淺析管件高壓液力成形技術(shù)的發(fā)展

陳洋　劉興華

摘 要：如今市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)、船舶等制造業(yè)產(chǎn)品的重量、零件的數(shù)量及強(qiáng)度剛度的要求越來(lái)越高，而且目前全球都非常注重環(huán)保工作，需要零件和產(chǎn)品具有節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等作用，給制造企業(yè)帶來(lái)了一定的制造壓力。其中管件高壓液力成形技術(shù)能夠有效減輕產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)等，將其應(yīng)用在制造工藝中，具有廣闊的發(fā)展前景。本文主要分析了管件高壓液力成形技術(shù)的原理、分類(lèi)及應(yīng)用，并針對(duì)管件高壓液力成形技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：管件高壓液力成形技術(shù)；輕量化技術(shù)；成形原理

隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)、船舶等制造業(yè)均取得了明顯的進(jìn)步，然而傳統(tǒng)的沖壓、焊接工藝等難以適應(yīng)當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展。為了推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，輕量化技術(shù)逐漸成為制造企業(yè)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。其中管件高壓液力成形技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造方法，將其應(yīng)用在零件制造中，能夠有效提高零件的疲勞強(qiáng)度和應(yīng)用剛度，并可以降低生產(chǎn)成本。目前國(guó)外很多制造企業(yè)都采用管件高壓液力成形技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品制造，因此該技術(shù)具有明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

一、管件高壓液力成形技術(shù)的概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和超高壓控制技術(shù)的發(fā)展，管件高壓液力成形技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。管件高壓液力成形技術(shù)主要是利用金屬塑性變形的原理，即首先向管件中注入液體介質(zhì)，并利用相應(yīng)設(shè)備增加軸向擠壓力，使毛坯管不斷發(fā)生塑性變形，制造滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。一般完整的管件高壓液力成形工藝需要具備切管機(jī)、彎管機(jī)、高壓液力成形機(jī)、清洗設(shè)備等設(shè)備，其中高壓液力成形機(jī)最為重要，其價(jià)格也最為昂貴。

高壓液力成形技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，優(yōu)勢(shì)非常明顯，如性能高、安全性高、質(zhì)量輕、工藝簡(jiǎn)化、效率高、節(jié)約材料、降低成本等，因此其在汽車(chē)、航天、化工、船舶、醫(yī)療等行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越普遍。根據(jù)零件種類(lèi)分類(lèi)，可以將高壓液壓成形工藝分為變徑管高壓液壓成形、彎曲軸線(xiàn)構(gòu)件高壓液壓成形及多通道高壓液壓成形等三類(lèi)。

二、管件高壓液力成形技術(shù)的發(fā)展

1.常規(guī)管件高壓液力成形工藝

管件高壓液力成形工藝中比較典型的為“T”形三通管工藝，其屬于早期研發(fā)的漲形工藝，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高壓密封技術(shù)的發(fā)展，管件高壓液力成形技術(shù)在“X”形和“Y”形管件接頭成形中得到應(yīng)用。相關(guān)專(zhuān)家采用有限元軟件對(duì)“X”和“T”管接頭的高壓液力成形工藝進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致?！癥”形三通管的初始管材較短，則可以漲出更高的支管。

2.熱態(tài)高壓液力成形工藝

輕量化技術(shù)是目前各個(gè)制造企業(yè)的重點(diǎn)研究方向，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零件的輕量化，首先要選擇輕量合金材料，如鋁合金和鎂合金等。由于鋁合金和鎂合金的常溫塑性較大，技術(shù)人員需要通過(guò)相關(guān)工藝體提高合金材料的成形溫度，從而使其漲出所需形狀，因此技術(shù)人員可以利用油或惰性氣體對(duì)管材進(jìn)行加熱，即熱態(tài)高壓液力成形工藝。由于熱態(tài)高壓液力成形工藝增加了加熱步驟，因此其所需時(shí)間比常溫成形工藝所需時(shí)間要長(zhǎng)，且制造技術(shù)也更加復(fù)雜。國(guó)外相關(guān)專(zhuān)家采用氮?dú)庾鳛榧訜峤橘|(zhì)，有效提高了成形溫度，達(dá)到450℃。另外我國(guó)相關(guān)專(zhuān)家通過(guò)對(duì)5A02鋁合金的研究后發(fā)現(xiàn)，5A02鋁合金管成形溫度最好選擇在200℃到230℃之間。如今我國(guó)熱態(tài)高壓液力成形工藝還處在研究階段，加熱方法、溫度分布、隔熱等都還需要進(jìn)一步研究后，才能夠投入工業(yè)應(yīng)用。

