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          【汽車輕量化】三通管內高壓成形的應用及現狀

          2018-05-18 Author:興迪源機械 分類:內高壓成形
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          隨著人類社會的進步幸福彩票官网平台,人們對現代制造技術提出了更高的要求,其中減輕零件重量、降低成本幸福彩票官网平台、提高生產效率便是其中要求之一。

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          特別是進入20世紀90年代以來,考慮到能源和材料成本以及對廢氣排放更加嚴格的法律法規,汽車結構的輕量化是一個重要的發展趨勢。

           

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          對于飛機和航天器,減重也是人們長期追求的目標。

           

          減重有兩個主要的途徑:

          一,是采用輕體材料,如用鋁合金幸福彩票官网平台、鎂合金、鈦合金和復合材料等材料;

          二,是在結構上采用“以空代實”,即對于承受以彎曲或扭轉載荷為主的構件,采用空心結構,這樣即可以減輕重量節約材料又可以充分利用材料的強度和剛度。

           

          內高壓成形正是適應這樣的要求而提出來的一種新工藝,內高壓成形件具有重量輕、剛度好、零件數量少、可減少后續機械加工和組裝焊接量等優點,因此可以減少模具,降低生產成本幸福彩票官网平台,縮短加工周期??梢杂糜谥圃炱?、航空、航天等行業中使用的各類輕體構件幸福彩票官网平台。

           

          采用內高壓技術成形的多通管接頭是各種管路系統中不可缺失的管件之一,廣泛應用于電力、化工、石油幸福彩票官网平台、船舶、機械等行業中。在汽車發動機排氣系統、自行車車架、衛生潔具制造等領域運用的比較多。

           

          采用液壓脹形生產三通管和形狀簡單的管路配件可以追溯到 19 世紀 40 年代,但那時的成形壓力比較小,零件精度不高。近年來,由于液壓伺服控制系統和高壓源等問題的解決,內高壓成形技術廣泛的運用到汽車的輕量化中,其成形壓力已達到 400MPa,有的超過 1000MPa幸福彩票官网平台。

           

          在國內,內高壓技術還不是很成熟,大力發展內高壓成形技術對提升我國的制造業水平有重大的意義。

           

          內高壓成形工藝

           

          內高壓成形原理及工藝分類?
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          內高壓成形原理是通過內部加壓和軸向加力補料把管坯壓入到模具型腔使其成形,成形時內壓和軸向進給按事先給定的匹配關系,由計算機精確控制。

           

          其基本工藝過程是先將管坯放入下模,閉合模具,用左右水平沖頭密封管坯,然后在管坯內充滿液體,通過高壓系統向管坯內加壓,在加壓的同時管坯兩端的沖頭按與內壓一定的匹配關系向內送料使管坯成形,成形過程如圖 1-1所示。

          ?圖1-1內高壓成形原理

           

          管材的內高壓成形根據軸向進給可以分為有軸向進給成形和無軸向進給成形。同時根據成形零件形狀又可分為三種工藝類型:直線零件成形(如圖1-2)、帶凸臺或枝杈零件成形(如圖1-3)、曲線零件成形(如圖1-4)。帶凸臺或枝杈零件成形時需要三個沖頭,管端兩個沖頭按給定加載路徑向內送料幸福彩票官网平台,凸臺或枝杈上的沖頭按與內壓一定的匹配關系向后退出幸福彩票官网平台,以保證枝杈不脹破或起皺。對于軸線為曲線的零件,先在數控彎管機上彎曲到要求的形狀(見圖1- 4a),再放到模具內加壓成形(見圖1-4b)。

           

          ?圖1-2直線零件成形

           

          ?圖1-3帶凸臺或枝杈零件成形

           

          ? ? ? ? ? a.彎曲 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b.內高壓成形圖
          圖1-4曲線零件成形

          內高壓成形工藝的優點

          內高壓成形作為近期發展起來的一種新工藝,其優點非常突出,和傳統的沖壓焊接工藝相比,內高壓成形的工件主要有如下優點:

           

