材料成型理论-内高压成形

1、特种塑性成形内高压成形（塑性成形工艺大作业）1内高压成形目录1内高压成形工艺简介及应用实例11.1 内高压成形技术1.1.2 应用实例2.1.2.1 汽车工业21.2.2 航空天32应力、应变特点及变形规律分析32.1 内高压成形工艺流程32.2 应力、应变特点4.2.2.1 充形阶段52.2.2 成形阶段52.2.3 整形阶段62.3 成形区间及加载路线.6.3成形设备84常见缺陷形式及预防措施94.1 屈曲9.4.2 起皱9.4.3 开裂1.04.3.1 弯曲管壁厚分布规律104.3.2 过渡区开裂的应力分析115内高压成形的特点126.研究现状、发展趋势及主要研究机构136.1 研究现状

2、1.36.2 发展趋势1.46.3 国内主要研究机构14参考文献151内高压成形1内高压成形工艺简介及应用实例在节能减排的大形势下，汽车和飞机等运输工具结构轻量化设计的概念应运而生。实现结构轻量化有两条主要途径，即材料和结构途径。材料途径：采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料；结构途径：采用空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体等结构。根据统计，对于一定的减重目标，在航天航空领域，采用轻质材料减重的贡献大约为2/3,结构减重的贡献大约为1/3;而在汽车领域，则主要采用结构减重的途径。然而，内高压成形是适应结构轻量化发展起来的一种先进制造技术。1.1内高压成形技术内高压成形（Internal

3、HighPressureForming）是以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。由于使用乳化液（在水中添加少量的防腐剂等组成）作为水传力介质，又称为管材液压成形（TubeHydroforming）或水压成形。按成形零件的种类，内高压成形分为三类：（1）变径管内高压成形；（2）弯曲轴线构件内高压成形；（3）多通管内高压成形。（1）变径管内高压成形：变径管是指管件中间一处或几处的管径或周长大于二端管径。其中，如图1.1所示的非对称大截面差管件成形困难，通过轴向进给和内压匹配，以及贴模顺序控制，实现截面差120%构件内高压成形，突破100%膨胀

4、率的极限值。(2)弯曲轴线异型截面管件内高压成形：图1.2所示管彳具有18个不同形状和尺寸截面，轴线为三维曲线。图1.2轿车副车架内高压件(3)多通管内高压成形：铝合金薄壁整体三通管内高压成形，消除传统工艺纵向焊缝，大幅提高构件可靠性。图1.3整体三通管1.2应用实例1.2.1 汽车工业德国于20世纪70年代末开始内高压液力成形基础研究，并于90年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制造汽车轻体构件。目前在汽车上应用有排气系统异型管件；副车架总成；底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架；前轴、后轴及驱动轴；安全构件等。1.2.2 航空航天用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有结构空心框梁

5、、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管接件等。用内高压成形制造的飞机发动机空心双拐曲轴，与原零件相比减重48%。2应力、应变特点及变形规律分析2.1 内高压成形工艺流程以变径管为例其成形工艺过程可以分为三个阶段，如图2.1所示。初始充填阶段（图2.1a）模具闭合后，将管的两端用水平冲头密封，使管坯内充满液体，并排出气体，实现管端冲头密封；成形阶段（图2.1b）,对管内液体加压胀形的同时，两端的冲头按照设定的加载曲线向内推进补料，在内压和轴向补料的联合作用下使管坯基本贴靠模具，这时除了过渡区圆角以外的大部分区域已经成形；整形阶段（图2.1c）,提高压力使过渡区圆角完全贴靠模具而成形为所需

6、的工件。a.充填阶段b.成形阶段c.整形阶段图2.1变径管件内高压成形工艺过程成形过程中涉及主要工艺参数：初始屈服压力Ps：管材开始发生塑性变形时所需要的内压；开裂压力Pb：贴模前内压应小于开裂压力；整形压力(成形压力)Pc：用于成形截面过渡圆角，并保证尺寸精度;轴向进给力Fa：实现轴向补料；合模力Fc：使模具闭合不产生缝隙；补料量:减少成形区壁厚减薄，并提高膨胀率；2.2 应力、应变特点设管材为薄壁管，忽略管材内壁上压力p,只考虑轴向应力(axialstress)口环向应力(hoopstress)则可认为管材处于平面应力状态。由Mises屈服准则，可得内高压成形的屈服条件：(1)式中，曲为环

