文章编号:036726234(2000)0420007203板材零件成对液压成形新技术张士宏1,许　沂1,王忠堂1,郎利辉2,刘　钢2(1.中国科学院金属研究所,辽宁沈阳110015;2.哈尔滨工业大学材料学院,黑龙江哈尔滨150001)摘　要:板材成对液压成形技术是一种新的板材成形技术,具有成形性好、制造工期短、费用低等优点,特别适用于批量小、形状复杂板材零件的生产.介绍了板材成对液压成形技术的成形原理、成形过程、分类及研究现状.关键词:板料成形;液压成形;成形控制;胀形;拉深中图分类号:TG 394 文献标识码:AH ydroforming of sheet metal in pairsZH ANG Shi 2hong 1,X U Y i 1,W ANG Zhong 2tang 1,LANGLI 2hui 2,LI U G ang 2(1.Institute of Metal Research ,Chinese Academy of Sciences ,Shenyang 110015,China ;2.School of Materials Science and Engineering ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150001,China )Abstract :Hydroforming of sheet metal in pairs is a new sheet metal forming process.With many advantages such as g ood formability ,short manufacturing cycle and lower cost ,and especially suitable for producing sheet metal parts with com plicated shapes in small batches.K ey w ords :sheet metal forming ;hydroforming ;in process control ;bulging ;deep drawing 随着现代工业的发展,产品品种越来越多,更新速度越来越快,由大批量向多品种和中小批量方向发展.制造业中常见的批量小、尺寸多变的复杂形状板材零件,采用传统冲压方法成形时,难度大,造价高,模具的设计制造与调试需要大量时间与人力物力.而采用手工钣金成形方法,虽然成本降低,但周期太长,质量也不易满足要求.这就迫切需要新的柔性生产方法,达到既降低成本又缩短制造周期的目的.于是,各种柔性化的塑性加工技术应运而生,液压成形工艺,近几年来得到了迅速发展.传统的液压成形法(Hydroforming )[1]有一定柔性和优点,已经小规模用于汽车、飞机零件成形和收稿日期:2000-03-10基金项目:中国科学院引进国外杰出人才基金资助项目、黑龙江省留学回国基金资助项目(L99-1)作者简介:张士宏(1962-),男,教授.其他制造业中.但这种工艺还有不少问题,例如压边不易控制,橡胶经常损坏,成形质量不稳定,已部分地被后来发展起来的充液拉深(Hydrome 2chanical deep drawing )工艺[2]所代替.充液拉深工艺的模具结构与传统冲压相似,采用刚性压边,不同的是凹模被液压腔取代,与液压成形法相比,橡胶膜被取消,可以将传统工艺的板料成形极限由1.8提高到2.7,生产效率也得到提高,适于批量生产.但该工艺型腔制造较难,灵活性不够.近年来由于汽车和飞机制造业的轻量化、高质量和环保要求,对柔性成形法的需求显著增加,又由于液压密封技术取得重要突破,使高内压液压胀形成为可能,很多管件和框架类零件可由高内压法成形,目前欧、美、日等国的企业和大学正集中力量研究高内压胀管技术[1,2].德国90年代提出了一种板料零件成形新工艺———板料零件成对液胀成形(Hydroforming of sheet metal pairs )[3～6],这种成形属内高压成形,因此又称为板材内高压成形,第32卷　第4期 哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报 V ol.32,N o.42000年8月 JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGY Aug.,2000简称H BU 成形(H ochdruck -Blech -Um formung ).本项目组在此基础上进行了改进,提出了可替换凹模的思想,并研制了卧式和立式两种模具装置.1　板料零件成对液压成形的工艺原理与特点 板料零件成对液压成形时,首先将叠放的两块平板毛坯放置在上下凹模上,压边后充液预成形,边缘切割,对边缘采用激光焊接技术焊接.然后,在两板间充液加压进行最终校形,其过程示意图见图1.这种工艺适于成形舱体零件,将零件的焊接加工安排在成形过程中间.