液压胀形（精选3篇）
液压胀形 篇1
0 引言
汽车轻量化已成现代汽车技术发展的重要方向。采用无缝钢管液压胀形方法制造车用桥壳, 不仅制件无焊缝、整体美观、强度高、刚性好, 而且材料利用率较高, 节能降耗[1]。
目前, 汽车上用桥壳以铸造、冲压焊接和扩张成形为主, 随着国家对节能环保的要求越来越严格, 质量大、高能耗的铸造桥壳, 存在漏油和断裂等现象的冲压焊接桥壳, 以及能耗较高、成品率较低的钢管扩张成形桥壳将会逐渐淘汰, 汽车行业正在寻求具有性能高、成本低、节能降耗的换代产品。采用液压胀形新工艺的整体式汽车桥壳是未来的发展方向, 也是载重汽车和高级轿车迫切需求的产品。为此, 研制出了钢管胀压车用桥壳数控液压机生产线及其辅助设备, 该大型化、自动化和精密化的车用桥壳生产线, 将改变我国成形装备技术落后、工艺性差、自动化程度低的状况, 提升我国车用桥壳加工装备的技术水平[2]。
1 车用桥壳生产线简述
该钢管胀压车用桥壳数控液压机生产线是通过数字化信号对压力和位移进行控制的, 由三向缩径液压机单元、三向胀形液压机单元、四向压制成形液压机单元等组成的一体化数控专用设备, 主要用于车用桥壳的液压胀形工艺生产整体式桥壳。
1.1 三向缩径液压机单元
缩径液压机由整体式机身、垂直滑块、水平布置的左右侧滑块及固定工作台组成。其特点为:
(1) 缩径时左右侧滑块实现同步工进, 同步精度高, 并且其位置和速度均可设置。
(2) 机身采用整体框架结构, 刚度大, 确保左右滑块在额定压力下, 液压机立柱与侧缸联接处的最大变形和侧缸中心线的转角不大于理想值。
(3) 确保垂直滑块能够提供缩径管坯中间部分不引起管坯变形的有效夹持力。
1.2 三向胀形液压机单元
胀形液压机由分体框架式机身、垂直滑块、水平布置的左右侧滑块及固定工作台组成, 并配液压胀形系统, 完成对缩径管坯的胀形, 其特点为:
(1) 胀形时左右侧滑块实现同步工进, 同步精度高, 而且其位置和速度均可设置。
(2) 机身采用分体框架式结构并附加固定式工作台板, 采用液压预紧装置对机身四根拉杆进行预紧, 确保立柱与侧缸联接处的最大变形和侧缸中心线的转角不大于理想值。
(3) 高压胀形系统由低压快速充液装置、高压比例补液装置、泄压装置、控制装置等组成。
1.3 四向压制成形液压机单元
压制成形液压机由分体框架式机身、上垂直滑块、下垂直滑块 (活动工作台) 和水平布置的左右滑块组成, 上垂直滑块带动压制成形的上模运动, 下垂直滑块带动压制成形的下模运动, 左右滑块带动胀形模具的左右压头运动保证管坯的轴端密封, 其特点为:
(1) 机身采用分体框架式结构, 采用液压预紧装置对机身四根拉杆进行预紧, 确保立柱与侧缸联接处的最大变形和侧缸中心线的转角不大于理想值。
(2) 上下垂直滑块保持一定的匹配运动关系。驱动上下垂直滑块的液压缸分别配置有位移传感器, 采用比例泵、比例流量阀的电液反馈系统保证, 压制成形工进时, 上下模块按预先设定的运动匹配关系协调对向运动, 确保管坯轴线高度基本保持不变。
(3) 工作时左右滑块同步工进。驱动左右滑块的侧缸分别配置有位移传感器, 并采用比例泵、比例流量阀的电液反馈系统保证两侧缸在加压顶出时的高同步精度, 其位置和速度均可设置。
(4) 管坯压制成形系统由低压快速充液装置、高压比例补液装置、泄压装置、控制装置等组成。
1.4 液压-电气控制系统
本生产线的液压系统采用先进的两通插装阀系统, 耐压高、流阻小、响应快、通流能力强、性能可靠。并配有精细回油滤油器、滤堵、油液冷却、液位显示和报警装置, 以及电接点温度表等, 确保液压机的运行的高可靠性和稳定性。
