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      新型液壓成形技術的研究進展

      2019-04-10

        針對我國航空航天、汽車及核電等關鍵范疇對精細零部件的火急需要,以及現在液壓成形技能使用中遇到的常見問題和缺點,提出研制針對異形空心零件的脈動液壓成形技能,和適用于雜亂曲面薄壁板類零件的高能率沖擊液壓成形技能。

        別離從技能原理、成形機制、工藝設備和使用范疇等方面進行了闡述和介紹。

        研討結果表明,兩種新式液壓成形技能能夠充分發揮控形與控性一體化的優勢,防止成形進程中的資料失穩和產品缺點,明顯進步管材和板材的成形能力和成形質量,未來有望在汽車和航空范疇得到更為廣泛的使用。

        液壓成形技能作為制作雜亂形狀薄壁板管部件的精細成形技能,是交通運輸、軌道交通和航空航天裝備制作工業中節省資料的零件制作技能,有利于裝備的輕量化、無余量化、高精度及全體化開展,在國民經濟和國防科技工業中均占有極其重要的地位。

        液壓成形技能的工藝原理是選用液體作為傳力介質,經過液壓力與模具型腔的一起效果,將規范的管材或板材成形出結構雜亂的單一全體結構件,替代傳統焊接或鑄造工藝,既節省工序又發揮了資料的很大效能,具有制模簡單、周期短、成本低、產品質量好、形狀和尺度精度高端特色。

        近年來,伴隨汽車和航空工業的快速開展,薄壁、大尺度、雜亂曲面、深腔及難變形合金等更為雜亂的異型薄壁零件的研制,已成為促進國民經濟開展和推進我國安全保證水平提升所亟待解決的重要問題之一。

        對傳統液壓成形機技能而言,需要進步液體成形壓力,添加設備噸位,乃至需要額定添加加熱設備輔佐其成形,與此一起帶來了諸多現實問題,例如進步了出產成本,添加了超高壓系統全體的密封難度,成形進程中資料容易呈現起皺、折疊和破裂等缺點,大大約束了其推行和使用。

        中國科學院金屬研討所多年來從事先進塑性加工技能的研制,尤其在液壓成形技能方面,緊密結合資料的微觀安排特性,從成形機理下手,一起學習世界新規劃理念,研討和開展了多項新式液壓成形技能及相關裝備。

        本文重點介紹針對空心管類零件開發的脈動液壓成形技能和適用于板材零件的高能率沖擊液壓成形技能,其間包含技能原理、研討現狀、成形機制研討,以及相關設備研制和示范性使用狀況等。

        1管材脈動液壓成形技能

        1.1 技能原理及研討現狀

        加載途徑是管材液壓成形中重要的工藝參數。當內壓上升過快而補料不足時,管坯呈現過分拉薄乃至開裂等失穩形式。反之,當內壓上升太慢而補料過快時,管坯易呈現起皺、委曲、折疊等失敗模式,因而,合理匹配內壓加載途徑和補料量及補料速度之間的聯系,可確保管坯順暢成形,減少廢品率、下降出產成本。伴跟著高液壓計算機精確操控技能的飛速開展,Rikimaru等人開發出了一種全新液壓加載辦法--脈動型加載,并在管材液壓成形進程中得到了初步的研討和使用。脈動加載是指成形進程中液壓在添加的一起進行必定頻率和幅值的動搖,或指外力經過有規則地卸載,呈現出間歇式的加載形式,因而脈動加載又稱作沖擊加載和動搖加載等。Mori等人經過大量的模擬和試驗研討,指出選用脈動液壓成形工藝能夠有用防備管材縮頸、脹破和起皺的缺點,其原因是因為內壓的往復變化能夠有用下降管材與模具外表之間的摩擦力,進步管材的軸向進給補料量,然后抑制管材的部分減薄,使管材變形更加均勻。中國科學院金屬研討所在國內率先開展了脈動液壓成形技能的研討,結合資料形變進程中的安排性能演化規則,提醒了脈動加載能夠大幅進步奧氏體不銹鋼成形能力的全新現象和微觀機理,并規劃開發出了高精度脈動液壓成形專用設備,對脈動幅值和頻率等關鍵工藝參數進行了系統的試驗研討和優化,已在汽車和核電范疇得到必定使用。此后楊連發等人針對脈動液壓成形技能也開展了相關研討,選用根據幾許聯系的辦法對有軸向進給的脈動液壓成形進程中,管材的起皺行為進行了預測和剖析,給出了有利折疊構成的4個階段。

