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【干货】管材液压成形(内高压成形)技术必须考虑的因素
2019-10-19
摘要:管件液压成形系统必须考虑许多因素,从起始管的几何形状和材料性能到最终零件的质量(如厚度分布和尺寸精度)。这些组件中的每一个都对流程的成功起着重要作用,每个组件都必须在流程开发阶段进行处理。

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图1


  图1是一种典型的管件液压成形系统的展示。

  在这个系统中,必须考虑许多因素,从起始管的几何形状和材料性能到最终零件的质量(如厚度分布和尺寸精度)。

  这些组件中的每一个都对流程的成功起着重要作用,每个组件都必须在流程开发阶段进行处理。

  因此,管材液压成形技术的应用必须考虑以下因素:

  1.管材与成形性

  2.摩擦润滑

  3.预成形和预弯

  4.设备

  5.循环时间和生产率

  本文讨论了这些点,以及计算机辅助模拟在过程中如何辅助水力发生器。

  一、管材与成形性:

  进料管的质量是成功液压成形的关键。

  管材的材料性能(材料成分、焊缝类型、屈服强度、极限拉伸强度、延伸率、流动特性等)和尺寸(如直径和厚度)必须根据最终零件的要求来确定,并在制造过程中密切监控。

  为了获得关于管材材料特性的真实信息,必须使用类似于液压成形过程的测试程序。

  在俄亥俄州立大学展示了这样一个膨胀试验的草图。

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  图2

  在这个试验中,管材两端被锁住,并利用液压内压力,使管材根据实现自由拉伸的效果。

  304型不锈钢在不同压力下胀形的几个零件(图3)。

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  图3,在本实验中,在2,654 PSI(18.3MPa)内压下,形成了一段SAE 1008钢。

  对于特定的管材和厚度,压力和最大胀形直径是在不同的压力水平下测量的。该数据与专用计算机程序一起,以方程和应变函数的形式预测管道材料的流动应力。

  该方程可用于有限元法(FEM)程序,以模拟管液压成形过程。

  二、摩擦润滑:

  液压成形中的摩擦条件是至关重要的,特别是对于需要大量轴向进给的零件。

  在这种情况下,润滑是用来减少滑动摩擦,防止卡住和磨损,以减少工具磨损,轴向力,和过度减薄。

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  图4

  润滑也成为校准阶段的一个关键因素,当管道横截面拉伸到最终尺寸时(图4)

  良好的润滑剂必须:

  1)具有足够高的润滑性,以减少模具与变形管之间的滑动摩擦。

  2)能够承受压力高至每平方英寸5000磅至15000磅(PSI)-管/模界面,以防止管粘到模具上。

  3)非磨料,以减少冲模表面的磨损。

  4)不含任何污染物。

  5)容易应用于模具和管子上,并将其从管中取出。

  6)以合理的成本提供。

  没有单一的润滑剂能够满足所有这些要求,所以在选择润滑剂时必须做出妥协。在前面的清单中,可以使用各种测试来评估润滑剂的一个或多个特性,其中最重要的特性是润滑性或摩擦系数。

  三、预成形与预弯:

  液压成形的起始管几何形状可以是直的,也可以是预弯的或预成形的,这取决于要制造的最终产品的复杂程度(见图5)。在某些应用中,零件的某些部分可能在模具关闭过程中被压碎形成,然后被校准到模具表面的最终尺寸。

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  图5

  为了在整个部件中实现完全塑性变形,从而减少回弹,管周长应该比每个截面中的模具几何形状略微小。

  弯曲管中的应变会影响管件液压成形过程中的变形和变薄,并确定最终零件的厚度和强度分布(这是在设计阶段考虑的,以便成形部件在组件之前具有所需的性能)。

  因此,在用于液压成形的弯曲管中,制造商必须避免在弯曲管的压缩部分中过度起皱,以便在液压成形零件上不产生褶皱。

  制造商还必须估计在管的延伸部分上发生的减薄,以确定所选择的管厚度是否足以提供液压成形后零件的最小厚度要求。

  此外,在弯曲前,通常需要对焊管进行定向,使焊缝处于中性区域,并且在变形过程中不受张力或压缩的影响。

  六、设备:

  液压压力机的主要功能是打开和关闭模具,在成形过程中提供一个夹紧载荷,以消除弹性变形和模具分离。执行该过程所需的其他单元包括轴向力钢瓶和压力增强器。

  目前,液压机是用来提供大的夹紧力的过程中。这些液压机通常需要大量的资本投资。然而,一些研究机构正在努力开发低成本的设备,使用几个步骤打开和关闭模具,并提供夹紧负载。

  在一个这样的设计中,上模半部的RAM用小气缸驱动上下运动。在RAM到达其下死点位置并关闭模具后,在RAM和压力机框架之间用气动或液压缸推动两个距离块。几个短冲程气缸然后压下垫片,下半模向上,这消除了两个半模之间的间隙。这种设计允许快速的选通速率,但需要更少的功率来闭合、夹紧和打开模具。

  七、循环时间和生产率:

  更换大量流体以打开和关闭模具,将零件进出模具,以及填充和加压管件是减少循环时间的几个因素。

  然而,限制生产速率的主要因素之一是弯曲和预成形操作。因此,为了提高生产率,可以使用几种弯曲机向管件液压成形过程提供零件,或者可以同时形成多个零件。下图中给出了一些样品的生产速率。

