管材内高压成形技术.docx

目录

TOC\o1-2\h\z\u第一章绪论 1

研究背景 1

管材内高压成形基本原理 1

管材内高压成形的适用领域 3

第二章管材内高压成形的影响因素 4

轴向应力的影响 4

内压力大小的影响 4

摩擦系数的影响 5

起皱的影响 6

第三章管材内高压成形的设备关键技术 7

第五章管材内高压成形的工程研发案例 9

第六章管材内高压成形的展望 11

上海理工大学

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第一章绪论

研究背景

近年来，汽车轻量化是汽车制造业的重要发展趋势。由于世界能源的紧张和环保问题的日趋严重，汽车工业面临着严峻的挑战：减轻汽车自身重量，提高行驶速度，降低能耗。除了采用轻体材料以外，汽车轻量化的另一个主要途径是以“空代实”。这就求促使人们不得不改进传统工艺，创造出适应新经济时代要求的新工艺。通过合理的结构设计，许多零部件都能采用标准的管材，通过液压成形技术成形结构很复杂的单一整体结构件，代替承受弯曲和扭转载荷的构件，既节省了材料，又发挥了材料的最大效能。在汽车工业中管材液压成形作为一个非常重要的成形技术已得到了广泛应用，主要用于生产汽车动力系统、排气系统、汽车底盘以及一些结构件。汽车用排气管件大多为形状比较复杂、轴线有很大变化的零件。传统成形工艺除铸造成形外，主要采用冲压两个半壳而后组焊成形，或采用管坯进行数控弯曲、扩管、缩管加工而后组焊成形。这样制造的零件模具费用高、生产周期长、成本高，不适应当前汽车行业在减轻自重、降低成本、提高市场竞争力等方面的要求。而采用内高压技术制造排气管件可以较精确地控制零件的尺寸精度，便于在后续工序中与其他零件进行装配，且能够进一步减轻系统重量，减少焊缝数量，内表面光滑，排气阻力小，使成形后的产

品质量和寿命得到进一步提高。

管材内高压成形基本原理

内高压成形(InternalHighPressureForming)是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件。而对于轴线为曲线的零件，先在数控弯管机上弯曲到要求的形状，经过预成形后再放到模具内加压成形出零件，这种工艺适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件，截面形状可以为圆形、矩形或异型截面。由于所使用的压力高达400MPa~600MPa，在德国称为内高压成形IHPF(InternalHighPressureForming)；根据使用的坯料和成形介质，在美国又称为管材液力成形THF(TubeHydroforming)。

按成形零件的种类，内高压成形分为三类：（1）变径管内高压成形；（2）弯曲轴线构件内高压成形；（3）多通管内高压成形。图1.1为内高压成形技术生产的汽车零部件。

发动机支架

汽车排气管

图1.1内高压成形的典型零部件

内高压技术成形（图2.1）一个产品，一般完整的工艺路线为:管坯下料→叶预弯机加工端部→清清洗→喷涂润滑剂→预成形→分液压成形→后续加工(如激光切割、焊接、热处理、清洗、喷漆等)。

图2.1内高压成形过程

管材内高压成形的适用领域

管材内高压成形的优点：减轻质量，节约材料；减少零件和模具数量，降低模具费用；可减少后续机械加工和组装焊接量；提高强度与刚度，尤其是疲劳强度；降低生产成本。而其工艺方面的不足是：成形过程中坯料变形不均匀，金属流动情况复杂，变形规律较

难掌握；内高压成形专用设备的设计尚无标准可言，工艺设计及参数的正确选取比较困难；成形过程中容易产生破裂、起皱、折叠、弯曲等缺陷。

管料的内高压成形适用于汽车等行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形或异型截面空心构件，如汽车的排气系统异型管件、非圆截面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架(约占汽车总重量的11%～15%)、空心轴类件和复杂管件等。

适用材料包括碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金及镍合金等，原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。

第二章管材内高压成形的影响因素

轴向应力的影响

内高压成形是在内压和轴向力联合作用下的复杂成形过程。当轴向力过大，管坯将发生塑性失稳起皱；当内压过高，管坯将发生破裂；轴向力和内压都过大，起皱和开裂同时发生。无内压作用时，管坯产生塑性失稳起皱的条件可以用经典欧拉公式。

当管坯有内压作用时，稳定性提高，起皱的轴向应力增大。图2.1所示为一个非线性弹塑性稳定性理论分析计算实例。由图2.1看出，随着内压力增加，起皱临界轴向力逐渐提高。

图2.1塑性失稳临界轴向力与内压的关系

内压力大小的影响

内压力是能否成形符合需求产品的重要因素。内高压成形开裂压力可以用下式估算:

式中