影响铸件宏观凝固组织的因素，列举获得细等轴的常用方法。

影响铸件宏观凝固组织的因素：液态金属的成分、铸型的性质、浇注条件、冷却条件。获得细等轴晶的常用方法：

（1）向熔体中加入强生核剂。

（2）控制浇注条件：a、采用较低的浇注温度；b、采用合适的浇注

（3）铸型性质和铸件结构：a、采用金属型铸造；b、减小液态金属与铸型表面的润湿角；c、提高铸型表面粗糙度。

（4）动态下结晶细化等轴晶：振动、搅拌、铸型旋转等方法。20、何谓“孕育衰退”，如何防止？

孕育衰退：大多数孕育剂有效性均与其在液态金属中的存在时间有关，即存在着随着时间的延长，孕育效果减弱甚至消失。

解决办法：在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育处理温度。

21、影响铸件的缩孔和缩松的因素有哪些？请叙述集中防止铸件缩孔和缩松的方法。

影响缩孔和缩松的因素：

（1）影响缩松缩孔大小的因素：金属的性质、铸型条件、浇注条件、铸件尺寸、补缩压力（2）影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔和缩松的因素：铸铁成分、铸型刚度 防止缩松、缩孔的方法：顺序凝固、同时凝固

控制缩孔和缩松的工艺措施：使用冒口、补贴、冷铁是防止缩松缩孔的最有效的工艺措施。加压补缩法是防止产生显微缩松的有效方法。

22、铸件的偏析有几种类型，请分类叙述之。微观偏析

（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。

（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。宏观偏析：

（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。

（2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。（3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。

（4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。

（5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。

23、铸件凝固过程的应力有哪些？

按产生的原因可以分为：热应力、相变应力、机械阻碍应力。

24、铸件冷裂和热裂的影响因素有哪些，如何防止其发生？

铸件冷裂的影响因素：

（1）大型复杂铸件由于冷却不均匀，应力状态复杂，铸造应力大而易产生冷裂（2）铸件冷裂倾向与材料的塑性和韧性有密切关系

附:冷裂是铸件处于弹性状态、铸造应力超过材料的抗拉强度时产生的裂纹。冷裂的预防与消除：

（1）、铸造应力的防止与消除：使铸件冷却均匀，减小各部分的温差，改善铸型及型芯退让性，减小铸件收缩时的阻力。

（2）、生产实际的工艺措施：反变形、设置防变形的“拉肋”、早开箱并立即入炉内暖冷、用浇注系统调整铸件的温度场。

影响铸件热裂的因素：

合金性质、铸型性质、浇注条件、铸型结构

(1)热裂的防止措施：

成形方案 篇5

BMW共使用了10台压力机, 为其i3电动汽车加工碳纤强化复合材料零部件

“在Euro BLECH 2014上, 我们着重于能源效率与可持续性两大主题。”舒勒集团首席执行官Stefan Klebert说。“在如今能源价格不断攀升的大环境下, 节约成本并最大程度提高能源使用效率对于各个公司来讲已经成为了重中之重。身为技术先驱, 我们有足够的信心让客户相信我们将在该领域中一马当先。”

舒勒将在Euro BLECH 2014上展出一系列创新型提升能源效率的解决方案。作为走过175载春秋的技术先驱和全球市场领航者, 舒勒已实现了压力机和自动化系统能耗的大幅度降低。在其展位举行的舒勒论坛中, 将就此以及其他主题进行每天多达8场的演示。

所有产品采用伺服直驱技术。“舒勒研发的伺服直驱技术不仅能大幅提高产能与灵活性, 还显著提升了机器的能源效率。”舒勒集团首席技术执行官Joachim Beyer说道。“如今, 在我们公司所推出的机械式冲压线中, 没有配备此项技术的已经寥寥无几。尽管如此, 我们仍然会继续将伺服直驱技术在所有产品中的实现进行到底。”此外, 舒勒采用双伺服技术 (TST) 的压力机由于结构紧凑、刚性好, 赢得了良好的市场反响, 舒勒已经收到大量的采购订单。