          1.減輕重量,節約材料。采用內高壓技術的生產的零件可以由管材一次脹形得到幸福彩票官网平台,和機加工相比較減輕重量 40%-50%,節約材料可達 75%。

           

          2.減少零件和模具數量,節約成本幸福彩票官网平台。內高壓成形件通常只需要一套模具,而沖壓件通常需要多套模具。如采用內高壓成形,副車架的組成零件由 6個減少到 1 個幸福彩票官网平台。

           

          3. 提高強度與剛度。以散熱器支架為例,垂直方向剛度提高 39%,水平方向剛度提高 50%。

           

          4.可減少后續機械加工和組裝焊接量。以散熱器支架為例,散熱面積增加43%,焊點由 174 個減少到 20 個,裝備工序由 13 道減少到 6 道,生產率提高66%。

           

          5.提高成形零件的精度。

           

           

          枝杈管件的內高壓成形工藝

           

          枝杈管件一般可按形狀分為十字型四通管、直三通管(T 形管)、斜三通管(Y 形管)等三類,各種管件的形狀如圖 1-5。

           

           


          圖 1-5 各種枝杈管件

           

          對于枝杈類管件的內高壓成形幸福彩票官网平台,為了得到較大的枝管高度幸福彩票官网平台,除了水平軸向補料沖頭外還需要反推沖頭對枝管施加一定的推力。Y 型三通管的內高壓成形原理如圖 1-6。

           

          成形過程為在一定內壓下,左右沖頭按與內壓一定的匹配關系向內補料幸福彩票官网平台;中間沖頭置于模具右側圓角與枝管的交界處,在成形的初期保持不動幸福彩票官网平台,等管坯貼上中間反推沖頭后,中間反推沖頭隨著枝管的長高向后退,后退時中間反推沖頭要對枝管施加一定的推力。

           

          圖 1-6 ?Y 型三通管內高壓成形原理

           

           

          內高壓成形件在汽車排氣系統中的應用

          目前內高壓成形件在汽車領域得到了廣泛的應用幸福彩票官网平台,主要有:

          ①排氣系統異型管件幸福彩票官网平台;

          ②副車架總成;

          ③底盤構件、車身框架、座椅框架及散熱器支架;

          ④前軸幸福彩票官网平台、后軸及驅動軸幸福彩票官网平台;

          ⑤安全構件等幸福彩票官网平台。

           

          圖 1-7 所示為德國某公司采用內高壓技術生產的汽車用輕體件。

           

           

          圖 1-7 汽車用輕體件

           

           

          采用內高壓技術國外已經生產出了多種排氣歧管,如圖 1-8。其中枝杈類管件如 T 型三通管和 Y 型三通管在排氣系統中運用的比較多。

           

          圖 1-8 排氣系統的內高壓成形件
          (Schafer 公司提供)

           

          汽車排氣歧管3D示意圖

           

          目前國內外生產排氣岐管的方法主要有整體鑄造成形、沖壓組焊成形、內高壓成形出枝杈管然后跟管件連接成形。各種工藝成形的排氣管件如圖 1-9。

           

          圖1-9 各種工藝生產的排氣歧管

           

          興迪源機械研發生產的汽車排氣歧管(一出二)實物圖

           

          采用整體鑄造工藝制造的排氣歧管壁厚大、質量大。

           

          采用內高壓技術成形的排氣管件與鑄件相比,其優點為:

          質量減輕 30%-40%;

          壽命提高 2-3 倍;

          研制周期縮短 60%。

           

          采用內高壓技術成形的排氣管件與傳統的沖壓焊接成形件相比,其優點為:

          減少制造工序;

          焊接量小,產品可靠性好;

          焊縫減少,內表面光滑幸福彩票官网平台,排氣阻力??;

          成本可降低 20%左右。

           

           

          枝杈類管件內高壓成形技術的國內外現狀

           

          枝杈管件的研究早在 20 世紀 60 年代就已經開展了,那時液壓脹管技術已用于生產三通管,但零件精度不高,成形壓力小于 30MPa。進入 20 世紀 90年代以來,由于液壓伺服控制系統和高壓源等問題的解決,對內高壓成形技術的研究進入了新的階段幸福彩票官网平台。

