材料成型理論內高壓成形

1、特種塑性成形內高壓成形（塑性成形工藝大作業(yè)）目 錄1內高壓成形工藝簡介及應用實例11.1內高壓成形技術11.2應用實例2汽車工業(yè)2航空航天32應力、應變特點及變形規(guī)律分析32.1 內高壓成形工藝流程32.2應力、應變特點4充形階段5成形階段5整形階段62.3 成形區(qū)間及加載路線63成形設備84常見缺陷形式及預防措施94.1 屈曲94.2 起皺94.3 開裂10彎曲管壁厚分布規(guī)律104.3.2 過渡區(qū)開裂的應力分析115內高壓成形的特點126. 研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及主要研究機構136.1 研究現(xiàn)狀136.2 發(fā)展趨勢146.3國內主要研究機構14參考文獻151內高壓成形工藝簡介及應用實例在節(jié)能減

2、排的大形勢下，汽車和飛機等運輸工具結構輕量化設計的概念應運而生。實現(xiàn)結構輕量化有兩條主要途徑，即材料和結構途徑。材料途徑：采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料等輕質材料；結構途徑：采用空心變截面、變厚度薄壁殼體、整體等結構。根據(jù)統(tǒng)計，對于一定的減重目標，在航天航空領域，采用輕質材料減重的貢獻大約為2/3，結構減重的貢獻大約為1/3；而在汽車領域，則主要采用結構減重的途徑。然而，內高壓成形是適應結構輕量化發(fā)展起來的一種先進制造技術。1.1內高壓成形技術內高壓成形(Internal High Pressure Forming)是以管材作坯料，通過管材內部施加高壓液體和軸向補料把管材壓入到模具型腔使

3、其成形為所需形狀的工件。由于使用乳化液（在水中添加少量的防腐劑等組成）作為水傳力介質，又稱為管材液壓成形（Tube Hydroforming）或水壓成形。按成形零件的種類，內高壓成形分為三類：（1）變徑管內高壓成形；（2）彎曲軸線構件內高壓成形；（3）多通管內高壓成形。（1）變徑管內高壓成形：變徑管是指管件中間一處或幾處的管徑或周長大于二端管徑。其中，如圖1.1所示的非對稱大截面差管件成形困難，通過軸向進給和內壓匹配，以及貼模順序控制，實現(xiàn)截面差120%構件內高壓成形，突破100%膨脹率的極限值。圖1.1 大膨脹率雙錐管件（2）彎曲軸線異型截面管件內高壓成形：圖1.2所示管件具有18個不同形狀

4、和尺寸截面，軸線為三維曲線。圖1.2 轎車副車架內高壓件（3）多通管內高壓成形：鋁合金薄壁整體三通管內高壓成形，消除傳統(tǒng)工藝縱向焊縫，大幅提高構件可靠性。 圖1.3 整體三通管1.2應用實例1.2.1汽車工業(yè)德國于20世紀70年代末開始內高壓液力成形基礎研究，并于90年代初率先開始在工業(yè)生產中采用內高壓成形技術制造汽車輕體構件。目前在汽車上應用有排氣系統(tǒng)異型管件； 副車架總成；底盤構件、車身框架、座椅框架及散熱器支架；前軸、后軸及驅動軸； 安全構件等。1.2.2航空航天用內高壓成形生產的飛機上的輕體構件有結構空心框梁、發(fā)動機上中空軸類件、進排氣系統(tǒng)異型管和復雜管接件等。用內高壓成形制造的飛機發(fā)

5、動機空心雙拐曲軸,與原零件相比減重48%。2應力、應變特點及變形規(guī)律分析2.1 內高壓成形工藝流程以變徑管為例其成形工藝過程可以分為三個階段，如圖2.1所示。初始充填階段（圖2.1a）模具閉合后，將管的兩端用水平沖頭密封，使管坯內充滿液體，并排出氣體，實現(xiàn)管端沖頭密封；成形階段（圖2.1b），對管內液體加壓脹形的同時，兩端的沖頭按照設定的加載曲線向內推進補料，在內壓和軸向補料的聯(lián)合作用下使管坯基本貼靠模具，這時除了過渡區(qū)圓角以外的大部分區(qū)域已經成形；整形階段（圖2.1c），提高壓力使過渡區(qū)圓角完全貼靠模具而成形為所需的工件。a.充填階段b. 成形階段c. 整形階段圖2.1 變徑管件內高壓成形工