舒勒售后服务将会为设备终身提供量身定制的解决方案———不仅有助于提高能源效率和产能, 还能为设备的运转率保驾护航。舒勒集团具有悠久的历史, 已为世界各地提供了逾300, 000条冲压线, 这些宝贵的经验将助力舒勒迈向新的高度。

舒勒的设备不仅在节约能源方面具有强大优势, 它同时还能够生产出优质的轻量化零部件, 这些零部件在减轻车量重量、降低能耗方面具有重要意义。无论是碳纤强化复合材料, 还是高强度钢或铝材, 舒勒可提供从冷锻、热冲压到液压成形和复合材料成形的成熟工艺, 轻松处理这些轻量化材料。

“我们需要洞悉成形技术领域的未来趋势, 并提供理想的解决方案。”Joachim Beyer说道。“毕竟, 我们设备所加工出的产品通常要在一段时间之后才能投入市场。”“在过去的175年中, 我们一直致力于为客户提供创新型解决方案, 帮助他们迎接未来的挑战。”首席执行官Stefan Klebert补充说道。“作为成形技术领域的一员, 我们将在汉诺威展示我们的最新研发成果, 敬请期待。”

另讯舒勒获中国大订单, 一汽大众订购三条伺服冲压线。适逢舒勒公司成立175周年之际, 舒勒迎来了历史上最大的订单之一, 总额超过了1.5亿欧元。一汽大众汽车有限公司从舒勒订购了三条采用伺服直接驱动技术的冲压线以及三台试模压力机:冲压线将主要用于生产引擎盖、车门等车身零部件;试模压力机则用于中国工厂的模具测试和设置。

一汽大众采购三条伺服冲压线

关于弯曲成形在冲压成形中的应用 篇6

由于冲压加工具有生产效率高、生产成本低、操作简单、适合大批量生产等优点, 在我国现代化建设中有广阔的发展前景。冷冲压生产是当代金属冲压加工的重要手段, 近年来, 随着我国经济的腾飞和产品制造业的蓬勃发展, 冷冲压技术也相应进入了高速发展时期。在现今的机械加工中, 冷冲压弯曲技术在工业生产中被广泛的应用。在生产实践中, 当我们要生产圆形或弧形类的产品时, 通常不采取用设计中的理论尺寸来加工, 因为金属的弹性变形在里面起着作用, 使加工出来的产品产生回跳, 致使工件报废不能使用。通常所说的弯曲分自由弯曲和校正弯曲, 自由弯曲是指弯曲终了时, 凸模与毛坯、凹模未完全吻合或吻合后不再发生冲击作用。而校正弯曲是指凸模与毛坯、凹模吻合后继续发生冲击, 对材料起校正作用, 可抑制弯曲件的回跳。本文采取校正弯曲来设计制造, 保证产品的质量。

2 工件结构

2.1

图1中1、2处采取抛物线y=ax2来代替圆弧曲线。系数a在1、2处的分别采用a1、a2, 且a2=a1+x (x为工件厚度) , 采取旋转坐标轴的办法将方程处理成标准方程。

2.2

图1中3处中性层的半径的计算方程为:

r=r0+Kt

式中r0-内弯曲半径;

t-材料厚度;

K-中性层系数。

3 弯曲力

图示中的冲压力包括弯曲校正中部角及两台肩角成形力等。这些力不是同时发生或达到最大值的, 最初只有预弯力, 滑块下降到一定位置时开始压弯中部角及两台肩角, 最后进行校正弯曲, 中部角和起伏成形两台肩, 故最大冲压力只考虑校正弯曲力P2和起伏成形两台肩力F。

3.1 起伏成形力:

式中F-起伏成形力;

K-系数, 取K=0.9;

t-材料厚度;

l-加强肋长度,

σb-抗拉强度, 取σh=400Mpa

3.2 弯曲力:

P2=Sq

S-校正部分投影面积 (mm2)

q-单位面积校正力 (Mpa) 可查表确定, (如Q235取q=100Mpa)

注:K (V) 适用于V形弯曲。

P=F+P2

压力中心坐标公式:

一般情况下, 冲压力与线段长度成正比例关系, 压力中心坐标公式可用如下两式表示:

4 模具寿命

为实现压力机的高速化, 相应解决噪音和振动问题, 通常采用铸铁机身, 而且运动部件要求实现动平衡。为延长模具寿命, 可采用高寿命的新材料, 如硬质合金模具和模具表面强化处理。

硬质合金模具寿命, 可按下式计算:

式中L-模具总寿命 (冲次数) ;

MS-平均刃磨寿命 (冲次数) 。从连续使用5副硬质合金模具得出的平均值:MS=960000次

5 结论

在机械加工中, 冷冲压弯曲由于生产效率高, 生产成本低, 操作简单而被广泛的应用。采用抛物线代替正圆, 将自由弯曲改为校正弯曲, 将回弹计算在内, 工件的圆度大大提高。

参考文献

[1]薛翔.冲压模具与制造[M].北京:化学工业出版社, 2004.4.

[2]王孝培.适用冲压技术手册[M].北京:械工业出版社, 2001.3.

成形方案 篇7

冷弯型钢是通过冷弯成形工艺获得的一种经济断面型材,具有高效、节能、截面经济合理、节省材料等优点,在汽车制造、交通运输、海洋工程、石油化工等领域得到广泛应用[1,2,3,4]。冷弯成形作为空心冷弯型钢的主要成形方式,成形机理比较复杂,终轧产品易出现断面形状畸变、边缘皱纹和局部偏扭等缺陷[5,6],严重制约其应用和使用功能的提升。

国内外学者针对冷弯成形,开展了许多以板材为坯料的各种型材成形技术理论、工艺控制和数值仿真等研究[7,8,9,10]。李茜等[11]研究了“直接成方”和“圆成方”两种成形工艺对冷弯方管残余应力及焊接微观组织的影响;Laila等[12]通过实验和有限元模拟对矩形管成形载荷进行了有效预测;Leu[13]利用有限元技术研究了矩形管挤压成形过程的径厚比、加工硬化和摩擦因数等工艺参数对管形倒塌的影响;Huang[14]通过研究冷弯成形的载荷分布和最终形状,确定了圆管轧制为方管而不倒塌的较高径厚比。上述文献主要是针对单机架和少数机架冷弯成形的轧制力、横截面变形、应力应变分布等的研究,对成形过程的缺陷成因未见详细论述,且冷弯成形过程的辊花设计仍然以经验设计为主。

为此,笔者根据金属圆管冷弯成形为矩形管的孔型轧制特点,基于拓扑映射原理,建立圆管坯与矩形管之间的形心映射数学模型,开展冷弯成形的辊花设计模型研究,通过轧制实验验证了设计模型的可靠性。在此基础上利用弹塑性有限元法,研究了冷弯成形的金属流动、纵向延伸以及残余应力分布。

1 形心映射模型

矩形管冷弯成形机组一般由集中传动的多个道次万能机架(每个机架配备二辊或四辊)构成,且每个道次的孔型形状各不相同,圆管坯经过多道次变形逐渐成为矩形管,图1为四辊与二辊混合孔形的矩形管成形过程示意图,4个轧辊包括2个水平放置的平辊(驱动辊)与2个垂直布置的立辊(非驱动辊)。金属圆管依次经历咬入、轧制、精成形3个阶段,管坯随着轧辊孔形轮廓的逐渐变化而变形,最终成为规格要求的矩形成品管。

在金属圆管变为矩形管的冷弯成形过程中,若圆管和矩形管对应部分保持线性拓扑投影关系,则可把成形过程看作是圆管坯横截面外轮廓到矩形管成品横截面外轮廓的映射,如图2所示。由拓扑学中同坯的定义和线性拓扑的投影关系,可知管坯横截面外轮廓与矩形管横截面外轮廓具有拓扑等价关系,将圆管坯的圆心和矩形管的形心重合,即可构建形心映射数学模型。

设F(x,y)、G(x,y)分别为圆周与双圆弧样本插值函数的函数表达式,由拓扑映射关系可知,对于G(x,y)的2n个圆弧端点P1、P2、…、P2n都可以在F(x,y)上找到与之对应的点A1、A2、…、A2n,记F1(x,y)、F2(x,y)、…、F2n(x,y)为函数F(x,y)上A1到A2n点之间圆弧对应的分段函数,G1(x,y)、G2(x,y)、…、G2n(x,y)为函数G(x,y)上P1到P2n点之间圆弧对应的分段函数。将图2中变形前后的两形心点重合,经过m道次实现最终成形,其中第j次变形函数为Gi,j(x,y)。

