CN102451868A - 一种波动型内压控制加载方式的液压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及型材液压成形领域，具体为一种波动型内压控制加载方式的异型截面管材及板材液压成形方法，解决在液压成形过程中失稳现象的出现，型材壁厚分布不均匀，模具过渡圆角处贴模不完全等缺陷。首先，将初始坯料放入密封的模具型腔中；然后，以波动型液压加载方式将高压液体介质导入密封的模具型腔中，依靠以波动型液压加载方式增长的内压，最终成形出符合要求的零件。本发明控制精度高，型材成形质量优异，可有效避免缺陷发生，用途范围广，即通过柔性介质控制的成形工艺均可适用。

Description

一种波动型内压控制加载方式的液压成形方法

技术领域：

本发明涉及型材液压成形领域，具体为一种波动型内压控制加载方式的异型截面管材及板材液压成形方法。

背景技术：

液压成形是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。按使用坯料的不同，可以分为三种类型：管材液压成形(tube hydroforming)、壳体液压成形(shellhydroforming)和板料液压成形(sheet hydroforming)。其中管材液压成形是利用管内液体产生的高压(工作压力通常100～400MPa，最高达1000MPa)使金属管坯变形成为具有三维形状零件的现代塑性加工技术，其基本工艺过程为在闭合的上下模具型腔内放入管坯，在管坯内通入高压液体，在施加液压的同时，轴向冲头对管坯施加轴向推力，进行密封补料。在两种外力共同作用下管坯发生塑性变形，并最终与模具型腔内壁完全贴合，得到形状与精度均符合要求的中空零件。壳体液压成形是采用一定形状的封闭多面壳体作为预成形坯，在封闭多面壳体充满液体后，通过液压介质在封闭多面壳体内加压，在内压作用下壳体产生塑性变形而逐渐趋向于最终的壳体形状，最终壳体形状可以是球形、椭球形、环壳和其他形状壳体。板材液压成形是采用液体作为传力介质代替刚性凸模或凹模传递载荷，使坯料在传力介质压力作用下贴靠凸模或凹模以实现金属板材零件的成形，研究对象涉及筒形件、盒形件、复杂曲面零件及覆盖件等。

液压成形技术的主要应用领域是汽车及航天航空工业，它对于促进汽车轻量化的进程，提高零部件的强度、刚度，改善车辆运行的稳定性、安全性，减少零件和模具数量，降低生产成本，正在并已经产生了积极的推动作用。采用液压成形技术，可制造各种沿轴线变化的圆形、矩形或异型截面的空心结构零件。但是液压成形技术属于一种复杂的成形工艺，影响成形工艺过程和产品质量的因素较多，包括坯料的材料性能、摩擦、密封、轴向推力、内压等。需要内压力与轴向进给之间的良好匹配关系，得到合理的加载路径，如果配合不当，可能会导致坯料在成形过程中出现起皱、屈曲、破裂等失效现象。液压成形性好坏的关键指标是成形后型材的壁厚分布均匀性和圆角处贴模情况，而这些因素又受到材料本身特性和成形最终几何形状、尺寸的限制。在成形复杂截面形状的零件时，即使采用适当的加载路径，虽然可以有效地抑制失稳现象的出现，但仍然无法降低坯料与模具之间存在较大的摩擦力，很难保证成形后零件壁厚分布的均匀性以及圆角处的贴合情况。

发明内容：

针对液压成形属于柔性成形范畴的特点，为了解决在液压成形过程中失稳现象的出现，零件壁厚分布不均匀，模具过渡圆角处贴模不完全等缺陷，降低坯料与模具之间存在较大的摩擦力，本发明的目的在于提供一种波动型内压加载方式的型材液压成形方法。

本发明的技术方案是：

一种波动型内压控制加载方式的液压成形方法，在型材液压成形时，依靠以波动型油源控制加载方式增长的内压，成形出符合要求的产品。

所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，型材液压成形包括：管材液压成形、壳体液压成形或板材液压成形。

所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，波动型油源控制加载方式为正弦波、矩形波、三角波或复合波形。

所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，波动型油源控制加载方式的波峰的轨迹沿着原来的单调增加的加载路径。

所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，波动型油源控制加载方式波形的频率范围为0.05～1Hz，振幅范围为0.5～30MPa。