6、藝過程成形過程中涉及主要工藝參數(shù)：初始屈服壓力Ps：管材開始發(fā)生塑性變形時所需要的內壓；開裂壓力Pb：貼模前內壓應小于開裂壓力；整形壓力（成形壓力）Pc：用于成形截面過渡圓角，并保證尺寸精度；軸向進給力Fa：實現(xiàn)軸向補料；合模力Fc：使模具閉合不產生縫隙；補料量l：減少成形區(qū)壁厚減薄，并提高膨脹率；2.2應力、應變特點設管材為薄壁管，忽略管材內壁上壓力p，只考慮軸向應力 (axial stress)和環(huán)向應力(hoop stress)，則可認為管材處于平面應力狀態(tài)。由Mises屈服準則，可得內高壓成形的屈服條件： （1）式中， 為環(huán)向應力；z為軸向應力；s 為材料屈服強度。 根據(jù)Levy-Mi

7、ses 增量本構方程，厚度變化量與應力狀態(tài)的關系如下： （2）式中： dt 為厚度瞬時增量，大于0 表示增厚，小于0表示減??；di為等效應變增量；i 為等效應力。變形過程中，某一時刻管材上不同點，以及同一點在不同時刻的應力狀態(tài)都將有很大差別，而所有可能的應力狀態(tài)應位于圖2.2所示的平面應力屈服軌跡或屈服橢圓上點ADBC之間的曲線上。圖2.2內高壓成形應力應變狀態(tài)在屈服軌跡上的位置2.2.1充形階段在此階段，沖頭對管端作用有一定的軸向推力以實現(xiàn)密封，整個管材都處于軸向受壓的單向應力狀態(tài)（見點A），對應的應變狀態(tài)為軸向壓縮、環(huán)向伸長和厚度增加，但變形量都很小。2.2.2成形階段在成形階段，送料區(qū)和

8、成形區(qū)的應力及應變狀態(tài)均不同。對于送料區(qū)管材，雖然受到內部液體壓力的作用，但管材與模具的接觸應力N 基本等于內壓p，環(huán)向應力 為零，送料區(qū)僅存在軸向應力z的作用，因此送料區(qū)的應力狀態(tài)對應于屈服橢圓上的點A。由于受到模具的約束，環(huán)向應變 也為零，所以送料區(qū)處于平面應變狀態(tài),而且軸向縮短、厚度增加。因為管材與模具之間的摩擦作用，軸向應力z的絕對值從管端向內逐漸減少，因此管端處的增厚最為嚴重。 成形初期，管材還保持平直狀態(tài)，其應力狀態(tài)為環(huán)向受拉和軸向受壓，即位于屈服軌跡中點A和點B之間，應變狀態(tài)與環(huán)向應力 和軸向應力z的數(shù)值大小有關：當>| z |，位于屈服軌跡的點B和點D之間時，有dt<

9、;0，壁厚減??； 當<| z |，位于屈服軌跡的點D和點A之間時，有dt >0，壁厚增加； 當=| z |，位于屈服軌跡的點D，此時d=-dz， dt =0，壁厚不變，管材處于平面應變狀態(tài)。 隨著變形的進行，變形區(qū)管材不再保持平直狀態(tài)，而將發(fā)生向外凸起的變形。此時，該區(qū)的管材處于雙向拉應力狀態(tài)，在圖2.2中表現(xiàn)為從點B向點C移動。在此階段， >0， z>0，且一般情況下 > z ，因此環(huán)向和軸向總是伸長，壁厚總是減薄，減薄的程度取決于軸向應力與環(huán)向應力數(shù)值的大小。須要指出的是， 與z的比值還與變形區(qū)的相對長度有關。在成形階段還有一種特殊情況，管材只受內壓作用而沒有