电液控制系统采用PLC可编程控制器和触摸式液晶显示屏。PLC可编程控制器为主控单元, 柔性强, 可靠性高。触摸式液晶显示屏可以数字输入、设置、更新工艺参数;模块化全中文界面, 可以监控设备工作状态, 记录生产过程的相关参数, 画面直观, 内容丰富, 并有数据接口。
2 主要结构设计及技术创新点
2.1 整体框架机身和立柱结构的优化技术
利用有限元优化技术, 对机身重要结构件进行优化设计, 严格控制机身的变形, 提高设备整体机械性能。由于该生产线的第一道工序为钢管双向缩颈, 其设备的横向驱动力要大于纵向合模力, 所以在机身结构上采用整体焊接式框架机身, 在确保两侧同步的前提下, 必须严格控制机身的变形量, 尤其是左右立柱受到横向载荷后的角变形, 因此, 对该整体框架机身的刚性要求高, 其结构形式将直接影响到设备的机械性能。在后续的胀形与压型工艺中同样控制立柱的角变形, 现通过ABAQUS分析软件对重要结构件进行优化设计, 确保其变形控制在规定的范围之内, 分析结果如图1、图2所示。
2.2 钢管四向压制成形的联动控制技术
采用四向压制成形的联动控制技术, 将几何形状复杂、胀压变形量大而又难成形的制件在液压胀形过程中, 通过精确控制左右压头与上下滑块的运动路径, 实现了钢管的胀压成形工艺并提高了成形精度。
2.3 双液压缸位移同步的PID控制技术
采用双液压缸位移同步的PID控制技术, 实现了两水平侧缸的位移精确控制, 保证了高同步精度。其控制过程为:首先对控制系统进行建模, 根据工艺需要预设侧缸的理想位移曲线, 将曲线输入到PLC内部进行处理, 通过位移传感器测量出实际位移值, 理想值和实际值经过PID控制处理, 得出的输出值传给D/A模块, 进而控制比例流量阀的开口大小, 最终控制侧缸的精确位移, 在实际运行过程中, 同步精度远远满足工艺要求。同时PID控制也能将液压缸定位精度控制在工艺参数要求之内。为了保证设备运行的可靠性, 不断对两边侧缸实际位移进行比较, 如位移偏差超过允许值, 则将停止所有动作, 对设备各个环节进行检查, 排除故障后, 进行下一次动作, 其控制原理如图3所示。
2.4 钢管内高压胀形的控制技术
采用钢管内高压胀形的控制技术, 有效掌握了钢管在胀形过程中轴向力、内压力和补料位移三者的匹配关系, 合理控制了加载路径, 避免了钢管出现屈曲和起皱、破裂等失效现象。
内高压胀形的基本原理是轴向力和内压力同时作用下的管坯成形过程, 如果轴向力和内压力匹配不合理, 将导致成形过程中出现屈曲和起皱、破裂等失效现象, 因此, 成形的关键是合理地控制加载路径, 必须控制内高压和补料位移之间保持一定的对应关系。结合实际情况, 具体的操作如下:①如果压力还未大到预设压力, 先控制两侧缸的位移, 管内压力靠增压器往复运动而自由升压;②如果左右侧缸位移先达到预设位置, 位移等待压力上升, 如果压力升到某一值域内, 控制压力使其达到目标值。
3 结论
钢管胀压车用桥壳数控液压机生产线是一项全新产品, 也是国内外采用此种新工艺生产车用桥壳的首台套设备, 不仅结构形式新颖, 而且桥壳的成形工艺相当复杂, 对液、电控制系统要求较高, 解决了许多关键技术难题, 推动了车用桥壳成形设备及关键技术的发展。与传统的桥壳生产工艺及设备相比, 主要结论如下:
(1) 结构布局合理。根据产品的成形工艺特点以及载荷分布情况, 对机身整体结构进行了充分的论证, 并对重要结构件进行有限元优化设计, 确保机身具有足够的强度和刚度, 精度保持性高。
(2) 左右侧缸同步性好。左右侧缸采用电液比例调速系统, 通过PID控制, 能实现平稳运行, 同步精度高。