          同時由于計算機技術的快速發展,大量的商業軟件如LS-DYNA、PAM-STAMP、DYNAFORM 被用來對成形過程進行數值模擬研究并對實驗進行初步的預測和指導,這大大降低了成本,縮短了研發周期。

           

          早期對枝杈管件內高壓成形的研究主要集中在直三通管,后來陸續擴展到十字接頭、斜三通管。十字型四通管屬于對稱類零件幸福彩票官网平台,T 型三通管和 Y 型三通管屬于非對稱零件,其中 Y 型三通管成形難度最大。

           

          十字型四通管的現狀

           

          十字型四通管是完全對稱的零件,成形的難度比 T 型三通管和 Y 型三通管都要低,對它開展的研究也比較少幸福彩票官网平台。愛爾蘭都柏林大學的 B.J.Mac Donald 等人通過模擬研究了有無補料兩種加載條件、摩擦系數、管坯厚度對枝管高度、應力分布、壁厚分布的影響幸福彩票官网平台。

           

          他們還用性能與鉛接近的固體壓力介質進行了模擬,模擬結果表明,采用固體介質,成形零件的枝管高度更大,枝管頂部減薄更小,零件應力更小。通過對模具的應力狀態和變形進行分析,結果表明選擇合適的圓角半徑對此類模具設計相當重要。愛爾蘭的 P.Ray, B.J.MacDonald 對退火的銅管內高壓成形十字型四通管進行了實驗和數值模擬的研究, 并通過實驗成形出了十字型四通管幸福彩票官网平台,如圖 1-13幸福彩票官网平台。

           

          實驗和數值模擬的結果在壁厚分布、枝管高度上吻合的比較好。他們還研究了初始管材長度幸福彩票官网平台、模具圓角半徑、摩擦、加載路徑對成形的影響,并指出對于十字型四通管成形時十字交叉處容易產生起皺和破裂的缺陷。

           

          國內北京科技大學的楊海波等人對異徑四通管的液壓成形工藝過程進行了模擬分析。

           

          首先應用相似理論推導脹形過程工藝參數的量綱為一方程,然后采用正交試驗方法建立了模擬方案。利用非線性有限元軟件 MARC/AutoForge 對成形過程進行了大量的模擬,并分析了內壓、摩擦系數、沖頭運動速、模具圓角半徑對零件各處壁厚分布的影響,給出了零件成形的最佳工藝參數。

           

          T型三通管的現狀

           

          國外對 T 型三通管的研究開展的比較早。早在 20 世紀 40 年代,美國的J.E.Grey 等人就對無縫銅管成形 T 型三通管進行了研究,他們首次使用內壓和軸向力共同作用的方法來成形。60 年代,Ogura、Ueda 等人對低碳鋼、中碳鋼管材內高壓成形 T 型三通管進行了實驗研究,并成形出了形狀各異、枝管數目不同的各種零件。

           

          70 年代,Limb 等人通過實驗研究了 T 型三通管內高壓成形過程中摩擦的影響,指出了潤滑對枝管高度和枝管頂部的影響。同時他們還以油為壓力介質,分別對銅、鋁、低碳鋼的管材內高壓成形 T 型三通管進行了實驗研究,根據獲得的枝管高度對潤滑劑、材料性能進行了評價幸福彩票官网平台。

           

          近些年來,德國的 Paderborn 大學和美國的俄亥俄州立大學在內高壓成形T 型三通管上做了大量的研究。

           

          德國 Paderborn 大學的 F.Volerstern 等人總結了 T 型三通管內高壓成形的各工藝參數估算公式。具體給出了合模力、軸向進給力、反推沖頭力、整形壓力的估算公式;同時還給出了估算成形中破裂和起皺臨界壓力的計算公式,給出了頸縮的應變判據和枝管的最大脹形高度。而且他們還用矩形管坯內高壓成形 T 型三通管進行了研究,指出了由于內外圓角半徑過小和摩擦的原因阻礙了金屬的流動,使底部增厚枝管頂部減??;他們指出可以通過局部熱處理的方式來對管坯進行處理,使成形時有利于金屬的流動。