3.管件雙面高壓液力成形工藝

一般材料發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題主要是由于微觀(guān)裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下出現(xiàn)塑性變形問(wèn)題，從而導(dǎo)致空洞的出現(xiàn)，而當(dāng)空洞合并后，則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂。拉伸型的內(nèi)應(yīng)力和壓縮型的內(nèi)應(yīng)力分別是加速和抑制材料破裂的主要因素。相關(guān)專(zhuān)家根據(jù)內(nèi)應(yīng)力作用提出了雙面高壓液力成形工藝，即管材內(nèi)外都需要注入高壓液力，其中管材外部引入的壓力要比內(nèi)壓小，用以支撐管材的漲形，起到抑制管材開(kāi)裂的作用。根據(jù)相關(guān)研究可知，管件角部半徑隨著外壓的升高而減少，即外壓推遲了材料漲裂問(wèn)題的發(fā)生。

4.常用材料

不同制造領(lǐng)域采用管件高壓成形工藝制造零件所需的材料均不一樣，其中汽車(chē)、航天航空等領(lǐng)域一般采用鐵合金、鋁合金等，而衛(wèi)浴領(lǐng)域一般采用黃銅、紫銅等材料。常用于工業(yè)運(yùn)用的鐵合金材料主要有低碳鋼、滲碳鋼、熱處理鋼、高強(qiáng)度鋼等，汽車(chē)機(jī)構(gòu)件的制造主要采用屈服強(qiáng)度在200MPa到400MPa之間的低碳鋼，發(fā)動(dòng)機(jī)軸類(lèi)零件制造則主要采用滲碳鋼和熱處理鋼。雖然鎂合金具有比強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，但其常溫塑性較差，因此加工過(guò)程較為困難，需要提高溫度至200℃才能夠制造出性能良好的零件。

5.管材成形性能測(cè)試

為了確定管材成形性能，需要采用專(zhuān)門(mén)測(cè)量管材成形性能的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量。角部填充試驗(yàn)時(shí)主要用來(lái)測(cè)量管材液壓成形中的摩擦和潤(rùn)滑情況。管材端部擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)主要是用來(lái)評(píng)估材料的成形性能，即利用錐形沖頭擠壓管端使其拉裂，并獲得拉裂時(shí)的膨脹率。液壓漲形試驗(yàn)主要是進(jìn)行管材進(jìn)行高壓膨脹試驗(yàn)，獲取材料破裂時(shí)的漲形高度，繼而評(píng)估材料的成形性能。拉伸試驗(yàn)?zāi)軌颢@取材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、應(yīng)力變曲線(xiàn)等數(shù)據(jù)，從而判斷材料成形性能。

6.工藝分析和數(shù)值模擬

管件高壓液力成形共同以參數(shù)主要有材料屬性、加載路徑、摩擦和潤(rùn)滑參數(shù)、模具和零件的尺寸參數(shù)等。根據(jù)相關(guān)研究可知，材料硬化指數(shù)越高，液壓漲形所需壓力越低，另外軸向各向異性指數(shù)會(huì)對(duì)漲形壓力產(chǎn)生影響。加載路徑是管件高壓液力成形工藝中最重要的參數(shù)，而目前加載路徑的設(shè)計(jì)需要結(jié)合有限元模擬和試驗(yàn)獲得。技術(shù)人員首先需要將高壓液力成形工藝分為成形階段和校形階段，且需要根據(jù)屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度技術(shù)獲取兩階段曲線(xiàn)的需要通過(guò)的屈服點(diǎn)、漲裂點(diǎn)和校形壓力點(diǎn)。其次技術(shù)人員需要從模擬結(jié)構(gòu)中獲取管件兩端向中間的位移值，并將其放大后作為初始加載路徑，最后采用優(yōu)化法，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，從而獲得合適的加載路徑。

三、結(jié)語(yǔ)

管件高壓液力成形技術(shù)因具有成本低、環(huán)保作用、產(chǎn)品質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，因此各個(gè)國(guó)家都非常注重對(duì)管件高壓液力成形技術(shù)的研究和應(yīng)用。雖然我國(guó)管件高壓液壓技術(shù)發(fā)展較快，但其在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的問(wèn)題，因此我國(guó)制造企業(yè)需要加強(qiáng)對(duì)高壓液壓成形設(shè)備的研制、注重對(duì)液壓成形工藝的優(yōu)化，并加強(qiáng)對(duì)加載路勁和規(guī)劃和成形工藝的創(chuàng)新，從而推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。

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