(3) 液压系统可靠性高。在液压系统中应用了插装阀、伺服阀、比例泵、压力传感器和位移传感器等先进可靠的液压控制元件和精密检测元件, 具有检测控制精度高、抗干扰能力强、响应速度快等优点, 使压机快速、精确而又柔和地完成所有动作, 保证了液压系统具有良好的动态品质和高可靠性。
(4) 工艺性好。根据胀压成形工艺及材料变形机理, 对机身和模具采用不同结构形式, 有利于产品的可靠成形。
(5) 液压机全部采用框架式结构, 提高了抗偏载能力, 同时对成形速度和精度提出了高要求。
摘要：车用桥壳是卡车和高级轿车中必不可少的重要连接件和承载件, 其承载能力决定着车的载重量, 因此提高桥壳的成形质量及综合性能尤为重要。采用无缝钢管液压胀形工艺方法制造汽车桥壳, 研制出了液压胀形专机设备单元并进行成线生产, 实现了工艺技术的革新和设备的创新。通过此种工艺方法和专用液压设备制造的桥壳, 不仅制件整体性美观、强度高、刚度好, 而且材料利用率较高, 并节能降耗。
关键词：机械制造,液压机,液压胀形,车用桥壳,生产线
参考文献
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[4]俞新陆.液压机的设计与应用[M].北京:机械工业出版杜, 2006.
[5]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社, 1998.
[6]路甬祥.电液比例控制技术[M].北京:机械工业出版社, 1988.
液压胀形 篇2
管材在内压力作用下胀大变形, 取胀形区中心单元体为研究对象, 如图1所示。假设管材液压胀形时厚向应力为零, 则管材液压胀形处于平面应力状态, 环向和子午线方向为应力和应变的主方向。图1中, Pi为瞬时内压力, ti为瞬时管材厚度, σ1为环向主应力, σ2为子午向主应力, ρ1和ρ2分别为环向和子午向的曲率半径。
管材在内压力的作用下胀大变形, 其中管材液压胀形过程中内压力P随时间t的关系叫做加载路径, 胀形区子午向主应变值ε2与环向主应变值ε1之间的比值叫做应变路径。应变路径与加载路径是密切相关的。总的来说, 在直线加载路径下管材胀形区中心单元体的应变路径也是呈线性的, 即单一应变路径;而在折线加载路径下管材胀形区中心单元体的应变路径是呈非线性的, 即复杂应变路径。这样, 管材液压胀形过程中出现的所有应变路径可以分为单一应变路径和复杂应变路径。对于复杂应变路径来说, 利用工程简化的思想, 可以采用分段应变路径去无限逼近而使得理论分析计算变得更加简单方便[1]。
2 不同应变路径下的极限实验
2.1 单一应变路径下的极限实验
本节进行单一应变路径下的管材液压胀形成形极限实验, 所用的管材液压胀形成形极限的实验装置如图2所示, 该装置分为管端自由胀形装置和管端约束胀形装置, 分别对应成形极限图的拉-压应变状态和拉-拉应变状态。
极限应变状态值的测量是为了获得管材破裂时刻的极限主应变值[2], 本实验采用一套在线应变测量系统, 能采集到管材液压胀形过程中每个时刻的应变状态值。该套系统分为采集系统和分析系统。在实验开始前, 需要在管材表面喷涂黑斑和白斑, 用来构造散斑场。利用采集系统采集管材液压胀形过程中各个时刻胀形区单元体的应变状态, 最后分析系统通过散斑匹配原则来计算出各个时刻的应变状态值。单一应变路径下的管材液压胀形成形极限实验的参数如表1所示。
2.2 复杂应变路径下的极限实验
本实验采用的折线加载路径包括两个阶段, 分别为初始变形阶段和后继变形阶段, 需要分别知道这两个阶段的压力值。对于初始变形阶段的压力值, 即达到初始应变路径下设定的预应变值所需要的压力, 可以通过下面的简化公式来计算:
对于后继变形阶段的压力值, 即管材达到颈缩破裂时刻的极限压力值, 可以直接通过压力传感器直接读取出来。复杂应变路径下的极限实验的各项数据如表2所示。
通过管材液压胀形成形极限实验获得的初始应变路径为等单向和双向拉伸时的分段应变路径下的管材破裂的两种情况, 并且可以通过提取各种应变状态下的极限主应变值, 来获得不同应变路径下的管材液压胀形成形极限图。
3 结论
根据理论分析中的计算公式, 通过理论计算方法得到的不同应变路径下的管材液压胀形成形极限图如图3所示。从图3可以看出, 随着应变路径的改变, 管材液压胀形成形极限图的几何形状会发生漂移的现象, 这就表明, 基于应变的管材液压胀形成形极限图会受到应变路径的影响从而使得几何形状不稳定。与单一应变路径下的管材液压胀形成形极限图相比, 如果分段应变路径中的初始应变路径为单向拉伸, 则管材液压胀形成形极限图向左上方移动;如果分段应变路径中的初始应变路径为等双向拉伸, 则管材液压胀形成形极限图向右下方移动。这也证明了使用单一应变路径下的管材液压胀形成形极限图来表征成形极限会带来比较大的误差, 应该具体情况具体分析, 分析管材液压胀形工艺中应变路径的复杂性和多样性, 是未来研究管材液压胀形成形极限图的趋势。
摘要：管材液压胀形成形极限图是一种定量分析管材液压胀形成形性能的方法, 它受到多种因素的影响而使得几何形状不稳定, 其中应变路径被认为是重要的影响因素。因此, 探索应变路径对其影响规律具有实用意义。
关键词：管材,液压胀形,成形极限图 (FLD) ,应变路径
参考文献
[1]吴丛强, 杨连发, 何玉林, 等.加载路径对液压胀形管材成形性能的影响[J].现代机械, 2008, 35 (3) :6-8.
液压胀形 篇3
管材液压胀形[1]是以液体为传送动力的介质, 利用管材内部液体产生的高压使金属管坯变形, 从而成为零件的塑性加工技术。管材液压胀形的原理是通过在管材内部施加液体压力, 同时在管坯轴向施加载荷, 使其在给定的型腔内发生塑性变形, 管壁与模具内表面接触并贴合, 从而得到所需形状的零件。液压胀形的工艺过程简图如图1所示, 其基本工艺过程是:首先将管坯放入下模腔中, 然后闭合模具并锁紧, 管坯两端分别用轴向冲头进行密封, 通过液压管路向管坯内部通入低压液体, 使管坯内部完全充满液体, 然后再增大其压力。在增压过程中, 两端冲头同时向内推进, 管坯在内压力和轴向压力的共同作用下完成成形。
管材液压胀形能够克服常规塑性工艺的不足, 具有模具简单、成本低、周期短、产品质量好、形状和尺寸精度高等特点, 尤其适合在一道工序内成形具有复杂形状的中空零件。但由于管材液压胀形中工件的变形不是均匀的, 如果内压增加过快而没有相应的轴向进给补料, 就会因变形过快导致局部减薄严重产生破裂现象[2], 因此合理设置工艺参数是消除破裂的关键。本文拟通过有限元软件MSC.MARC对TP2变径铜管材的液压胀形进行模拟, 对成形过程中出现的应变和管壁变薄情况进行准确预测, 并揭示一些生产中难以发现的问题, 从而有利于设计人员进行工艺参数优化。
1 有限元模型的建立
1.1 几何模型
TP2铜管管坯外径尺寸20mm, 壁厚1mm, 总长度300mm, 液压胀形后管材如图2所示。
首先需要建立模具模型和管坯, 然后对管坯模型进行网格划分。本文中对管坯共划分了6732个四边形单元, 沿管材圆周方向划分为36份, 母线方向划分为187份。同时还需要建立左、右冲头, 整体的模型如图3所示。本文中由于管材的厚度远小于其长度, 故可以使用壳单元定义管材的单元类型。
1.2 材料特性的定义
TP2铜管的材料参数如表1所示。