10、軸向補料，即自由脹形。在自由脹形的初期管材保持直管狀態(tài)時，管材只受內壓作用引起的環(huán)向應力，軸向應力z0，處于屈服軌跡曲線上的點B，隨著內壓的增加，變形區(qū)管材將發(fā)生向外凸起的變形，這時的應力狀態(tài)處于屈服軌跡上的點C附近。處在這種雙向拉伸的應力狀態(tài)，管材容易發(fā)生開裂，這也是自由脹形的極限膨脹率低于內高壓成形的主要原因。2.2.3整形階段通過增加液體壓力使過渡圓角貼靠模具，達到所要求的幾何形狀和尺寸。在整形階段，成形區(qū)管材絕大部分已與模具接觸，只有送料區(qū)與成形區(qū)的過渡圓角區(qū)域尚未完全與模具貼合。此時過渡區(qū)圓角受力相當于內壓作用下的圓環(huán)殼，在環(huán)向和切向都發(fā)生拉伸變形，壁厚減薄，相當于在屈服軌跡曲線上位

11、于點B和點C之間。2.3 成形區(qū)間及加載路線成形區(qū)間是指管材既不起皺又不破裂的軸向應力和內壓之間匹配的區(qū)間（見圖2.3），通過圖可以確定起皺臨界軸向壓力和開裂壓力。圖2.3 軸向應力和內壓之間關系示意圖圖2.3中，La表示保持管材進入屈服開始塑性變形時軸向應力和內壓之間的關系，點a1 代表初始屈服壓力，Lb表示開裂壓力，點b1 表示無軸向應力時的開裂壓力；Lc代表產生皺紋的軸向應力，c1 為無內壓時的起皺軸向應力，而在內壓作用下的起皺臨界應力。La、Lb和Lc等3條線劃分出A、B、C和D等4個區(qū)間，其中區(qū)間A為彈性區(qū)，在該區(qū)間內管材還處于彈性狀態(tài)；區(qū)間B為開裂區(qū)，當內壓在該區(qū)間時管材將發(fā)生開裂

12、；區(qū)間C為起皺區(qū)，當軸向應力在該區(qū)間時將發(fā)生起皺；區(qū)間D為成形區(qū)，只有當內壓和軸向應力的匹配關系在該范圍內時，才能確保管材發(fā)生塑性變形時既不起皺又不破裂。引入一個加載比例因子參數(shù)= z/ ，：缺陷因子； Fcr：臨界屈曲軸向壓應力。圖2.4 加載比例參數(shù)和缺陷因子與臨界軸向壓Fcr應力關系當0 < < 1： 增大， Fcr 增大； >1 ： 增大， Fcr 下降。這說明= 1.0是一個分水嶺值，即無論缺陷因子如何影響，按照 = 1.0這個比例加載關系進行加載是最理想的加載路徑。3成形設備內高壓成形的設備為內高壓成形壓力機（如圖3.1所示），內高壓成型機總體結構先進，緊湊，可靠

13、，維護方便，操作簡單。該內高壓成型機由管胚本體機構、液壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、控制臺等組成。圖3.1 內高壓成形壓力機圖3.2 內高壓成形壓力機工作原理內高壓成形壓力機各單元工作原理：合模壓力機：閉合模具，防止發(fā)生分縫造成零件出現(xiàn)飛邊或引起管端密封失敗；水平缸：驅動沖頭，實現(xiàn)管端密封和軸向進給；高壓源：增壓器，為成形提供高壓；計算機控制系統(tǒng)：按設定曲線對管件進行加載；液壓系統(tǒng)：為增壓器和水平缸提供動力；水壓系統(tǒng)：提供管內液體。4常見缺陷形式及預防措施內高壓成形是在內壓和軸向進給聯(lián)合作用下的復雜成形過程，主要缺陷形式有屈曲、起皺和開裂等三種（見圖4.1）。如果軸向進給過大，會引起屈曲或起皺；內壓過高，