2 辊花设计模型

2.1 弧长变换

圆弧插值样本函数G(x,y)包含2n段圆弧,弧长分别为l1,0、l2,0、…、l2n,0,管坯变形前的2n段圆弧,弧长分别为l1,m、l2,m、…、l2n,m(m为变形道次数)。在圆弧样本插值函数上任取一段圆弧Gi(x,y),两端点为Pi,0(xi,0,yi,0)、Pi,0(xi+1,0,yi+1,0),圆弧的圆心角为θi,0,半径为ri,0;与之对应圆周上的圆弧Fi(x,y)两端点为Ai,m(xi,m,yi,m)、Ai+1,m(xi+1,m,yi+1,m),圆弧圆心角为θi,m,半径为r。

变形前管坯的弧长与插值样本函数的弧长对应关系为

式中,li,m为变形前管坯的每段弧长,mm;li,0为插值样本函数的每段圆弧弧长,mm;ki为分段修正系数。

则管坯的周长为

管坯的半径为

2.2 角度变换

变形前管坯的每段圆弧对应的初始圆心角为

则第j次变形函数Gi,j(x,y)对应圆弧的圆心角为

式中,θi,j-1为第j-1次变形对应圆弧的圆心角,(°);θi,0为插值样本函数每段圆弧对应的圆心角,(°);tj为第j次变形对应的变形量,j=1,2,…,m。

2.3 圆心坐标、起始角和终止角确定

圆弧对应的弦心距为

圆心的坐标为

式中,凸弧时取“+”,凹弧时取“-”。

圆弧对应的起始角度和终止角度为

式中,jist为第i段圆弧的起始角,(°);jied为第i段圆弧的终止角,(°);规定一二象限取“+”,三四象限取“-”。

由式(7)、式(8)可得每段圆弧对应的圆心坐标、起始角和终止角,从而得到孔形设计参数和整个变形过程的辊花图。

2.4 辊花设计

某矩形管产品的几何尺寸为长边180mm、短边100mm、壁厚8mm、圆角半径为22mm,金属钢管的管径为168mm、壁厚8mm,考虑到几何结构的对称性,取1/4进行研究,将矩形管的形心点和圆管坯形心点重合,建立二维坐标系,得到关键点P0、P1、P2、P3之间的弧长分别为68mm、34.6mm、28mm;P0、P1、P2、P3点坐标分别为(0,50)、(68,50)、(90,28)、(90,0),与之对应的圆弧上A0、A1、A2、A3点坐标分别为(0,85)、(62,58)、(80,28)、(85,0),修正系数取经验延伸系数值1.02,成形过程的参数分配如表1所示,得到辊花图(图3)。

3 冷弯成形轧制试验

为了验证上述矩形管辊花设计模型的可靠性,开展了矩形管冷弯成形轧制实验。金属圆管材料为20钢,工艺参数根据表1给定,共经过7道次成形,其中第一道次不参与变形。对轧后矩形管产品进行了多点实测,如图4所示,测量结果取平均值,得到产品尺寸,见表2。由表2可知各个尺寸偏差较小,完全满足国标GB/T 6728-2002的要求,可见按照前述设计模型进行矩形管冷弯成形轧制是可行的。

mm

4 冷弯成形仿真研究

4.1 有限元建模及验证

为进一步研究矩形管冷弯成形过程中金属流动的规律,利用弹塑性有限元法对该过程开展了模拟研究。根据上述冷弯成形工艺参数及矩形管轧制的特点,在有限元建模时进行1/4对称简化。对称边界条件由对称面上的节点速度确定,通过设置对称面节点的法线方向速度分量为零来定义对称边界条件。假定金属圆管壁厚均匀,采用八节点等参元来建立描述管坯的有限元网格,钢管厚度方向划分2个网格,圆周方向划分40个网格,有限元模型如图5所示。

