CN101024236A

CN101024236A - 一种异型截面管状零件的内高压成形方法

Info

Publication number: CN101024236A
Application number: CNA2007100197096A
Authority: CN
Inventors: 樊黎霞
Original assignee: MEIQI TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd NANJING
Current assignee: MEIQI TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd NANJING
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2007-08-29

Abstract

本发明公开了一种异型截面管状零件的内高压成形方法，它包括以下步骤：先将金属管材坯料置于模具中，合模后压头、模具型腔及坯料本身的管腔形成一个密封空腔；在密封空腔中注满液体介质；两压头向内挤压，同时向管坯内注入高压液体介质，在液体压力和轴向补料推力的共同作用下金属管材坯料发生塑性变形并最终与模具型腔内壁贴合；保压一定时间后卸去压力；分模后得到所需异型截面管状零件。与传统的冲压焊接工艺相比，采用该工艺可减轻零件重量，节约材料；提高零件的强度和刚度；减少零件数量，节约模具成本；简化生产流程，提高生产效率及产品质量；改善管件内的气体流动特性，结构形状设计更趋灵活、优化。

Description

一种异型截面管状零件的内高压成形方法

一、技术领域

本发明涉及一种异型截面管状零件的成形方法，具体的说是一种利用液压膨胀原理在模具型腔中将金属管材坯料制成所需截面形状的内高压成形方法。

二、背景技术

随着汽车及航空、航天等工业的不断发展，轻量化结构以节省材料、降低能耗和减轻污染显得日益重要，并成为现代制造技术的发展方向之一。而实现结构轻量化有两条主要途径：一是采用轻体材料，如铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料等；二是采用全新的设计理念和方法并开发与之相适应的的生产工艺，如以空心变截面构件代替实心构件，既可减轻质量又可充分利用材料的强度和刚度。两者比较而言，后者显然具有更好的发展前景。在工业需求的驱动下，作为加工空心变截面构件的管件液压成形工艺应运而生并日益受到关注。同时，两个方面关键技术的突破又促进了该技术的快速发展：一是超高压动密封技术，通过精心选择、合理设计密封结构形式，完全能实现生产条件下400～600MPa，特殊场合1500MPa超高压的稳定密封；二是超高压计算机控制技术，实现对给定加载曲线高精度的跟踪。当前，液压成形技术已成为金属塑性成形加工领域研究的前沿和热点。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在常温下可以加工多种异型截面管状零件的内高压成形方法。

一种异型截面管状零件的内高压成形方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)将金属管材坯料置于模具中，该模具的型腔形状为所需异型截面管状零件外表面的形状，合模后，位于金属管材坯料两端的液压压头、模具型腔及坯料本身的管腔形成一个密封空腔；

2)在密封空腔中注满液体介质；

3)两压头向内挤压，同时经压头向管坯内注入高压液体介质，在液体压力和轴向补料推力的共同作用下金属管材坯料发生塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合；

4)保压一定时间后卸去压力；

5)分模，即得所需异型截面管状零件。

本发明通过合模、充液、加压、保压以及成形后的卸压、分模等步骤来实现其目的，它以金属管材为毛坯，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，同时进行补料，在两种外力的作用下，管坯材料发生塑性变形，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。

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减轻零件重量，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能改善管件内的气体流动特性；⑧结构形状设计更趋灵活、优化。

四、附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2(a)是承压深孔的间隙密封结构示意图；

图2(b)是弹性圆筒衬套的间隙密封结构示意图；

图3是车氏组合密封结构示意图；

图4是组合式密封结构示意图；

图5是管件液压成形工艺流程图。

五、具体实施方式

本发明所述的一种异型截面管状零件的内高压成形方法，它包括以下步骤：

2)在密封空腔中注满液体介质；

4)保压一定时间后卸去压力；

5)分模，即得所需异型截面管状零件。

管件液压成形工艺非常适用于制造沿构件轴线变化的具有圆形、矩形或异型截面的空心构件，可广泛应用于航空航天、汽车、国防、化工、医疗、厨房卫生用具等行业。当前，该工艺在汽车行业中的应用范围最广，程度最深，表1给出了管件液压成形工艺在汽车各个总成上的具体的应用实例。

表1液压成形工艺在汽车行业的应用实例

系统名称	应用实例
系统名称	应用实例	发动机	凸轮轴、曲轴、排气歧管、催化转化器等
底盘	副车架、发动机托架、梯形架、保险杠、车架纵梁、横梁、散热器壳、后桥壳、转向管柱、操纵杆、控制臂、管接头等	发动机	凸轮轴、曲轴、排气歧管、催化转化器等
底盘	副车架、发动机托架、梯形架、保险杠、车架纵梁、横梁、散热器壳、后桥壳、转向管柱、操纵杆、控制臂、管接头等	车身	仪表板梁、座椅框架、车顶纵梁、横梁、立柱、空间骨架、挡风玻璃支架等

下面以某轿车副车架为例，详细对本发明进行描述：

一、液压成形设备的主要技术参数

1.估算成形压力P

根据塑性成形理论和厚壁圆筒理论可推导出式2.2.1，然后将副车架的几何参数和材料的机械性能参数代入式中，可计算出管件最终成形所需的压力^[6]。

P = \frac{2}{\sqrt{3}} K {(ϵ_{0} + \overset{&OverBar;}{ϵ})}^{n} \ln \frac{r}{r - t_{0}}