在MSC.MARC有限元软件中, 通过FORMULA命令输入公式 (1) 生成应力应变曲线, 横轴定义为等效塑性应变, 纵轴为真实应力。
式中:σ———真实应力;
ε———等效塑性应变。
通过FORMULA命令输入公式 (2) 生成管壁上的内压曲线, 横轴定义为时间, 纵轴为内压。
式中:F———内压;
T———时间 (0≤t≤20) 。
1.3 接触条件定义
本文中共有三对接触对。第一个接触体是管坯, 定义为变形体;第二、三、四个接触体分别是模具、右冲头和左冲头, 定义为刚体, 采用解析表面, 摩擦系数取0.1。左、右冲头采用速度控制, 速度为0.5mm/s。
1.4 边界条件定义
边界条件定义包括边界条件内容及边界条件施加两部分[3], 在边界条件中可以约束位移、添加点载荷、施加面压力等, 本文中没有位移的约束, 只要定义管坯的内压, 即通过施加面压力定义管坯内压[4]。
1.5 定义载荷工况及提交作业
整个分析设定200个固定步长, 总分析时间20s。本文采用壳单元定义材料模型, 单元类型选择4节点四边形双线性薄壳的139号单元[5], 它是直接基于离散克希霍夫理论的。
2 成形模拟结果分析
变径管内高压成形的变形特征: (1) 变形分为两个比较明显的阶段, 即低压初步成形阶段和高压贴模阶段; (2) 压力使坯料屈服后, 随着压力的增大, 坯料初步成形阶段的变形非常迅速。本文从壁厚和应变分布分析内压和轴向进给的匹配关系是否合理。
2.1 壁厚分析
通过选取Thickness of Element参数, 显示液压胀形后的管壁壁厚分析, 如图4所示。由图4可见, 壁厚减薄最大的区域出现在管材两端倒角和胀形最大区域的连接处, 最大减薄率达到24.88%;由于此处为由未变形区到已变形区的过渡区域, 过大变形容易使此处发生壁厚减薄。越靠近管材两端, 变形量越小。
2.2 应变分布
在SCALAR栏中选取Equivalent of Plastic Strain参数, 可以观察到管材最终成形后的等效塑性应变分布, 如图5所示。由图5可见, 最大等效塑性应变发生在管材两端倒角和胀形最大区域的连接处, 其最大塑性应变为0.3729。
3 总结
本文针对TP2变径铜管建立了液压胀形的管材模型, 进行了胀形模拟分析, 对成形后的管材进行了壁厚和应变分析。得出了轴向进给和管内高压的较合理的匹配关系, 可以用于指导试验生产。得出了壁厚减薄率和等效塑性应变的最大区域都是在管材两端倒角和胀形最大区域的连接处, 越靠近两端, 变形量越小, 整个变形区变形量分布不均。
摘要：利用有限元分析软件MSC.MARC, 建立了变径铜管材模型, 完成了管材液压胀形过程的模拟, 对成形后的管材进行了壁厚和等效应变分析。得出了轴向进给和管内高压的较合理的匹配关系, 得出了壁厚减薄率和应变的最大区域是在管材两端倒角和胀形最大区域的连接处。
关键词：液压胀形,TP2铜管,MSC.MARC,数值模拟
参考文献
[1]F.Dohmann, Ch.Hartl.Hydroforming-a method to manufacture lightweight parts.Journal of Materials Processing Technology, 1996, 60:669-676.
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[3]闫思江, 李凡国.超声疲劳试验谐响应分析[J].锻压装备与制造技术, 2011, 46 (6) :87-89.
[4]翟江波, 余心宏, 翟妮芝.三通管复合胀形与轴向压缩胀形工艺研究[J].锻压装备与制造技术, 2011, 42 (2) :82-86.