【干货】先进液压(内高压)成形技术的工艺及运用 第二期

2018-01-22 Author:兴迪源机械 分类:内高压成形
液压成形技术作为制造复杂形状薄壁板管部件的精密成形技术,是交通运输、轨道交通和航空航天装备制造工业中最节省材料的零件制造技术,有利于装备的轻量化、无余量化、高精度及整体化发展,在国民经济和国防科技工业中均占有极其重要的地位。 

作为一种先进的柔性成形技术,其工艺原理是采用液体作为传力介质,通过液压力与模具型腔的共同作用,将标准的管材或板材成形出结构复杂的单一整体结构件,代替传统焊接或铸造工艺,具有节约模具和材料、生产成本低、成形精度高等特点。

 

近年来,伴随汽车和航空工业的快速发展,薄壁、大尺寸、复杂曲面、深腔及难变形合金等更为复杂的异型薄壁零件的研制,已成为促进国民经济发展和推动国家安全保障水平提升所亟待解决的重要问题之一。

 

如要实现以上需求,对传统液压成形技术而言,需要提高液体成形压力,增加设备吨位,甚至需要额外增加加热装置辅助其成形。与此同时带来了诸多现实问题,例如提高了生产成本,增加了超高压系统整体的密封难度,成形过程中材料容易出现起皱、折叠和破裂等缺陷,大大限制了其推广和应用。

 

兴迪源机械多年来一直致力于先进塑性成形技术的创新和先进液压成形装备的研发。尤其在液压成形技术方面,紧密结合材料的微观组织特性,从成形机理入手,结合控形与控性一体化,工艺与装备一体化的研究方向。同时与中科院金属究所的紧密合作,研究和发展了多项新型液压成形技术及相关装备,解决了一些现今在汽车轻量化领域中生产成形难、大尺寸、薄壁、深腔、复杂曲面零件遇到的难点。

 

新型液压成形技术-板材复合液压成形技术

 

技术原理及优势

 

板材复合液压成形技术是结合了板材充液拉伸技术和板材液压胀形技术于一体的先进成形技术。其采用液体作为传力介质代替刚性凸模或凹模传递载荷,使坯料在传力介质作用下贴靠凸模或凹模以实现金属板材零件的成形,成形后零件回弹少、精度高,广泛适用于航天航空、核电、石油、汽车等领域。

 

作为一种特殊的液压成形工艺,充液拉深的开发最早可以追溯到1890年,其工艺原理是在拉深模的凹模中充入一定压力的液体,凸模在压下时,凹模中的液体产生一个反向压力使毛坯紧贴在凸模上(通常称为预胀鼓包作用),按照液体的作用位置,可分为液体做凸模、液体做凹模的充液拉深。充液拉深可以减少传统拉深时板材缺陷的生成,得到高精度的工件,提高生产效率。该工艺将传统拉深工艺和液压成形工艺的优点结合起来,与传统的拉深工艺相比,其极限拉深比能够达到2.8。

采用板材复合液压成形技术成形的轻型产品

 

板材复合液压成形技术在板材成形方面具有非常明显的优势,特别在难成形材料、复杂形状、薄壳零件、普通工艺无法成形零件的成形方面,其优势更为明显。

 

与此同时,

板材复合液压成形技术还具有以下优势:

 

适用性广、成形能力强:

特别适合于成形力差或高强度的材料,如铝合金、钛合金、镁合金、不锈钢、高强度低合金钢形成的复合材料,产品成形极限非常高,这对于减轻零件重量是非常有帮助的;

 

成形精度高:

产品成形精度高而且表面质量好(减少产品表面在成形过程中产生的拉痕);

 

节省模具成本:

仅需凸模或凹模,另一半液体介质所代替,减少了模具费用30%以上,降低零件的生产成本。此外,液力成形的模具可以用较为实惠的材料,不同厚度和不同材料的零件可以在一个模具上生产;

 

提高产品质量和产品利用率:

能提高产品的质量,并能明显改善产品的性能。生产的零件有重量轻、强度高、硬度高和质量、材料的利用率高、尺寸精度高、回弹小、残余应力低等优点;

 

减少成形工序:

可以通过改变凹模或冲模的形状来形成各种各样的零件。板材充液成形可以单道次成形一些形状非常复杂的零件,而用传统的冲压成形则需要多道次才能实现,甚至不可能完成。前者能大量减少成形工序和焊接零件的数量。

 

相关成形设备的研发及应用

兴迪源机械针对复杂形状薄壁板件的液压成形技术的研究,结合材料高速变形下的力学特性和零件具体尺寸结构的定量化工艺设计,研制开发出可程序化控制全液压驱动的新型板材充液成形设备。

XD-SHF系列板材充液成形设备是我司自主创新,研制开发出具有独立知识产权(获发明和实用新型专利)的在国内具有先进水平的液态柔性板材成形设备。

 

我司自主创新、研制开发的
XD-SHF系列板材充液成形设备

 

该设备将压边油缸和拉伸油缸复合在一起,将压边梁和拉伸梁合并成一个活动梁,使它的受力变形达到理想状态,并且两个油缸可以独立动作,动作控制非常方便,从而使产品更精确、高效。该设备在板材成形方面具有非常明显的优势,特别在难成形材料、复杂形状、薄壳零件、普通工艺无法成形零件的成形方面优势更为明显。

下面列举个别我司利用先进板材复合液压成形为客户开发的产品案例:

 

发动机油底壳案例

 

发动机油底壳位于汽车曲轴箱的下半部,又称为下曲轴箱,作用是封闭曲轴箱作为贮油槽的外壳,防止杂质进入,并收集和储存由发动机各摩擦表面流回的润滑油,散去部分热量,防止润滑油氧化。发动机油底壳的外观形状主要有平底的无台阶油底壳和带有台阶的“龙门口”型油底壳两种。

 

目前成形方法一般多采取板材冲压或拉深工艺。但是如果直接一次成形由于变形量过大而易导致板材出现开裂,而且对于带台阶的油底壳,由于其具有两级台阶特征,不同位置所需的变形量不同,因此通常需要多个道次分步成形,中间还需进行退火处理以提高其后续成形能力。另外,成形后较大的回弹量会导致零件的尺寸精度大幅下降。

 

重型卡车发动机油底壳零件特点为大尺寸、薄壁、深腔、复杂曲面等。为进一步提高汽车续航能力和保养周期,需要增大油底壳的储油容量,在设计上会进一步提高油底壳零件的底部深度,并且在两侧进行外扩以增加容积。因此常规成形工艺不能满足具有薄壁、大尺寸、深腔及局部复杂特征的新型大容积油底壳零件的发展,需要设计并开发出更为先进的成形工艺。

 

采用板材复合液压成形技术开发发动机油底壳产品,是近年来我司与中科院金属研究所联合研发的一大成功案例。我们成功的利用一个模具完成了发动机油底壳整体的生产,而且生产的产品主体无需二次焊接或整形。通过此先进成形技术生产出的发动机油底壳零件可提高30升容积,增加储油量,使保养周期从2万公里提高到12万公里。

 

板材复合液压成形技术生产发动机油底壳图文解释:

 

第一步——

运用板材充液拉深技术,分两步,使板材分别成形油底壳深腔和浅腔体。

 

 

我司通过有限元分析
对利用板材充液拉深技术成形的发动机油底壳
进行可行性分析

 

第二步——

运用板材液压胀形技术在模腔里使产品成形复杂曲面形状。

 

我司通过有限元分析
对利用板材液压胀形技术成形的发动机油底壳
进行可行性分析

 

采用板材复合液压成形技术成形发动机油底壳(实物图)

 

结论

 

我司通过先进板材复合液压成形技术制造的发动机油底壳最终产品与模拟分析的数据相符,而且成品质量达到要求标准,证实了发动机油底壳液压成形的可行性。相比起传统技术,在加工过程中省略了焊接环节,不仅减少了生产成本,而且还增加了最终产品的强度和刚性。