式中，t₀为管坯初始壁厚，mm；r为模具最小圆弧半径，r≥(3～5)t₀，mm；ε₀和

分别为初始应变和平均应变；K为强化系数，MPa；n为应变硬化指数。

2.估算合模力F_c

F_c＝AP

式中，A为分模面处的型腔投影面积，mm²。

3.估算轴向推力F_axial

轴向推力由摩擦阻力F_friction、密封力F_sealing和变形抗力F_forming，表达式如下：

其中F_axial＝F_forming+F_sealing+F_friction

F_friction＝π·μ·p_i·d₀·(l₀-s)

F_{sealing} = π \cdot p_{i} \cdot \frac{{(d_{0} - {2 t}_{0})}^{2}}{4}

F_{for \min g} = \frac{π \cdot p_{i} \cdot (1 - 2 α) \cdot {(d_{0} - t_{0})}^{2}}{4}

式中，d₀为管坯初始外径，mm；t₀为管坯初始厚度，mm；σ_s为材料屈服极限，MPa；p_i为管坯内压力，MPa；α为轴向应力与周向应力之比值； t₁为管坯成形后的壁厚，mm；μ为摩擦系数；l₀为初始接触长度，mm；s为管坯初始屈服时的补料量，mm。

4.确定设备的主要技术参数

综合上述计算结果，以及加工能力的需要，最终确定的液压成形设备的主要技术参数如表2所示。

表2液压成形设备主要技术参数

Table 2.2.1 major technical parameter ofhydroforming equipment

技术参数	单位	数值
技术参数	单位	数值	公称合模压力	kN	50000
工作液体压力	MPa	31.5	公称合模压力	kN	50000
工作液体压力	MPa	31.5	最高液体压力	MPa	240
合模油缸行程	mm	300	最高液体压力	MPa	240
合模油缸行程	mm	300	轴向补料推力	kN	1500
轴向补料油缸行程	mm	200	轴向补料推力	kN	1500
轴向补料油缸行程	mm	200	复位及反作用油缸推力	kN	1000
复位及反作用油缸行程	mm	150	复位及反作用油缸推力	kN	1000
复位及反作用油缸行程	mm	150	工作台面	mm×mm	1800×1300
加工零件最大长度	mm	3500	工作台面	mm×mm	1800×1300
加工零件最大长度	mm	3500	生产效率	件/小时	40～60

二、超高压动密封技术

能否实现超高压动密封是研制管件液压成形设备能否成功的关键，也是制约液压成形设备向更高压力、更大吨位发展的主要障碍之一。当前，在超高压设备中普遍采用的行之有效的超高压动密封结构和技术有两种：

1.间隙密封

实现间隙密封的方法有工艺和结构两种，前者对密封面采用超精度加工以减小密封间隙来实现超高压动密封；后者采用承压深孔(如图2(a)所示)或弹性圆筒衬套结构(如图2(b)所示)，因液体介质的粘性流动，在间隙的轴向产生压降，密封间隙随压力的增大而减小，极薄的油膜隔离了柱塞和缸筒或柱塞和圆筒衬套，增加了间隙中介质的阻尼，从而实现密封，该结构可达到600～700MPa的超高压动密封的效果。

2.填料密封

填料密封的结构型式有V形、Y形、J形、脚形等多种，其中V形最为常用，依据不同压力的密封要求，可将V形密封件串连安装，串连的组数越多，可实现密封的压力越高。当填料采用铍青铜等软金属制作时，可达到1000MPa左右的超高压动密封效果。图3为车氏组合密封，它由脚形滑环、O形橡胶圈和导套组成，最高可实现300MPa的超高压动密封。

无论是间隙密封还是填料密封，密封间隙的控制至关重要，它直接决着超高压动密封的成败。因此，通过合理设计和控制液压成形设备中各种超高压增压缸内缸体与柱塞之间的间隙，采用上述方法均可实现的超高压动密封要求。但是，对于管坏两端的密封需要采用新的结构形式，常见的密封形式有：平封式、环形尖刃式、锥台式和组合式，如图4所示。其中，平封式密封适合于中等胀形压力及端面很平的情况，环状尖刃式和锥台式密封适合于厚壁管及压力较高的场合，但在更高内压和较大补料量的情况下，以上的密封方法经常会失效。因此，为确保设备能稳定密封，仍然采用组合式密封结构。

三、管件液压成形的工艺流程

在液压控制系统设计之前，首先必须明确主机完成的整个工艺流程。管件液压成形工艺流程如图5所示。将轴线预弯成与零件轴线形状相似的管坯置于凹模中，合模油缸活塞上升，对管件进行预冲压并锁模，左右端部补料油缸活塞前移，使与之相连的端部密封柱塞至预先设定的密封位置，让充液系统对管坯内腔进行快速充液；之后，左右端部油缸活塞继续前移并进给到位，同时充液系统进行补液增压并保压一段时间，使管件与模具型腔内壁贴合，管件成形；最后，左右端部油缸活塞后退，管坯内腔卸压，锁模油缸活塞下移，上下模分离，同时下料油缸活塞下移，顶出零件，成形过程结束，完成一个工艺循环。

Claims

1、一种异型截面管状零件的内高压成形方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)将金属管材坯料置于模具中，该模具的型腔形状为所需异型截面管状零件外表面的形状，合模后，位于金属管材坯料两端的压头、模具型腔及坯料本身的管腔形成一个密封空腔；

2)在密封空腔中注满液体介质；

4)保压一定时间后卸去压力；

5)分模，即得所需异型截面管状零件。