7、向应力；为轴向应力；cs为材料屈服强度。根据Levy-Mises增量本构方程，厚度变化量与应力状态的关系如下:,d；i_、d；t=-丁(；z)2，(2)式中：dG为厚度瞬时增量，大于0表示增厚，小于0表示减薄；di为等效应变增量；o为等效应力。变形过程中，某一时刻管材上不同点，以及同一点在不同时刻的应力状态都将有很大差别，而所有可能的应力状态应位于图2.2所示的平面应力屈服轨迹或屈服椭圆上点A-D-B-C之间的曲线上。.为环向应变增甯；最,为轴向应变增蝌；（匕为厚间应交赠展图2.2内高压成形应力应变状态在屈服轨迹上的位置2.2.1 充形阶段在此阶段，冲头对管端作用有一定的轴向推力以实现密封，整

8、个管材都处于轴向受压的单向应力状态（见点A）,对应的应变状态为轴向压缩、环向伸长和厚度增加，但变形量都很小。2.2.2 成形阶段在成形阶段，送料区和成形区的应力及应变状态均不同。对于送料区管材，虽然受到内部液体压力的作用，但管材与模具的接触应力（N基本等于内压p,环向应力6为零，送料区仅存在轴向应力的作用，因此送料区的应力状态对应于屈服椭圆上的点Ao由于受到模具的约束，环向应变向也为零，所以送料区处于平面应变状态，而且轴向缩短、厚度增加。因为管材与模具之间的摩擦作用，轴向应力（Z的绝对值从管端向内逐渐减少，因此管端处的增厚最为严重。成形初期，管材还保持平直状态，其应力状态为环向受拉和轴向受压，

9、即位于屈服轨迹中点A和点B之间，应变状态与环向应力用和轴向应力的数值大小有关：当>|相，位于屈服轨迹的点B和点D之间时，有de<0,壁厚减薄；当（T<|d|,位于屈服轨迹的点D和点A之间时，有de>0,壁厚增加；当=|z|,位于屈服轨迹的点D,止匕时d砺-dz,d&=0,壁厚不变，管材处于平面应变状态。随着变形的进行，变形区管材不再保持平直状态，而将发生向外凸起的变形。此时，该区的管材处于双向拉应力状态，在图2.2中表现为从点B向点C移动。在此阶段，（T>0,（z>0,且一般情况下a>任，因此环向和轴向总是伸长，壁厚总是减薄，减薄的程度取决于轴

10、向应力与环向应力数值的大小。须要指出的是，用与的比值还与变形区的相对长度有关。在成形阶段还有一种特殊情况，管材只受内压作用而没有轴向补料，即自由胀形。在自由胀形的初期管材保持直管状态时，管材只受内压作用引起的环向应力，轴向应力底=0,处于屈服轨迹曲线上的点B,随着内压的增加，变形区管材将发生向外凸起的变形，这时的应力状态处于屈服轨迹上的点C附近。处在这种双向拉伸的应力状态，管材容易发生开裂，这也是自由胀形的极限膨胀率低于内高压成形的主要原因。2.2.3 整形阶段通过增加液体压力使过渡圆角贴靠模具，达到所要求的几何形状和尺寸。在整形阶段，成形区管材绝大部分已与模具接触，只有送料区与成形区的过渡圆

11、角区域尚未完全与模具贴合。此时过渡区圆角受力相当于内压作用下的圆环壳，在环向和切向都发生拉伸变形，壁厚减薄，相当于在屈服轨迹曲线上位于点B和点C之间。2.3 成形区间及加载路线成形区间是指管材既不起皱又不破裂的轴向应力和内压之间匹配的区间（见图2.3）,通过图可以确定起皱临界轴向压力和开裂压力。C区间D成形区图2.3轴向应力和内压之间关系示意图图2.3中，La表示保持管材进入屈服开始塑性变形时轴向应力和内压之间的关系，点ai代表初始屈服压力，Lb表示开裂压力，点bl表示无轴向应力时的开裂压力；Lc代表产生皱纹的轴向应力，ci为无内压时的起皱轴向应力，而在内压作用下的起皱临界应力。La、Lb和L

12、c等3条线划分出A、B、C和D等4个区间，其中区间A为弹性区，在该区间内管材还处于弹性状态；区间B为开裂区，当内压在该区间时管材将发生开裂；区间C为起皱区，当轴向应力在该区间时将发生起皱；区间D为成形区，只有当内压和轴向应力的匹配关系在该范围内时，才能确保管材发生塑性变形时既不起皱又不破裂。引入一个加载比例因子参数=Mere,邛缺陷因子；Fcr：临界屈曲轴向压应力。加就比例步数工图2.4加载比例参数 入和缺陷因子 刀与临界轴向压Fcr应力关系殳S&K用用匡理黑吟蓼当0入1:入增大，Fcr增大；入1:入增大，Fcr下降。这说明白1.0是一个分水岭值，即无论缺陷因子如何影响，按照入=1.0