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  图6

  为了成功地进行液压成形,制造商必须选择合适的机器设置,即压力对时间和轴向进给量随时间的变化。只有这样,才能避免因过大的轴向进给引起的褶皱或因过大的压力而引起的断裂。这些机器设置很难单独根据经验选择,特别是在开发新的模具和新的成形工艺时。因此,可能需要花费太多的成本和耗时的试验及错误来建立正确的机器操作。

  因此,在工艺开发过程中,最好采用计算机辅助技术模拟机器操作和管件变形。

  八、工艺设计与仿真:

  同时施加内压和轴向进给,使管状毛坯形成模具形状。管材的性能和成形性决定了最终零件在现有工艺条件下能否成形。

  过程参数(如内压、轴向进给和反压)的初始估计可以从分析计算或计算机模拟获得,以减少开发时间。各种软件包可以模拟管件液压成形过程,内部压力通常由压力-时间函数描述,但这可能在某些情况下引起稳定性问题。然而,使用流动体积时间函数(泵)代替压力时间函数,消除了稳定性问题。体积流量选项在计算机程序中的一些有限元程序中可用,例如LS-Dyna和Pam-Stamp。

  为了可靠地预测管件液压成形中的成形条件,需要向计算机模拟提供准确的材料数据(流动应力、厚度、直径和各向异性)和工艺信息(内部压力、轴向进给、反作用力和摩擦)。输入数据还应包括应变历史(材料在弯曲和预成形过程中的硬化)。

  用Pam Stamp预测了由低碳钢(1008)制成的结构件的减薄分布(图7)。在这种液压成形过程中,一个2.5米长,120毫米直径,3毫米厚的管子被弯曲,压碎,并液压成形到最终尺寸。从弯曲操作开始,对制造过程中的每一步进行模拟,并将应变历史进行到下一步骤,以提高预测的准确性。

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  图7

  有限元分析预测与DANA公司提供的部分实际测量结果吻合得很好。

  本文给出了一个解析模型的应用实例(图8)。

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  图8

  利用解析模型,在内压函数中计算了圆管转角半径。

  这些模型的计算结果与实验结果吻合较好。

  九、自适应过程仿真:

  自适应过程仿真的方法仍处于发展阶段,其目的是在单个仿真中估计压力与时间和轴向进给-时间曲线。这些信息对于建立给定零件的液压成形成功的冲压操作是必要的。

  在每次有限元模拟增量时,程序从仿真模型中读取必要的电流数据。如果任何节点具有负速度矢量(朝向管的中心线),则它被检测为起皱的开始。(另一种检测皱纹的方法是观察零件表面的斜率)。

  因此,作为校正措施,该程序增加了内部压力,同时停止了材料的轴向进给。

  如果去除了褶皱,则在恢复物料输送时,内部压力保持恒定。使用几何标准,如速度或位移是一种非常简单的方法来检测起皱。二增加内压使管子膨胀,消除褶皱。因此,在下一步骤中,可以将更多的材料进到模具中,以允许管进一步膨胀到模腔中。

  如果在该进给之后,台阶皱褶再次出现,则压力增加。该程序在计算机上进行了有限元仿真。这使得在单个模拟中获得最佳的压力-时间和轴向进给-时间曲线。

  十、结语:

  在过去五年里,通过在工业和大学对管件液压成形的研究,已经研发出了了一种先进的工艺,而它可以运用在大批量的零件生产环境中。

  然而,与传统冲压相比,管件液压成形工艺仍然相对较新,没有广泛的工具和工艺设计知识库。因此,对计算机建模的清晰理解将有助于工程师开发出轴向进给、内压和反作用力作为时间函数的可靠控制策略,以提高液压成形的材料成形能力。

  由于管件液压成形所涉及的压力高,不能使用软模具进行试验。模具必须由具有一定硬度和涂层规格的钢制造,并且修改是昂贵的。因此,通过减少工具和工艺开发中的试验和误差,可以提高管件液压成形的潜力,这可以通过使用计算机建模能更好地理解工艺参数之间的相互作用来实现。

  由过程建模制定的各种预测(厚度分布、内压、夹紧力、摩擦力和回弹),有助于确定任何可能的形状缺陷和在计划阶段中的破裂,并允许设计者在制造硬模具之前改进其模具设计。

  来源:Suwat Jirathearanat、Taylan Altan,ph.D.《Successful tube hydroforming: Watching parameters, accurately simulating the process yield good results》.June15,2001

  由兴迪源机械翻译、编辑

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  以上观点不代表本公司立场

  这篇文章出自于2001年,当年我国没有把这个技术研究透彻,也还没有运用到我们的工业和制造业上。如今,18年过去了,我们的现状是怎么样的呢?答案是各领域的制造企业已经投入使用液压成形技术生产产品。那么,他们为什么会选择用这个技术呢?答案是液压成形是为实现结构轻量化的一种先进制造技术,也是先进制造技术发展的趋势之一。与传统的冲压焊接工艺相比,液压成形工艺有减轻产品质量(最高可达50%左右),达到节约材料的目的;减少模具数量,从而降低模具投入成本;可大大减少后续机械加工道次和焊接量,因此提高生产效率;可显著提高零件强度和刚度,尤其是疲劳强度;提高材料利用率最高可达90%~95%和降低零件平均的生产成本等优点。

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