           

          德國 Paderborn 大學的 F.dohmann? 等人經過研究后指出:由于摩擦的影響幸福彩票官网平台,在成形過程中軸向力總會有所損失。在 T 型三通管內高壓成形補料的過程中幸福彩票官网平台,當水平沖頭的軸向推力超過一個臨界水平,壓縮失穩就會在管坯不規則的壓縮變形處產生。他們給出了一個實例來說明補料段管長對可獲得的枝管高度的影響,如圖 1-10。經過理論的推導計算,得到了出現失穩狀態的判據。

           

          圖 1-10 補料段長度對可獲得枝管高度的影響

           

           

          美國俄亥俄州立大學的 M. Ahmetoglu 等人對低碳鋼焊接管材內高壓成形 T 型三通管進行了模擬和實驗研究。模擬和實驗結果都表明:枝管高度過高將使枝管頂部減薄嚴重而出現破裂。他們還研究了焊縫位置的不同對成形的影響, 研究結果表明不同的焊縫位置對成形影響較小,三種不同的焊縫位置如圖 1-11。他們還研究了內高壓成形中摩擦的摩擦問題,研究結果表明:在壓力不高時,摩擦力滿足庫侖定律;在接觸壓力接近管坯金屬流動應力時,需要引入純剪應力模型。

           

          圖 1-11 焊縫位置不同的零件(低碳鋼)

           

          Muammer Koc 等人指出對于 T 型三通管內高壓成形時,為了使枝杈管的高度更高,需要引入反推沖頭,并給出了反推沖頭力的計算公式。運用該公式對材料為 SS409,壁厚為 1.65mm 的 T 型三通管反推沖頭力進行了計算,計算的結果和數值模擬值很接近。

           

          除了德國和美國外幸福彩票官网平台,國外其它國家也對 T 型三通管展開了一些研究。

           

          在日本幸福彩票官网平台,H.Mizukoshi,H.Okada 等人研究了材料的延伸率、n 值及補料量對鋁合金 T 型三通管枝管高度的影響,給出了零件成形后的壁厚分布和零件表面的應變分布。韓國對 T 型三通管展開了數值模擬方面的研究,他們提出了一種新的有限元方法來預測成形過程中可能出現的缺陷,并把該方法運用到其它內高壓成形件中。

           

          法國和意大利對T型三通管研究主要集中在數值模擬方面。法國Franche-Comte大學O.Ghouti、M.baida等人提出了一套算法,這套算法可以為后繼的模擬過程提供優化的加載路徑。

           

          意大利Palermo大學的N. Alberti,L. Fratini對材料是AISI1015鋼幸福彩票官网平台,壁厚為1mm的T型三通管進行了有無反推沖頭的數值模擬研究。研究結果表明采用反推沖頭后三通管減薄更小,壁厚更均勻。

           

          愛爾蘭的學者對銅管內高壓成形 T 型三通管進行了實驗和數值模擬的研究,并通過實驗成形出了 T 型三通管,如圖 1-12。實驗和數值模擬的結果在壁厚分布、枝管高度上吻合的比較好。通過大量的數值模擬,結果表明枝管部分要得到比較好的壁厚分布必須要有合適的管坯長度幸福彩票官网平台、模具圓角半徑和潤滑條件。通過實驗,結果表明壓力相對于軸向補料增加的過快會在成形過程中產生破裂的缺陷;軸向補料相對于壓力增加的過快則會產生起皺的缺陷。

           

          圖 1-12 銅T 型三通管

           

          在國內,我國學者對 T 型三通管成形進行了大量的研究。以前由于存在壓力控制和密封的難題成形 T 型三通管主要是以聚氨酯為傳力介質。隨著壓力控制和密封問題的解決,近些年來運用液體作為傳力介質的研究越來越多幸福彩票官网平台。國內學者進行的研究主要有沖頭力、反推沖頭力和脹形力的計算,三通管的模具結構和管坯內液壓力對成形的影響,液壓成形中的密封等問題。

           