有限元模拟后的仿真结果为:长度179.7mm,宽度101.76mm,弯角半径24.2mm,平均壁厚8.17mm,与表2中轧后矩形管实测尺寸相比,两者差别较小,说明有限元模型基本可靠。

4.2 壁厚分析

在圆管坯纵向的中部稳定段截取横断面,在横断面外层的不同部位选取节点,节点位置如图6所示,1号位置到20号位置对应矩形管的长边,21号位置到30号位置对应角部,31号位置到40号位置对应短边。从动辊对应冷弯成形的X方向,驱动辊对应冷弯成形的Y方向,轧制方向为Z方向。

图7所示为矩形管冷弯成形过程中,第一架到第七架的厚度分布规律,图中#1表示第一机架,#2表示第二机架,依此类推。由图7可知,在矩形管冷弯成形过程中,随着变形量的增大,壁厚逐渐增加,壁厚的上峰值逐渐向角部移动,第二道次出现2个上峰值,第三道次以后,角部及角部过渡区附近有3个上峰值形成。从长边经过角部到短边的壁厚变化为先增加再减小,在长边和角部的过渡区、短边和角部的过渡区出现2个下峰值。第7道次轧后,3个上峰值分别为8.32mm、8.31mm和8.16mm,下峰值分别为8.23mm和8.14mm,平均壁厚为8.17mm。

4.3 纵向延伸分析

管坯沿纵向(轧制方向)的延伸量分布可以反映矩形管成形过程中金属沿轧制方向的流动情况,图8所示为冷弯成形时矩形管横截面内外层延伸量分布。

由图8可以看出,随着压下量的增大,纵向上延伸逐渐增大,长边、角部和短边的纵向延伸差别也逐渐变大。管坯长边与短边的外层延伸量大于内层延伸量,会导致轧制后在长边和短边中心处出现“内翻”现象。从第一架到第四架,长边的“内翻”现象越来越明显,短边上的“内翻”现象不明显,在角部则出现了明显的“外翻”现象。22号节点到33号节点之间的区域,外层与内层的延伸量比较接近,即在角部和长宽边之间的过渡区存在“位移中性面”。图9所示为冷弯第七道次轧后的端部形状,可明显看到长边和短边的“内翻”和角部的“外翻”。

4.4 残余应力分析

图10为矩形管冷弯成形后的残余应力分布云图。可以看出,在外层上,长边和角部的过渡区残余应力较大,达到260MPa,角部的残余应力较小,只有15MPa左右。在内层上,短边中心处应力较大,达到300MP,角部、角部和短边过渡区的残余应力也较大,为275MPa左右。由于连续冷弯成形过程中金属在轧件尾部形成金属堆积,使得轧件尾部出现明显的残余应力集中现象,某些部位的残余应力达到320MPa。因此,由残余应力分布可知轧后矩形管的长边与角部、短边与角部的过渡区是开裂危险区。

5 结论

(1)基于拓扑映射理论,根据冷弯成形过程几何变形特性,建立了矩形管辊花设计的形心映射数学模型,获得了冷弯成形的工艺参数,并进行了实验,结果表明产品能够满足国标要求,说明该设计模型适用于冷弯成形加工。

(2)建立了矩形管冷弯成形的弹塑性有限元仿真模型,研究了矩形管冷弯成形过程的金属流动规律及残余应力分布状况,仿真结果显示终轧产品的壁厚存在3个上峰值和2个下峰值。通过研究内外层纵向延伸系数的差异,分析了终轧后“内翻”和“外翻”现象的成因。

(3)轧后残余应力分布表明:在矩形管的冷弯成形过程中,角度的残余应力不大,长边与角部过渡区的残余应力达到了260MPa,短边与角部过渡区的残余应力达到了275MPa,这两个部位是开裂危险区。

摘要：依据矩形管冷弯成形的多道次孔型轧制特点,考虑轧前圆管坯与轧后矩形管存在的拓扑等价关系,建立了两者之间的形心映射数学模型,实现了矩形管冷弯成形过程的辊花设计,并进行了轧制实验。轧后产品满足GB/T 6728-2002的要求。基于弹塑性有限元法建立了矩形管冷弯成形的仿真模型,研究了冷弯成形的金属流动、纵向延伸和残余应力分布,确定了变形过程开裂危险区位置。