14、會減薄過度甚至開裂。只有給出內壓力與軸向進給的合理匹配關系，才能獲得合格的零件。 （a） 屈曲 （b）起皺 （c） 開裂圖4.1內高壓成形缺陷形式4.1 屈曲當管材成形區(qū)長度過長，在成形初期還沒有在管材內建立起足夠大的內壓時，施加了過大的軸向力。在合理選擇管材長度、增加預成形工序、控制工藝參數(shù)。4.2 起皺在成形初期，軸向力過大，將產生壓縮失穩(wěn)，即起皺。皺紋分為死皺和有益皺紋兩種，死皺是在后續(xù)的充型過程中無法展平的皺紋，而有益皺紋在后續(xù)成型過程中可以被展平，而且可以提高材料的成型極限。有益皺紋產生必須滿足兩個條件，幾何條件和力學條件。幾何條件包括皺紋的數(shù)目、壁厚減薄率和補料量。經研究得出，隨皺

15、紋數(shù)目增多，需要的補料量增加，壁厚減薄變小，甚至增厚。通過起皺的方式可以將成形所需補料量預先聚集在成形區(qū)。關鍵是控制皺紋的數(shù)量，只要所起皺紋的數(shù)目合理，可以保證成形后壁厚基本不變，或將減薄控制在要求范圍內；有益皺紋展平過程中不發(fā)生開裂的嚴格力學條件是皺峰不減薄。如圖4.2所示 （a） 有益皺紋 （b）死皺圖4.2有益皺紋與死皺4.3 開裂開裂是膨脹率、摩擦因數(shù)、壁厚三個主要方面共同作用結果。彎曲管壁厚分布規(guī)律 彎曲軸線管內高壓成形后，最小壁厚位于彎曲段外側，最大壁厚位于彎曲段內側。圖4.3是彎曲軸線管成形后的方形截面壁厚分布實驗結果。直邊中點最大厚度1.462mm，減薄率為2.5%；過渡區(qū)最小

16、厚度1.255mm，減薄率為163%。矩形截面構件的壁厚分布與正方形截面類似。圖4.3正方形截面壁厚分布表4-1給出了膨脹率對壁厚分布的影響規(guī)律?？梢钥闯觯S著膨脹率的增加，直邊中心處壁厚變化不大，而過渡區(qū)減薄嚴重，容易引起過渡區(qū)的開裂。表4-1 膨脹率對壁厚分布的影響邊長/mm膨脹率/%圓角半徑/mm直邊中心處壁厚/mm直邊中心處減薄率/%過渡區(qū)壁厚/mm過渡區(qū)減薄率/%43.53.55.51.462.51.2616.3461061.4351.1225.5摩擦條件對壁厚分布也有重要影響，隨著摩擦的增加，壁厚不均勻度增加，過渡區(qū)減薄越嚴重（見圖4.4）。因此，在實際成形時使用適當?shù)臐櫥瑒p少摩

17、擦是促進壁厚分布均勻的重要措施。圖4.4摩擦對壁厚分布的影響4.3.2 過渡區(qū)開裂的應力分析彎曲段外側過渡區(qū)開裂的原因是由于彎曲時造成壁厚減薄過度和加工硬化使材料塑性不足，防止措施主要是彎曲時控制壁厚過度減薄。結合圖4.5的過渡區(qū)曲率和受力情況說明產生過渡區(qū)開裂的機理。圖4.5 過渡區(qū)的曲率和環(huán)向應力假設成形過程中的某一時刻圓角的半徑rc為一常數(shù)，而多邊形截面中心段與模具接觸曲率半徑rf為無窮大，由于曲率半徑是連續(xù)的，過渡區(qū)曲率半徑rt>rc。加壓過程中管坯內部的壓力處處相同，由p/rt可知過渡區(qū)的環(huán)向應力大于圓角處的環(huán)向應力。因此，過渡區(qū)先滿足屈服條件開始塑性變形，引起環(huán)向應變增加和壁

18、厚持續(xù)減薄而導致開裂。5內高壓成形的特點 主要優(yōu)點：（1）減輕質量，節(jié)約材料。對于框、梁類結構件，內高壓成形件比沖壓件減輕20%40%；對于空心軸類件可以減輕40%50%。（2）減少零件和模具數(shù)量，降低模具費用。內高壓成形件通常僅需要一套模具，而沖壓件大多需要多套模具。副車架零件由6個減少到1個；散熱器支架零件由17個減少到10個。（3）減少后續(xù)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，裝配工序由13道減少到6道，生產率提高66%。（4）提高強度、剛度、疲勞強度。以散熱器支架為例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。（5）提高材料利用率。內高