首先,通过焊接实现了两板间的密封,以保证高内压力,完成最后的贴模过程;另外,成形过程中,两板的定位准确,此时进行焊接可保证零件的精确配合,同时节省了焊接用的工装,另外,通过最后的校形可消除焊接引起的变形.根据零件的几何形状的不同,焊接工序可安排在成形前或如上述预成形之后.这种成形需要配套的焊接设备(激光焊和氩弧焊),设备工装较为复杂.图1　周边焊接坯料成对液压成形工艺过程Fig.1　Hydroforming of welded sheet metal pairs 对于非焊接成对液压成形,其过程是仅将两块平板毛坯放置在上下凹模上,压边后直接充液至最终贴模成形.这种方法成形时,两板料直接接触,在法兰区两板间存在摩擦,一板的拉入将对另一板产生影响,但影响不大,其大小决定于两板间的摩擦情况.当上下两板具有不同成形形状和厚度时,可以较自由的成形,但是两板间充液机构的设置较困难.德国学者还提出了一种有中间加压板的无焊缝对胀成形新工艺,其工艺过程见图2.这种工艺由于采用了中间加压板(有加压管路与外部压力泵相连接,同时也通往上下凹模腔),使上下两板料不再直接接触,两板的变形不再相互影响,实际上两板独立成形.这种成形技术是一种软凸模成形技术,具有很好的柔性,与一般的成形工艺相比可减少模具数量.因采用液压加载,模具不易损坏,寿命提高.该技术采用液压法成形,产品与模具贴合程度好,零件冻结性好,因此质量好,弹复变形小,通过高压塑性变形使残余应力接近完全消除,板材成形极限可明显超过拉深工艺和纯液压胀形工艺.这种工艺技术尤其适用于形状复杂、尺寸多变、批量不大的大型板料零件的生产,一次成形可生产一对产品,使复杂形状板材零件的生产简单化.与常规板材成形工艺相比,模具费用可降低30%以上.对于小批量生产,可节约费用35%,生产研制周期可缩短30%.在航空航天、汽车等工业部门,采用此法研制新产品可以节约模具费用,缩短研制及生产周期.图2　有中间压板的板料成对液压成形工艺Fig.2　Hydroforming of sheet metal pairs with intermediate plate2　研究现状板料对胀成形时,坯料在流体压力载荷的作用下产生拉伸变形,同时法兰边向模腔内流动(拉深变形),即板料发生胀形-拉深复合塑性变形,压边力与液体压力需要恰当合理的匹配,以避免坯料在变形时发生法兰起皱、悬空区拉裂及局部减薄过量等工艺缺陷.图3为非焊接板料对胀成形的加载区间示意图[3],其中A 区为压边力过低漏油区,B 为拉深-胀形复合变形区,C 为单纯胀形区,D 为破裂区.・8・ 哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报 第32卷图3　加载区间图Fig.3　Diagram of loading 对于不同材料的板料,在不同条件下的加载区间可通过实验或计算方法确定.实际的成形工艺过程中,因为成形装置的限制,压边力的实时控制还很难实现,难以按照最佳加载路径进行.因此,迫切需要开发智能化的成形装置.目前,德国这种新工艺还处于实验室研究阶段,他们在工艺装置和理论研究方面已取得了一些研究成果,并采用计算机模拟对其成形过程进行了初步分析.关于坯料的成形机理和工艺缺陷形成机制还没有发表更详细的结果,工装结构还需要改进和创新.本课题组在充分考察研究国际板材成形先进技术的基础上,对压边机构和凹模结构进行了改进,提出可替换凹模结构,以提高本工艺的柔性和适应性,实验研究工作正在进行中.该工艺采用的装置由一块中间加压板(有加压管路与外部压力泵相连接,同时也通往上下凹模腔)、上下压边圈和上下镶嵌式凹模组成.针对不同零件,凹模尺寸、形状可在一定范围内改变,凹模材料可根据成形板料的材质、精度和批量选择金属、树脂、石膏、木材或水泥.零件成形时先将两张板材坯料分别置于中间加压板上下或两侧,然后闭合压边圈,利用压力泵充液加压,板材坯料在液体压力作用下,同时伴随一定的压边区拉入(拉深),发生胀形-拉深复合塑性变形,直至最终贴模,从而得到所需的板材零件.3　结束语在国际市场竞争日益激烈的态势下,发展柔性塑性加工技术以利于及时对产品的更新换代做出响应是先进塑性加工技术的重要发展趋势之一,板料成对液压成形技术正是在这一趋势下提出的塑性加工新工艺.板料成对液压成形技术具有很好的柔性,尤其适用于形状复杂、尺寸多变、批量不大的大型板料零件的生产,使复杂形状板材零件的生产简单化、柔性化,实现零件的快速制造.在航空航天、航空、汽车、电器等工业部门,采用此法研制新产品可节约模具费用,缩短生产及研制周期,提高企业竞争力,因而具有广阔的应用前景.参考文献[1]ZH ANG Shihong.Developments in hydroforming[J].J ofMaterials Processing T echnology,1999,91:2362244. 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