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      【汽車輕量化】三通管內高壓成形的應用及現狀

      2019-04-10

        跟著人類社會的提高,人們對現代制作技能提出了更高的要求,其間減輕零件分量、降低成本、提高生產功率便是其間要求之一。

        特別是進入20世紀90時代以來,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,轎車結構的輕量化是一個重要的發展趨勢。

        關于飛機和航天器,減重也是人們長期追求的方針。

        減重有兩個首要的途徑:

        一,是選用輕體材料,如用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料等材料;

        二,是在結構上選用“以空代實”,即關于接受以彎曲或扭轉載荷為主的構件,選用空心結構,這樣即能夠減輕分量節省材料又能夠充分使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,內高壓成形件具有分量輕、剛度好、零件數量少、可削減后續機械加工和拼裝焊接量等長處,因而能夠削減模具,降低生產成本,縮短加工周期。能夠用于制作轎車、航空、航天等行業中使用的各類輕體構件。

        選用內高壓技能成形的多通管接頭是各種管路體系中不可缺失的管件之一,廣泛使用于電力、化工、石油、船只、機械等行業中。在轎車發動機排氣體系、自行車車架、衛生潔具制作等范疇運用的比較多。

        選用液壓脹形生產三通機和形狀簡略的管路配件能夠追溯到 19 世紀 40 時代,但那時的成形壓力比較小,零件精度不高。近年來,因為液壓伺服操控體系和高壓源等問題的處理,內高壓成形技能廣泛的運用到轎車的輕量化中,其成形壓力已達到 400MPa,有的超過 1000MPa。

        在國內,內高壓技能還不是很老練,大力發展內高壓成形技能對提升我國的制工作水平有嚴重的意義。

        內高壓成形工藝

        內高壓成形原理及工藝分類

        內高壓成形原理是經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前給定的匹配聯系,由核算機精確操控。

        其基本工藝進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,然后在管坯內充溢液體,經過高壓體系向管坯內加壓,在加壓的一起管坯兩端的沖頭按與內壓必定的匹配聯系向內送料使管坯成形,成形進程如圖 1-1所示。

        圖1-1內高壓成形原理

        管材的內高壓成形依據軸向進給能夠分為有軸向進給成形和無軸向進給成形。一起依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求三個沖頭,管端兩個沖頭按給定加載途徑向內送料,凸臺或枝杈上的沖頭按與內壓必定的匹配聯系向撤退出,以確保枝杈不脹破或起皺。關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)。

        內高壓成形工藝的長處

        內高壓成形作為近期發展起來的一種新工藝,其長處十分杰出,和傳統的沖壓焊接工藝比較,內高壓成形的工件首要有如下長處:

        1.減輕分量,節省材料。選用內高壓技能的生產的零件能夠由管材一次脹形得到,和機加工比較較減輕分量 40%-50%,節省材料可達 75%。

        2.削減零件和模具數量,節省成本。內高壓成形件一般只需求一套模具,而沖壓件一般需求多套模具。如選用內高壓成形,副車架的組成零件由 6個削減到 1 個。

        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.可削減后續機械加工和拼裝焊接量。以散熱器支架為例,散熱面積添加43%,焊點由 174 個削減到20 個,裝備工序由 13 道削減到 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。

        關于枝杈類管件的內高壓成形,為了得到較大的枝管高度,除了水平軸向補料沖頭外還需求反推沖頭對枝管施加必定的推力。Y 型三通管的內高壓成形原理如圖 1-6。

        成形進程為在必定內壓下,左右沖頭按與內壓必定的匹配聯系向內補料;中心沖頭置于模具右側圓角與枝管的交界處,在成形的初期堅持不動,等管坯貼上中心反推沖頭后,中心反推沖頭跟著枝管的長高向撤退,撤退時中心反推沖頭要對枝管施加必定的推力。

        內高壓成形件在轎車排氣體系中的使用

        現在內高壓成形件在轎車范疇得到了廣泛的使用,首要有:

       ?、倥艢怏w系異型管件;

       ?、诟避嚰芸偝?;

       ?、鄣妆P構件、車身結構、座椅結構及散熱器支架;

       ?、芮拜S、后軸及驅動軸;

       ?、莅踩珮嫾?。

                  圖 1-7 所示為德國某公司選用內高壓技能生產的轎車用輕體件。

        

        

        圖 1-7 轎車用輕體件

        選用內高壓技能國外已經生產出了多種排氣歧管,如圖 1-8。其間枝杈類管件如 T 型三通管和 Y 型三通管在排氣體系中運用的比較多。

        圖 1-8 排氣體系的內高壓成形件

       ?。⊿chafer 公司提供)

        轎車排氣歧管3D示意圖

        現在國內外生產排氣岐管的辦法首要有整體鑄形成形、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。

        興迪源機械研制生產的轎車排氣歧管(一出二)實物圖

        選用整體鑄造工藝制作的排氣歧管壁厚大、質量大。

        選用內高壓技能成形的排氣管件與鑄件比較,其長處為:

       ?、儋|量減輕 30%-40%;

       ?、趬蹟堤岣?2-3 倍;

       ?、垩兄浦芷诳s短 60%。

        選用內高壓技能成形的排氣管件與傳統的沖壓焊接成形件比較,其長處為:

       ?、傧鳒p制作工序;

       ?、诤附恿啃?,產品可靠性好;

       ?、酆缚p削減,內表面光滑,排氣阻力??;

       ?、艹杀究山档?20%左右。

        枝杈類管件內高壓成形技能的國內外現狀

        枝杈管件的研討早在 20 世紀 60 時代就已經展開了,那時液壓脹管技能已用于生產三通管,但零件精度不高,成形壓力小于 30MPa。進入 20 世紀 90時代以來,因為液壓伺服操控體系和高壓源等問題的處理,對內高壓成形技能的研討進入了新的階段。

        一起因為核算機技能的快速發展,很多的商業軟件如LS-DYNA、PAM-STAMP、DYNAFORM 被用來對成形進程進行數值模仿研討并對試驗進行初步的猜測和指導,這大大降低了成本,縮短了研制周期。

        前期對枝杈管件內高壓成形的研討首要集中在直三通管,后來陸續擴展到十字接頭、斜三通管。十字型四通管歸于對稱類零件,T 型三通管和 Y 型三通管歸于非對稱零件,其間 Y 型三通管成形難度大。

        十字型四通管的現狀

        十字型四通管是徹底對稱的零件,成形的難度比 T 型三通管和 Y 型三通管都要低,對它展開的研討也比較少。愛爾蘭都柏林大學的 B.J.Mac Donald 等人經過模仿研討了有無補料兩種加載條件、沖突系數、管坯厚度對枝管高度、應力散布、壁厚散布的影響。

        他們還用功能與鉛挨近的固體壓力介質進行了模仿,模仿結果標明,選用固體介質,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。經過對模具的應力狀態和變形進行剖析,結果標明挑選適宜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試驗和數值模仿的研討, 并經過試驗成形出了十字型四通管,如圖 1-13。

        試驗和數值模仿的結果在壁厚散布、枝管高度上符合的比較好。他們還研討了初始管材長度、模具圓角半徑、沖突、加載途徑對成形的影響,并指出關于十字型四通管成形時十字交叉處容易發生起皺和決裂的缺點。

        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進程進行了模仿剖析。

        首先使用類似理論推導脹形進程工藝參數的量綱為一方程,然后選用正交試驗辦法建立了模仿方案。使用非線性有限元軟件 MARC/AutoForge 對成形進程進行了很多的模仿,并剖析了內壓、沖突系數、沖頭運動速、模具圓角半徑對零件各處壁厚散布的影響,給出了零件成形的良好工藝參數。

        T型三通管的現狀

        國外對 T 型三通管的研討展開的比較早。早在 20 世紀 40 時代,美國的J.E.Grey 等人就對無縫銅管成形T 型三通管進行了研討,他們初次使用內壓和軸向力共同作用的辦法來成形。60 時代,Ogura、Ueda 等人對低碳鋼、中碳鋼管材內高壓成形 T 型三通管進行了試驗研討,并成形出了形狀各異、枝管數目不同的各種零件。

        70 時代,Limb 等人經過試驗研討了 T 型三通管內高壓成形進程中沖突的影響,指出了潤滑對枝管高度和枝管頂部的影響。一起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 型三通管進行了試驗研討,依據獲得的枝管高度對潤滑劑、材料功能進行了點評。

        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 型三通管上做了很多的研討。

        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預算公式。具體給出了合模力、軸向進給力、反推沖頭力、整形壓力的預算公式;一起還給出了預算成形中決裂和起皺臨界壓力的核算公式,給出了頸縮的應變判據和枝管的大脹形高度。并且他們還用矩形管坯內高壓成形 T型三通管進行了研討,指出了因為內外圓角半徑過小和沖突的原因阻止了金屬的活動,使底部增厚枝管頂部減??;他們指出能夠經過部分熱處理的方式來對管坯進行處理,使成形時有利于金屬的活動。

        德國 Paderborn 大學的 F.dohmann  等人經過研討后指出:因為沖突的影響,在成形進程中軸向力總會有所丟失。在 T 型三通管內高壓成形補料的進程中,當水平沖頭的軸向推力超過一個臨界水平,緊縮失穩就會在管坯不規則的緊縮變形處發生。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。經過理論的推導核算,得到了呈現失穩狀態的判據。

        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 型三通管進行了模仿和試驗研討。模仿和試驗結果都標明:枝管高度過高將使枝管頂部減薄嚴重而呈現決裂。他們還研討了焊縫方位的不同對成形的影響, 研討結果標明不同的焊縫方位對成形影響較小,三種不同的焊縫方位如圖 1-11。他們還研討了內高壓成形中沖突的沖突問題,研討結果標明:在壓力不高時,沖突力滿足庫侖定律;在接觸壓力挨近管坯金屬活動應力時,需求引進純剪應力模型。