所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，在管材液压成形时，首先，将初始管坯放入下模内，将上模与下模闭合，左侧冲头和右侧冲头通过水平运动将管坯两端口进行密封，形成密封的模具型腔；之后以波动型油源控制加载方式将高压液体介质导入密封的模具型腔中，依靠以波动型油源控制加载方式增长的内压与左侧冲头和右侧冲头的轴向进给相互配合，最终成形出符合要求的管件。

所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，在板材液压成形筒形件时，首先，将初始板坯放入下模上，将上压板压下，与板坯接触进行密封；然后，以波动型油源控制加载方式将高压液体介质通过上压板中的管路导入到密封型腔内，依靠以波动型油源控制加载方式增长的内压，最终将板材成形为壁厚均匀的筒形件。

所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，在壳体液压成形时，将板材经预先焊接成形为密闭多面壳体；然后，以波动型油源控制加载方式将高压液体介质通入密闭多面壳体中，随着内压的增长壳体最终成形为球形壳体。

本发明的有益效果是：

1、采用本发明在型材液压成形时，依靠以波动型油源控制加载方式增长的内压，最终成形出符合要求的管件，适用于管材液压成形、壳体液压成形或板材液压成形。

2、本发明波动型高压油源控制的加载方式是让内压力在增加的同时进行一定频率和振幅的波动。通过预先设定，可实现各种波形(如正弦波、矩形波、三角波、复合波形等)，并且波形的频率和振幅均可以控制调节，以满足不同材料及零件的成形要求。

3、本发明控制精度高，管件、板件或壳体成形质量优异，可有效避免缺陷发生，降低坯料与模具间的摩擦力大小，用途范围广，即通过柔性介质控制的成形工艺均可适用。

附图说明：

图1-2为本实施例1中矩形截面管材零件液压成形过程示意图；其中，图1为成形前；图2为成形后。

图3为实施例1采用的正弦方式波动的内压加载示意图；

图4为实施例1中成形后管件沿轴向壁厚分布示意图；

图5为实施例2采用的板材液压成形示意图；

图6为实施例2采用的矩形方式波动的内压加载示意图；

图7为实施例3采用的壳材液压成形示意图；

图8为实施例3采用的三角形方式波动的内压加载示意图。

图中：1.上模；2.下模；3.左侧冲头；4.管坯；5.右侧冲头；6.波动型超高压油源发生系统；7.上压板；8.板坯；9球形壳体。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，矩形截面管材零件液压成形过程如下：在矩形截面管材零件液压成形中，初始管坯采用AISI 304不锈钢钢管，经1050℃固溶处理，几何尺寸为外径为φ20，壁厚1mm，管长为400mm。首先，将初始管坯4放入下模2内，将上模1与下模2闭合，左侧冲头3和右侧冲头5通过水平运动将管坯4两端口进行密封，形成闭合矩形截面模具型腔。然后，将超高压油源发生系统6中产生的以正弦函数形式增长的高压液体介质通过右侧冲头5的通道导入到密封的模具型腔中，液压内压随时间变化的具体形式见图3所示。依靠以正弦函数方式增长的内压与水平冲头(左侧冲头3和右侧冲头5)的轴向进给相互配合，最终成形出符合要求的管件。

本实施例中，正弦函数的波峰与以单调增加加载方式的内压保持相等，波峰的轨迹沿着原来的单调增加的加载路径。

本实施例中，正弦函数方程如下：P＝p(t)+ΔP*sin(2πωt’)

式中，p(t)为一般线性加载曲线；ΔP为波动型加载曲线的振幅，本实施例中，ΔP＝10MPa；ω为波动的频率，本实施例中，ω＝0.1Hz；压力p为时间t的函数；t’取值范围为120～400s。

本实施例中，水平冲头的轴向进给力F_a＝F_f+F_s+F_d

式中，F_f——摩擦力(kN)；

      F_s——传压介质作用在冲头上的压力(kN)；

      F_d——冲头使管坯产生一定塑性变形所需要的推力(kN)。

轴向进给力的大小范围在50～200kN。

图4为波动加载成形管件与单调增加加载成形管件沿轴向壁厚分布的对比情况，从图中可以看出，以正弦方式的波动内压加载成形的管件壁厚明显要比传统单调加载方式的管件壁厚分布均匀。