        1.2 脈動液壓成形設備、工藝及典型使用

        從前學者環繞脈動液壓成形技能的研討,多側重于工藝原理和成形機理方面,缺少針對脈動液壓成形設備的規劃和研制方面的報道。中國科學院金屬研討所于2010年自主規劃并研制出了國內首臺THF-300型管材脈動液壓成形設備,如圖2所示。該設備包含3個首要的子系統:水平側推缸進給系統、乳化液充液系統和增壓系統。對內壓輸出完結了高精度閉環操控,輸出壓力為300MPa,能夠按照預先設定的壓力曲線進行輸出,其間曲線種類包含單線性加載、多段線性加載、正弦加載、階梯型加載以及各種加載辦法的組合形式等。尤其是完結了脈動油壓操控,波形的幅值可控范圍為0.5~30MPa,頻率應≤0.5Hz,壓力操控精度在±2MPa。

        a.液壓操控系統

        b.操控臺實物

        圖2 中國科學院金屬研討所研制的THF-300型脈動液壓成形設備

        Fig.2THF-300Pulsatinghydraulicformingequipment

        producedbytheInstituteofMetalResearch,

        ChineseAcademyofSciences

        經過試驗結果發現,跟著脈動幅值的進步,管材的成形能力也隨之進步。比照圖4a中虛線所表示的成形進程中的軸向進給狀況,當幅值為10MPa時,很大成形內壓可抵達170MPa,對應的單側進給量(補料量)為13.5mm。當幅值進步到30MPa時,對應的單側進給量(補料量)為31mm,補料量呈現顯著進步,而且從圖4b中曲線能夠顯著看出,當幅值添加后跟著內壓的動搖,軸向位移曲線也呈現了周期性的動搖,當管內壓力處于波形的峰值時,軸向力則處于波谷,反之,當內壓降至波谷時,軸向力則到達了峰值,因而導致管材與模具之間的摩擦力會周期性減小,使軸向位移發生動搖式添加,每逢內壓降至波谷時,軸向沖頭的推進效果就更容易發生,因而進給補料量也會有一個顯著進步??傊?,幅值大小的不同導致不銹鋼管材成形能力進步的機理不同。脈動液壓成形進程中,一方面TRIP效應能夠增強,一起又能夠明顯進步軸向沖頭的補料量,兩方面效果一起效果導致304不銹鋼管材終究的成形能力得到明顯進步。圖5為成形后管件中心方位沿軸向的壁厚散布狀況,能夠發現跟著脈動幅值的進步,管件的壁厚散布均勻性明顯進步,而且減薄率顯著下降。

      圖5 成形后管件沿軸向的壁厚分布情況
      Fig.5 Analysis on thickness distribution along 

      axial direction of formed tube


        a.不銹鋼Ω型管接頭

        b.核電用精細部件

        圖6脈動液壓成形典型零件

        Fig.6Typicalpartsproducedbypulsatinghydroforming

        圖6a所示為某不銹鋼Ω型管接頭,該零件是一種典型的大變形小圓角薄壁空心構件,其變形量需到達38%,且小過渡區域的圓角半徑僅為1mm,簡直接近于直邊,選用傳統液壓成形辦法無法一次成形該零件,而筆者選用脈動液壓成形技能對該零件進行工藝開發,能夠有用進步補料量,并經過增強TRIP效應進一步進步管材成形能力,終究可取得徹底貼模且無缺點的零件。圖6b所示為核電用不銹鋼精細部件,因為該零件的結構規劃要求導致其在液壓成形進程中無法進給補料,因而選用脈動液壓成形技能,經過增強TRIP效應的辦法,然后完結了上下多個直邊孔的全體成形。

        板材高能率沖擊液壓成形技能

        2.1 技能原理及研討現狀

        高能率沖擊液壓成形是集高速成形和液壓成形的優勢于一體的成形技能,其基本原理是經過高速運動的沖擊體碰擊液體介質,然后使液體介質發生瞬時高壓驅動工件貼模成形。其優勢在于能量利用率高,成形時間短,資料形變速率高,能夠明顯進步資料的成形極限。關于具有雜亂型腔及部分小特征的零件和難變形資料,具有很好的成形效果。