13、这个比例加载关系进行加载是最理想的加载路径。3成形设备内高压成形的设备为内高压成形压力机（如图3.1所示），内高压成型机总体结构先进，紧凑，可靠，维护方便，操作简单。该内高压成型机由管胚本体机构、液压系统、供水系统、控制台等组成。图3.1内高压成形压力机合模压力机图3.2内高压成形压力机工作原理水压系统内高压成形压力机各单元工作原理：合模压力机：闭合模具，防止发生分缝造成零件出现飞边或引起管端密封失败;水平缸：驱动冲头，实现管端密封和轴向进给；高压源：增压器，为成形提供高压；计算机控制系统：按设定曲线对管件进行加载；液压系统：为增压器和水平缸提供动力；水压系统：提供管内液体。4常见缺陷形式及预

14、防措施内高压成形是在内压和轴向进给联合作用下的复杂成形过程，主要缺陷形式有屈曲、起皱和开裂等三种(见图4.1)o如果轴向进给过大，会引起屈曲或起皱；内压过高，会减薄过度甚至开裂。只有给出内压力与轴向进给的合理匹配关系，才能获得合格的零件。(b)起皱(a) 屈曲(c)开裂图4.1内高压成形缺陷形式4.1 屈曲当管材成形区长度过长，在成形初期还没有在管材内建立起足够大的内压时，施加了过大的轴向力。在合理选择管材长度、增加预成形工序、控制工艺参数。4.2 起皱在成形初期，轴向力过大，将产生压缩失稳，即起皱。皱纹分为死皱和有益皱纹两种，死皱是在后续的充型过程中无法展平的皱纹，而有益皱纹在后续成型过程中

15、可以被展平，而且可以提高材料的成型极限。有益皱纹产生必须满足两个条件，几何条件和力学条件。几何条件包括皱纹的数目、壁厚减薄率和补料量。经研究得出，随皱纹数目增多，需要的补料量增加，壁厚减薄变小，甚至增厚。通过起皱的方式可以将成形所需补料量预先聚集在成形区。关键是控制皱纹的数量，只要所起皱纹的数目合理，可以保证成形后壁厚基本不变，或将减薄控制在要求范围内；有益皱纹展平过程中不发生开裂的严格力学条件是皱峰不减薄。如图4.2所示9 9,(b)死皱(a)有益皱纹15图4.2有益皱纹与死皱4.3 开裂开裂是膨胀率、摩擦因数、壁厚三个主要方面共同作用结果。4.3.1 弯曲管壁厚分布规律弯曲轴线管内高压成形

16、后，最小壁厚位于弯曲段外侧，最大壁厚位于弯曲段内侧。图4.3是弯曲轴线管成形后的方形截面壁厚分布实验结果。直边中点最大厚度1.462mm,减薄率为2.5%;过渡区最小厚度1.255mm,减薄率为163%。矩形截面构件的壁厚分布与正方形截面类似。8)实验结果(0过渡区最薄点图4.3正方形截面壁厚分布表4-1给出了膨胀率对壁厚分布的影响规律。可以看出，随着膨胀率的增加,直边中心处壁厚变化不大，而过渡区减薄严重，容易引起过渡区的开裂。表4-1膨胀率对壁厚分布的影响膨胀率圆角半径直边中心处壁厚直边中心处减薄过渡区壁厚过渡区减薄率/mm/%/mm/mm率/%/mm/%43.53.55.51.462.51

17、.2616.3461061.4351.1225.5摩擦条件对壁厚分布也有重要影响，随着摩擦的增加，壁厚不均匀度增加，过渡区减薄越严重（见图4.4）o因此，在实际成形时使用适当的润滑剂减少摩擦是促进壁厚分布均匀的重要措施。过渡点9点过渡点17点6Ii11IIII11JI1ILJI1IIII24681012141618202224测点曾图4.4摩擦对壁厚分布的影响4.3.2 过渡区开裂的应力分析弯曲段外侧过渡区开裂的原因是由于弯曲时造成壁厚减薄过度和加工硬化使材料塑性不足，防止措施主要是弯曲时控制壁厚过度减薄。结合图4.5的过渡区曲率和受力情况说明产生过渡区开裂的机理。何)过渡区的曲率(b)过渡区