          上海交通大學的洪慎章等分析了T型三通管液壓擠脹成形工藝的三個變形階段,介紹了液壓擠脹成形模具結構,分析了造成制件缺陷的主要原因。他們還給出了直三通管成形中零件應力、脹形壓力、沖頭力及反推沖頭力的計算公式幸福彩票官网平台。

           

          燕山大學的劉慶國等人采用主應力法推導了T型三通管液壓擠脹力計算公式,并運用該公式進行了實例計算,所得結果與實測值吻合較好幸福彩票官网平台,能夠用于工程上的估算。

           

          中國船舶重工集團洛陽船舶材料研究所對T型三通管液壓脹形的研究比較多。主要介紹了液壓脹形三通管件的特性,探討了工藝參數設計、脹形機工作性能調節幸福彩票官网平台、模具設計加工、設備性能保養等因素對T型三通管質量的影響,而且指出使用二硫化鉬作潤滑劑最好。同時還研究了T型三通管液壓脹形過程中管端密封方法,給出了三種密封方式幸福彩票官网平台。

           

          西安重型機械研究所為洛陽船舶材料研究所設計了專用的液壓脹形機,以生產用于海軍潛水艇動力裝置的Φ325*4的T型三通管幸福彩票官网平台。但該脹形機在實際中的

           

          應用效果卻不理想,在生產厚壁碳鋼管件時,成品率僅接近62%幸福彩票官网平台。經過改進脹形力控制系統后,成品率和產品質量都得到了較大的提高。

           

          華中科技大學的夏巨諶等人對T型管的內高壓成形做了比較多的數值模擬研究,他們根據T型三通管成形雙重非線性的特點,建立了動力分析有限元方程,開發了HP715/50工作站上運行的程序軟件SFMT。利用該軟件,分析了T 型三通管的成形過程幸福彩票官网平台、應力應變及壁厚變化分布、成形力的大小及相互匹配關系對成形的影響幸福彩票官网平台,有限元分析結果和實驗研究結果吻合較好幸福彩票官网平台。他們還提出并采用“應變樣條”法建立了擠壓力、脹形力、反推沖頭力間的數學表達式,并? 運用自己開發的軟件模擬分析和計算了這3個力的大小及相互匹配關系對成形的影響。

          上海交通大學的楊兵等人以304不銹鋼為材料,運用數值模擬研究了T型三通管內高壓成形時r值、n值、摩擦系數和加載路徑對成形的影響,并對某一個模擬結果進行了實驗驗證。

           

          Y型三通管的現狀

           

          目前國外對Y型三通管的研究才剛剛起步,大部分是通過數值模擬手段來研究然后通過實驗驗證。國外有學者通過數值模擬給出了一些工藝參數對成形的影響,指出了壓力過低會使軸向起皺如圖1-13。

           


          圖1-13 壓力對成形的影響

           

           

          美國俄亥俄州立大學的學者對 Y 型三通管內高壓成形進行了深入的研究。他們討論了如何對內高壓成形 Y 型三通管的工藝參數進行估算幸福彩票官网平台,這些參數包括成形壓力、軸向補料量、原始管坯長度,給出了一些計算公式。然后通過 FEA 模擬對估算的工藝參數進行優化,確定了合適的加載路徑,用外徑為 50.5mm, 壁厚為 1.5mm 的管坯進行了實驗,并在德國 Aalen 的 SPS 研究中心成形出了枝杈夾角為 60°的 Y 型三通管,如圖 1-14。成形零件的壁厚分布和模擬得到的壁厚分布吻合比較好幸福彩票官网平台,如圖 1-15。通過實驗幸福彩票官网平台,還研究了在沒有反推沖頭作用時管坯長度對枝管高度的影響,結果表明在軸向進給量相同的情況下幸福彩票官网平台,管坯長度越小,脹起的枝杈高度越大。

           

          圖 1-14 SS304 不銹鋼斜三通管
          圖 1-15 模擬和實驗的壁厚分布結果對比

           

          摘自《Y 型三通管內高壓成形工藝優化及實驗研究》
          作者:楊華(哈爾濱工業大學)
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