        現在關于高能率沖擊液壓成形的研討較少,尚處于起步階段。20世紀90年代,白俄羅斯學者開始研討沖擊液壓成形技能,其設備是以壓縮空氣作為動力源,當壓縮空氣壓力到達必定要求之后釋放沖擊體,沖擊體在高氣壓推進下發生高速運動并沖擊液體,再將瞬時高壓傳遞給工件使其變形并貼模。南非的Kosing教授對沖擊液壓成形的工藝參數進行了理論和試驗研討。其試驗設備同樣是以壓縮氣體作為動力源,與白俄羅斯學者不同之處是選用了破膜激起原理。其研討發現,驅動壓力越高,沖擊速度和液體大壓力越高。相同驅動壓力下,沖擊錘的質量越小,沖擊速度越高,而且跟著沖擊次數的添加,工件中心變形高度添加。其給出沖擊液壓成形的工件應變速率可到達0.2×103~2.7×103s-1。近年來北京航空航天大學提出了一種充液沖擊復合成形技能。該技能的全體思路是先由一般的板材充液成形使工件的大部分方位成形,而部分尖角處和工件關鍵部位的雜亂變形由沖擊成形完結。其沖擊成形部分的沖擊動作由2個沖擊體完結,首要也是經過壓縮空氣提供能量驅動重錘高速運動,并沖擊下方的高壓柱塞,高壓柱塞再沖擊液體,此辦法需要靜高壓源和高速壓力源2個獨立油源別離提供工件所需成形壓力。上述辦法中零件成形的一致性和可靠性較差,而且關于進程操控的精度較低,中國科學院金屬研討所提出針對雜亂形狀薄壁板件的高能率沖擊液壓成形技能及使用研討,旨在明確高能率液壓成形進程中沖擊載荷與資料安排演化的交互效果及成形機理,完結結合資料高速變形下的力學特性和零件具體尺度結構的定量化工藝規劃,并研制開發出可程序化操控全液壓驅動的新式高能率沖擊液壓成形設備。

        2.2 高能率沖擊液壓成形設備、工藝及典型使用

        時下現有的與高能率沖擊液壓成形相關的設備均以高壓氣體作為驅動力,其沖擊能量和速度的操控精度低,工序繁瑣,工藝可靠性差且產品一致性低,更為重要的是缺少結合零件特征和資料特性的有針對性的研討,因而,為了能夠滿意工業化出產需要,中國科學院金屬研討所規劃并研制了程序化操控全液壓驅動的新式高能率沖擊液壓成形設備,其工藝進程和設備全體結構如圖8和圖9所示。

        圖8 全液壓驅動高能率沖擊液壓成形原理

        Fig.8Theprincipleofhigh-energy-rateimpacthydroforming

        該設備的大沖擊能量可達35kJ,大沖擊速度可達50m/s。設備配有程序化操控系統,能夠參數化操控沖擊速度、壓邊力、液體深度等工藝參數。該設備還配有移動工作臺,便于模具的安裝和調整。整機規劃徹底能夠滿意直徑為500mm、厚度為3mm的板材成形,一起也可滿意具有平等成形能力需要的管材成形。該設備所成形的典型零部件如圖10所示。

        圖9 中國科學院金屬研討所研制的全液壓驅動高能率沖擊液壓成形設備示意圖

        Fig.9Thefullhydraulicdrivenhigh-energy-rateimpacthydroformingmachine

        designedandproducedby

        theInstituteofMetalResearch,

        ChineseAcademyofSciences

        圖10 高能率沖擊液壓成形典型零件

        Fig.10Thetypicalpartsproducedby

        high-energy-rateimpacthydroforming

        圖10 高能率沖擊液壓成形典型零件

        Fig.10Thetypicalpartsproducedby

        high-energy-rateimpacthydroforming

        3.結論

        1)提醒了脈動液壓成形進步奧氏體不銹鋼管材成形能力的全新現象和微觀機理,一方面TRIP效應得到增強,與此一起又能夠進步軸向進給補料量,取得的成形管件壁厚散布均勻及模具填充效果優異,所研制開發的THF-300型超高壓管材脈動液壓成形設備能夠滿意對脈動幅值、頻率等工藝參數的精確調控和優化研討,而且能夠有用解決工程實際問題。

        2)理論計算得出,高能率沖擊液壓成形中沖擊體速度決議液體的高壓力,沖擊體質量決議液體壓力衰減時間,經過對資料動態硬化和零件應變狀況的剖析,能夠完結高能率沖擊液壓成形的定量化工藝規劃。試驗結果表明,所研制的高能率沖擊液壓成形技能關于成形具有雜亂型腔或部分小特征的薄壁板類零件,具有明顯的技能優勢。

        3)本文所研制的兩項新式液壓成形技能的規劃思路新穎,技能優勢明顯,能夠為航空航天、汽車及核電等關鍵范疇具有薄壁,大尺度,深腔及難變形資料等雜亂特征異型薄壁零件的精細成形奠定技能基礎,一起促進相關成形裝備及其產品向高端制作業轉型,未來有望取得更為廣泛的關注和使用。


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