19、壓成形件的材料利用率為90%95%，而沖壓件材料利用率僅為60%70%。（6）降低生產成本。內高壓成形件比沖壓件平均降低生產成本15%20%，模具費用降低20%30%。主要缺點：（1）內壓高，需要大噸位液壓機作為合模壓力機； （2）高壓源及閉環(huán)實時控制系統(tǒng)復雜，造價高； （3）零件研發(fā)試制費用高。6. 研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及主要研究機構6.1 研究現(xiàn)狀目前，國內外對內高壓成型的研究主要集中在以下三個方面，并取得了相應的成果。1. 失效形式：內高壓成形是在內壓和軸向進給聯(lián)合作用下的復雜成形過程，主要失效形式有起皺和開裂。如果內壓過高，減薄過度會引起開裂；如果軸向進給過大，會引起管子屈曲或起皺。通過

20、塑性穩(wěn)定性理論可以確定內壓力與軸向進給的合理匹配區(qū)間，給出臨界開裂壓力和引起失穩(wěn)起皺的最大軸向力。2. 實驗研究：目前通過大量的實驗研究和理論分析確定了內高壓成形區(qū)間成形極限圖(FLD)的范圍，研究表明內高壓成形的不產生缺陷的成形區(qū)間僅在FLD 圖左側的一個很窄的范圍內。在實驗研究方面進行的主要工作還有：薄管的失效形式及防止措施；內壓與軸向位移的合理關系及控制方法；成形過程中工件的應力應變和幾何形狀的測量；管材的成形極限；內高壓成形的摩擦特性；管材性能的測試方法。3. 數(shù)值模擬：數(shù)值模擬能準確地反映內高壓成形過程，預報成形缺陷，顯示工件貼模與成形情況，給出壁厚分布。而且可以方便地調整內壓與軸向

21、位移的匹配關系，研究其對成形缺陷和壁厚分布的影響，以獲得最佳的加載曲線。在此基礎上，再進行實驗驗證與調整。因此內高壓成形的數(shù)值模擬受到各國研究者和工業(yè)界的重視。數(shù)值模擬采用的軟件主要是動力顯示有限元程序如LS-DYNA、PAM-STAMP 等。影響模擬精度的因素有：管材力學性能的選取，因為從板料加工成管材的過程會引起力學性能的改變；摩擦類型與摩擦系數(shù)的確定；工件與模具的接觸算法。6.2 發(fā)展趨勢內高壓成形技術近10 年來在汽車工業(yè)得到廣泛應用，汽車減輕質量和降低成本的需求又促進了內高壓成形技術的不斷改進。但與鍛造和沖壓等成形工藝相比，內高壓成形還是一項相對“年輕”的技術，在設備、模具、工藝和成

22、形機理等方面還有許多問題需要深入研究，待開展研究的課題主要有以下幾方面：(1) 管材力學性能測試方法。 包括屈服極限和延伸率等常規(guī)力學性能，n值和r值等成形性能指數(shù)。目前在有限元模擬中使用的n值和r值多為相應板材的數(shù)值，而由板材加工為管材性能要發(fā)生改變，使用板材n值和r值會帶來誤差。(2) 內高壓成形極限圖(FLD)。目前在實驗和數(shù)值模擬中使用FLD均為相應板材的FLD，如何確定適用于管材內高壓成形極限圖，用于指導實際生產，是內高壓成形領域的一個重要課題。(3)內高壓成形摩擦測定。需要開發(fā)出合理裝置測定內高壓成形送料區(qū)、成形區(qū)和過渡區(qū)的摩擦系數(shù)，為制定工藝和數(shù)值模擬提供依據(jù)。 (4) 內高壓成形件設計準則。通過實驗和生產實踐的總結，應逐步形成內高壓成形件準則，包括截面形狀、最小圓角、最大膨脹量，最大減薄量、管材彎曲形狀、預成形以及如何確定初始管材直徑和厚度等。 (5) 模具設計關鍵技術。與沖壓模具不同，內高壓成形模具在成形后期模腔內承受高達400-600MPa 的壓力，在模塊內引