本实施例中，一般线性加载曲线的函数方程如下：

p(t₁)＝0.17t    0≤t₁≤300s；

p(t₂)＝0.7t-160 300≤t₂≤400s。

本实施例把原始管材坯料放入下模，然后上模与下模闭合形成密闭的型腔；轴向冲头推进对管坯两端部进行密封，通过闭环控制超高压油源发生系统产生具有一定波型的高压油，并将高压油通入管坯内部或密封型腔内。在液压与轴向进给的共同作用下管坯发生塑性变形并最终与模具内壁贴合，避免成形过程中失稳现象的发生，实现成形后的管件壁厚分布均匀，满足产品要求。

实施例2：

与实施例1不同之处在于，图5所示为板材液压成形筒形件示意图。初始板坯为退火态的紫铜板，壁厚为3mm，长×宽＝80×80mm，筒形直径为φ50mm。首先，将初始板坯8放入下模2上，将上压板7压下，与板坯8接触进行密封。然后，将超高压油源发生系统6中产生的以图6所示矩形波动增长的高压液体介质通过上压板7中的管路导入到密封型腔内，以高压液体代替刚性凸模，最终将板材成形为壁厚均匀的筒形件。

本实施例中，矩形波动的波峰与以单调增加加载方式的内压保持相等，波峰的轨迹沿着原来的单调增加的加载路径。

本实施例中，矩形波动的函数方程如下： $P=p\left(t\right)+\mathrm{\ΔP}\frac{\cot \left(\mathrm{\π\ω}{t}^{\′}\right)}{\left|\cot \left(\mathrm{\π\ω}{t}^{\′}\right)\right|}$

式中，p(t)为一般线性加载曲线；ΔP为波动型加载曲线的振幅，本实施例中，ΔP＝10MPa；ω为波动的频率，本实施例中，ω＝0.1Hz；压力p为时间t的函数；t’取值范围为20～100s。

本实施例中，一般线性加载曲线的函数方程如下：

p(t)＝0.58t    0≤t≤100s。

本实施例可以避免液压成形过程中失稳现象的出现，零件壁厚分布不均匀，模具过渡圆角处贴模不完全等缺陷，降低坯料与模具之间存在较大的摩擦力。

实施例3：

与实施例1不同之处在于，图7为实施例3采用的壳材液压成形示意图。本实施例采用的是无模成形技术，将低碳钢钢板经预先焊接成形为密闭多面壳体。然后，将超高压油源发生系统6中产生的以图8所示三角波动增长的高压液体介质通入密闭多面壳体中，随着内压的增长壳体最终成形为球形壳体9。

本实施例中，三角波动的波峰与以单调增加加载方式的内压保持相等，波峰的轨迹沿着原来的单调增加的加载路径。

本实施例可以避免液压成形过程中失稳现象的出现，零件壁厚分布不均匀，模具过渡圆角处贴模不完全等缺陷。

Claims (8)

1.一种波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，在型材液压成形时，依靠以波动型油源控制加载方式增长的内压，成形出符合要求的产品。

2.按照权利要求1所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，型材液压成形包括：管材液压成形、壳体液压成形或板材液压成形。

3.按照权利要求1所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，波动型油源控制加载方式为正弦波、矩形波、三角波或复合波形。

4.按照权利要求1所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，波动型油源控制加载方式的波峰的轨迹沿着原来的单调增加的加载路径。

5.按照权利要求1所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，波动型油源控制加载方式波形的频率范围为0.05～1Hz，振幅范围为0.5～30MPa。

6.按照权利要求2所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，在管材液压成形时，首先，将初始管坯放入下模内，将上模与下模闭合，左侧冲头和右侧冲头通过水平运动将管坯两端口进行密封，形成密封的模具型腔；之后以波动型油源控制加载方式将液体介质导入密封的模具型腔中，依靠以波动型油源控制加载方式增长的内压与左侧冲头和右侧冲头的轴向进给相互配合，最终成形出符合要求的管件。

7.按照权利要求2所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，在板材液压成形筒形件时，首先，将初始板坯放入下模上，将上压板压下，与板坯接触进行密封；然后，以波动型油源控制加载方式将液体介质通过上压板中的管路导入到密封型腔内，依靠以波动型油源控制加载方式增长的内压，最终将板材成形为壁厚均匀的筒形件。

8.按照权利要求2所述的波动型内压控制加载方式的液压成形方法，其特征在于，在壳体液压成形时，将板材经预先焊接成形为密闭多面壳体；然后，以波动型油源控制加载方式将液体介质通入密闭多面壳体中，随着内压的增长壳体最终成形为球形壳体。

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