成形方案 篇8

内高压成形由于其成本低、柔性高、成形产品强度高、重量轻等显著优点，近年来成为机械制造领域的研究热点。在国外，内高压成形技术发展迅速，采用该技术生产的零件已广泛应用于汽车工业中[1]。

复杂形状空心构件的内高压成形过程一般分为两个阶段，第一个阶段是“成形”阶段，仅需弯、压等传统工艺或较低内压使管材发生初始变形，获得能进行下一阶段成形的基本轮廓形状;第二个阶段是“整形”阶段，此时，需大幅度提高内压实现小圆角及修复第一个阶段所产生的初始缺陷等复杂形状的最终贴模成形[2]。

但是，迄今对复杂构件的内高压成形规律的研究还很少，经验知识与实验数据的积累十分有限，给工艺设计带来很大困难。多数研究都是针对第二阶段整形或实验室试验方法。因此，多边形截面空心件在弯曲部位的成熟稳定成形工艺用于实际批量生产的方法就更为鲜见。

为解决工程批量生产，需要一套成熟稳定的成形工艺，还需兼顾经济性。计算机数值模拟方法的出现为内高压工艺设计及其优化提供了强有力的工具，它可以提供成形过程中材料流动规律，预报成形缺陷，从而大大地缩短产品设计及工艺开发周期[3,4]。鉴于此,本文通过基于动力显式算法的DYNAFORM模拟软件对多边形截面空心零件弯曲工艺进行分析改进，设计了合理的成形稳定的工艺方法。

2 工艺分析

如图1所示，是公司生产的汽车底盘大梁内高压成形零件。零件几何形状复杂，轴线弯曲成弓形，末端为蛇颈形状，截面为非规则矩形，内高压胀形过程中，末端蛇颈的弯曲性，如何获得均匀的壁厚分布和避免起皱、破裂等成形缺陷成为工艺设计难点。为此，对该零件内高压胀形过程进行了数值模拟研究。

按照传统成形工艺，其成形过程：原管压扁成矩形—再压弯成蛇颈形状。蛇颈截面受力分析如图2所示。

截面受上下方向力的作用时,由于圆管内部中空,左右侧内部没有支撑而会发生失稳,出现起皱(图3)。

3工艺改进设计

3.1工艺原理分析

由上分析可见,起皱的根本原因是左右侧面受力为上下搓动，而内部没有支撑而出现失稳起皱。因此，只要内部有芯轴支撑内壁则可避免起皱，但零件需成形为矩形截面的弯曲管，在内部放置传统的固体芯轴是不可能的，唯一的办法是内部充液。即利用具有一定压力的液体来充当芯轴，既能支撑内壁不至于失稳，又有一定的柔性让圆管变矩形弯曲管。

3.2 工艺制定

零件加工初步确定为内部充液—压弯，路线可分两条：第一，充液—矩形型面压弯;第二，充液—过渡型面压弯—压扁为矩形。第一条路线，工艺步骤少，但截面形状变化剧烈，需要较高的内压来充当芯轴，但较高的内压会使零件胀形变大，故不可取;第二条路线利用过渡截面变化不大，需要的内压不高，降低成形难度。预成形形状应为圆截面到矩形截面中间的过渡截面———椭圆，利用椭圆为过渡截面是实际生产中常用的方法。因为圆形压成矩形会因为点接触而压成∞形，而圆形压成椭圆为面接触，成形质量较好，而且椭圆又能直接充当密封工艺段，省略矩形密封需要过渡为圆形密封，一举多得。因此，最终采用第二条路线：充液—椭圆截面压弯—压扁为矩形。

4 模拟分析

4.1 有限元分析模型

建立数字模型，如图4所示。建立一个椭圆截面管作为弯曲成形的有限元分析模型。

4.2 有限元分析工况

坯料为∅60mm，壁厚2mm的Q235板卷焊圆管，前段经过弯管工艺得出弓形，末端为主要分析对象。工艺动作：两端夹持—充液—中间下压。由于材料壁厚较薄，内部充液压力不能太高，大约10MPa就会出现胀形。根据多次的模拟分析得出，内部充液4MPa～6MPa为最理想的压力，零件不胀形，又有一个较好的内部支撑作用。实际生产中取5MPa，是一稳定保险的压力值。