        圖 1-11 焊縫方位不同的零件(低碳鋼)

        Muammer Koc 等人指出關于 T 型三通管內高壓成形時,為了使枝杈管的高度更高,需求引進反推沖頭,并給出了反推沖頭力的核算公式。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核算,核算的結果和數值模仿值很挨近。

        除了德國和美國外,國外其它地域也對 T 型三通管展開了一些研討。

        在日本,H.Mizukoshi,H.Okada 等人研討了材料的延伸率、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散布和零件表面的應變散布。韓國對 T 型三通管展開了數值模仿方面的研討,他們提出了一種新的有限元辦法來猜測成形進程中或許呈現的缺點,并把該辦法運用到其它內高壓成形件中。

        法國和意大利對T型三通管研討首要集中在數值模仿方面。法國Franche-Comte大學O.Ghouti、M.baida等人提出了一套算法,這套算法能夠為后繼的模仿進程提供優化的加載途徑。

        意大利Palermo大學的N. Alberti,L. Fratini對材料是AISI1015鋼,壁厚為1mm的T型三通管進行了有無反推沖頭的數值模仿研討。研討結果標明選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 型三通管進行了試驗和數值模仿的研討,并經過試驗成形出了 T 型三通管,如圖 1-12。試驗和數值模仿的結果在壁厚散布、枝管高度上符合的比較好。經過很多的數值模仿,結果標明枝管部分要得到比較好的壁厚散布有必要要有適宜的管坯長度、模具圓角半徑和潤滑條件。經過試驗,結果標明壓力相關于軸向補料添加的過快會在成形進程中發生決裂的缺點;軸向補料相關于壓力添加的過快則會發生起皺的缺點。

        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很多的研討。以前因為存在壓力操控和密封的難題成形 T 型三通管首要是以聚氨酯為傳力介質。跟著壓力操控和密封問題的處理,近些年來運用液體作為傳力介質的研討越來越多。國內學者進行的研討首要有沖頭力、反推沖頭力和脹形力的核算,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剖析了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,剖析了形成制件缺點的首要原因。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核算公式。

        燕山大學的劉慶國等人選用主應力法推導了T型三通管液壓擠脹力核算公式,并運用該公式進行了實例核算,所得結果與實測值符合較好,能夠用于工程上的預算。

        中國船只重工集團洛陽船只材料研討所對T型三通管液壓脹形的研討比較多。首要介紹了液壓脹形三通管件的特性,探討了工藝參數設計、脹形機工作功能調節、模具設計加工、設備功能保養等要素對T型三通管質量的影響,并且指出使用二硫化鉬作潤滑劑很好。一起還研討了T型三通管液壓脹形進程中管端密封辦法,給出了三種密封方式。

        西安重型機械研討所為洛陽船只材料研討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。但該脹形機在實踐中的

        使用效果卻不抱負,在生產厚壁碳鋼管件時,成品率僅挨近62%。經過改善脹形力操控體系后,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仿研討,他們依據T型三通管成形兩層非線性的特色,建立了動力剖析有限元方程,開發了HP715/50工作站上運行的程序軟件SFMT。使用該軟件,剖析了T 型三通管的成形進程、應力應變及壁厚改變散布、成形力的巨細及彼此匹配聯系對成形的影響,有限元剖析結果和試驗研討結果符合較好。他們還提出并選用“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仿剖析和核算了這3個力的巨細及彼此匹配聯系對成形的影響。

        上海交通大學的楊兵等人以304不銹鋼為材料,運用數值模仿研討了T型三通管內高壓成形時r值、n值、沖突系數和加載途徑對成形的影響,并對某一個模仿結果進行了試驗驗證。

        Y型三通管的現狀

        現在國外對Y型三通管的研討才剛剛起步,大部分是經過數值模仿手段來研討然后經過試驗驗證。國外有學者經過數值模仿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。

        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討。他們評論了怎么對內高壓成形 Y型三通管的工藝參數進行預算,這些參數包括成形壓力、軸向補料量、原始管坯長度,給出了一些核算公式。然后經過 FEA 模仿對預算的工藝參數進行優化,確認了適宜的加載途徑,用外徑為 50.5mm, 壁厚為 1.5mm 的管坯進行了試驗,并在德國 Aalen 的 SPS 研討中心成形出了枝杈夾角為 60°的 Y 型三通管,如圖 1-14。成形零件的壁厚散布和模仿得到的壁厚散布符合比較好,如圖 1-15。經過試驗,還研討了在沒有反推沖頭作用時管坯長度對枝管高度的影響,結果標明在軸向進給量相同的情況下,管坯長度越小,脹起的枝杈高度越大。

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