18、的环向应力图4.5过渡区的曲率和环向应力假设成形过程中的某一时刻圆角的半径rc为一常数，而多边形截面中心段与模具接触曲率半径rf为无穷大，由于曲率半径是连续的，过渡区曲率半径rt>rc加压过程中管坯内部的压力处处相同，由户p/rt可知过渡区的环向应力大于圆角处的环向应力。因此，过渡区先满足屈服条件开始塑性变形，引起环向应变增加和壁厚持续减薄而导致开裂。5内高压成形的特点主要优点：(1)减轻质量，节约材料。对于框、梁类结构件，内高压成形件比冲压件减轻20%40%;对于空心轴类件可以减轻40%50%。(2)减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压成形件通常仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套

19、模具。副车架零件由6个减少到1个；散热器支架零件由17个减少到10个。(3)减少后续机械加工和组装焊接量。以散热器支架为例，散热面积增加43%,焊点由174个减少到20个，装配工序由13道减少到6道，生产率提高66%。(4)提高强度、刚度、疲劳强度。以散热器支架为例，垂直方向提高39%;水平方向提高50%。(5)提高材料利用率。内高压成形件的材料利用率为90%95%,而冲压件材料利用率仅为60%70%0(6)降低生产成本。内高压成形件比冲压件平均降低生产成本15%20%,模具费用降低20%30%0主要缺点：(1)内压高，需要大吨位液压机作为合模压力机；(2)高压源及闭环实时控制系统复杂，造价高

20、；(3)零件研发试制费用高。6.研究现状、发展趋势及主要研究机构6.1 研究现状目前，国内外对内高压成型的研究主要集中在以下三个方面，并取得了相应的成果。1 .失效形式：内高压成形是在内压和轴向进给联合作用下的复杂成形过程，主要失效形式有起皱和开裂。如果内压过高，减薄过度会引起开裂；如果轴向进给过大，会引起管子屈曲或起皱。通过塑性稳定性理论可以确定内压力与轴向进给的合理匹配区间，给出临界开裂压力和引起失稳起皱的最大轴向力。2 .实验研究：目前通过大量的实验研究和理论分析确定了内高压成形区间成形极限图(FLD)的范围，研究表明内高压成形的不产生缺陷的成形区间仅在FLD图左侧的一个很窄的范围内。在

21、实验研究方面进行的主要工作还有：薄管的失效形式及防止措施；内压与轴向位移的合理关系及控制方法；成形过程中工件的应力应变和几何形状的测量；管材的成形极限；内高压成形的摩擦特性；管材性能的测试方法。3 .数值模拟：数值模拟能准确地反映内高压成形过程，预报成形缺陷，显示工件贴模与成形情况，给出壁厚分布。而且可以方便地调整内压与轴向位移的匹配关系，研究其对成形缺陷和壁厚分布的影响，以获得最佳的加载曲线。在此基础上，再进行实验验证与调整。因此内高压成形的数值模拟受到各国研究者和工业界的重视。数值模拟采用的软件主要是动力显示有限元程序如LS-DYNA、PAM-STAMP等。影响模拟精度的因素有：管材力学性

22、能的选取，因为从板料加工成管材的过程会引起力学性能的改变；摩擦类型与摩擦系数的确定；工件与模具的接触算法。4 .2发展趋势内高压成形技术近10年来在汽车工业得到广泛应用，汽车减轻质量和降低成本的需求又促进了内高压成形技术的不断改进。但与锻造和冲压等成形工艺相比，内高压成形还是一项相对“年轻”的技术，在设备、模具、工艺和成形机理等方面还有许多问题需要深入研究，待开展研究的课题主要有以下几方面：(1)管材力学性能测试方法。包括屈服极限和延伸率等常规力学性能，n值和r值等成形性能指数。目前在有限元模拟中使用的n值和r值多为相应板材的数值，而由板材加工为管材性能要发生改变，使用板材n值和r值会带来误差。(2)内高压成形极限图(FLD)。目前在实验和数值模拟中使用FLD均为相应板材的FLD,如何确定适用于管材内高压成形极限图，用于指导实际生产，是内高压成形领域的一个重要课题。(3)内高压成形摩擦测定。需要开发出合理装置测定内高压成形送料区、成形区和过渡区的摩擦系数，为制定工艺和数值模拟提供依据。(4)内高压成形件设计准则。通过实验和生产实践的总结，应逐步形成内高压成形件准则，包括截面形状、最小圆角、最大膨胀量，最大减薄量、管材弯曲形状、预成形以及如何确定初始管材直径和厚度等。(5)模具设计关键技术。与冲压模具不同