4.3 模拟分析结果

在DYNAFORM中输入模型、参数、工艺动作和5 MPa的充液压力值得出结果，如图5所示。

从图5可以看出模拟成形结果较好，蛇颈部位没有出现起皱。

从图6所示对应的FLD云图可以看出，材质分布比较均匀，只有局部出现起皱的趋向，在最终胀形中完全可以将其胀起贴模。图7所示其减薄率最高只有4%左右，完全满足后续工艺需要。

从模拟结果来看，成形后的壁厚更加均匀且没有起皱，这是因为优化后的过渡区截面过渡更加平缓，使金属的流动更加合理，保证了材料流动的顺利进行，又有一定的内压支撑内壁，避免了坯料失稳起皱现象的发生。

5 结论

(1)用有限元模拟分析方法对零件进行结构和工艺分析，可操作性强，可节省试验获得各种工况结果。从而节省大量人力、物力和财力，大大缩短产品生产调试周期，降低成本。

(2)通过椭圆过渡截面形状，将圆形变成矩形弯曲形状，能有效防止起皱、破裂等缺陷产生。

(3)合理的内部充液可以支撑内壁而不发生失稳，可充当柔性芯轴。

在实际生产试验中基本与有限元模拟分析结果一致，有效控制了实际生产中缺陷的产生。工艺方法能适用类似的产品成形，有较大推广价值。实际生产的底盘大梁一段合格品，见图8所示。

摘要：对复杂形状空心构件内高压成形工艺进行了数字模拟研究。采用有限元模拟,对矩形截面空心零件弯曲部位在内高压成形过程中产生起皱、破裂等缺陷进行了分析;针对矩形截面空心件弯曲部位,提出采用椭圆截面充液预成形的方法,控制起皱、破裂缺陷的产生,成形质量较理想。并通过试验进行了验证,采用较低压力可以改善内高压成形过程中材料的分布、提高材料的成形极限、控制缺陷产生并提高产品质量。

关键词：机械制造,内高压成形,矩形截面空心零件,预成形,有限元模拟

参考文献

[1]朗利辉,苑世剑,王仲仁,等.管件内高压成形及其在汽车工业中的应用现状[J].中国机械工程.2004.

[2]苑世剑,刘钢,韩聪.通过预成形降低内高压成形压力的机理分析[A].航空材料学报,2006(.4).

[3]Lei L P,Kim J,Kang B S.Analysis and Design of HydroformingProcess for Automobile Rear Axle Housing by FEM[J].Int.J.MachineTools Manuf,2000,40(12):1691-1708.

[4]Hartl C.Research and Advances in Fundamentals and IndustrialApplications of Hydroforming[J].Journal of Materials Processingtechnology,2005,167(2):383-392.

[5]何晓燕,周林,钱红.浅谈内高压成形工艺及设备[J].锻压装备与制造技术,2006,41(1):24-26.

[6]陈建军.内高压成形工艺及其在汽车轻量化中的应用[A].锻压装备与制造技术,2010,45(1):12-18.

成形方案 篇9

本次会议主题为“先进成形工艺:绿色成形技术的机遇与挑战”,会议将邀请知名学者、专家做报告,并有针对性地开展专题技术研讨、产品展示、技术参观等。欢迎全国塑性加工同行踊跃参会,请积极推荐或自荐会议报告人。同时,热烈欢迎相关的企业、研究单位在会议期间展示自己的品牌,推介新技术、新产品。具体事宜请与组委会联系。

会议内容(不限于)为:

(1)绿色成形技术:绿色产品的设计开发新技术;先进绿色成形工艺与新技术;绿色原材料制备及回收处理等。

(2)管材成形技术:管坯制备、成形与连接新工艺与新技术;管材制备、成形与连接过程数值模拟及优化;管材成形模具设计与制造新技术等。

林艳丽(绿色成形):15318275626,linyanli0616@163.com

何祝斌(绿色成形):15244629678/0451-86414751,hithe@hit.edu.cn