现代液压成型技术

现代液压成型技术

第1部分：液压成形技术的种类

在介绍它的种类和特点之前首先让我们先了解它的定义，什么是液压成形？

定义：液压成形是指利用液体作为传力介质或模具使工件成形的一种塑性加工技术，也称液力成形。

（可能文字解释有点抽象，下面请大家看一段视频），很直观的可以看到它的成形工艺大致可分为三个阶段：第一个阶段，填充阶段，将管材放在下模内，然后闭合上模，使管材内充满液体（并排除气体），将管的两端用水平冲头压封；第二个阶段，成形阶段，对管内液体加压胀形的同时两端的冲头按照设定加载曲线向内推进补料，在内压和轴向补料的联合作用下使管材基本贴近模具；第三个阶段，整形阶段，提高压力是过度区圆角完全贴靠模具而成形为所需的工件，这个阶段基本没有补料，从截面看可以把管材变为矩形、梯形、椭圆形或其他异型截面。

1.1 按使用的液体介质不同 可将液压成形分为水压成形和油压成形。

1.1.1 水压成形：使用的介质为纯水或水添加一定比例的乳化油组成的乳化液

1.1.2 油压成形：油压成形的介质为液压传动油或机油

1.2 按使用坯料不同，可分为管材液压成形、板材液压成形、壳体液压成形。

1.2.1管材液压成形：板料（≤100MPa）和壳体液压成形（≤50MPa）使用的成形压力较低，而管材液压成形使用的压力较高（一般不超过400MPa），又称内高压成形（Internal High Pressure Forming）

通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需工件，所需管材多为电阻焊管（ERW）因其成本低且成型性好，其次是无缝管、拉拔管（DOM）激光焊管（成型性最佳）。

1.2.1.1变径管内高压成形技术

变径管内高压成形是以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需工件，把管材的圆截面变为矩形、梯形、椭圆形或其他异型截面。（板书演示）

1.2.1.2弯曲轴线变截面管件内高压成形

弯曲轴线管件内高压成形工艺过程包括弯曲、预成形、内高压成形等主要工序。由于构件的轴线为二维或三维的曲线，需要先经过弯曲工序，将管材弯曲成和零件轴线相同或相近的形状。为了确保管材能顺利放到模具内，弯曲后一般要进行预成形。（图为一个铝合金变截面管件，其成形过程为弯曲－预成形－内高压成形，以获得各个不同位置的多个截面形状，其最大减薄率为7.5％）。

1.2.2.3薄壁多通管内高压成形技术

以管材为坯料通过内高压成形可以直接加工出整体结构的三通管，其原理是向管内充满液体，并施加一定的压力，然后左右冲头施加轴向力补料，同时中间的冲头后退，最终形成所需零件。整体三通管解决了半管焊接和插焊（焊接变形，内部表面质量等）存在的问题。

1.2.2 板材液压成形：

板材液压成形是利用液体作为传力介质来传递载荷，使板材成形到单侧模具上的一种板材成形方法，根据液体介质取代凹模或凸模可将之进一步分类为充液拉深成形和液体凸模拉深成形。

1.2.2.1充液拉深（用液体介质代替凹模）。

        成形工艺：板材充液拉深成形工艺可分为四个阶段，第一个阶段,首先开动液压泵将液体介质充满充液室至凹模表面，在凹模上放好坯料；第二个阶段，施加压力；第三阶段，然后凸模开始压入凹模，自然增压或者通过液压系统使充液室的液体介质建立起压力，将板件紧紧压贴在凸模上；第四阶段，同时液体沿法兰下表面向外流出，形成液体润滑，  

1.2.2.2液体凸模拉深（以液体介质作为凸模）。

       液体凸模拉深成形（图2）则是以液体介质代替凸模传递载荷，液压作为主驱动力使坯料变形，坯料法兰区逐渐流入凹模，最终在高压作用下使坯料贴靠凹模型腔，零件形状尺寸靠凹模来保证。这一成形法通过合理控制压边力可使坯料产生拉-胀成形，应变硬化可提高曲面薄壳零件的刚性、压曲抗力和抗冲击能力。因此，它非常适于铝合金和高强钢等轻合金板料形状复杂（特别是局部带有小圆角）、深度较浅的零件成形。 

1.2.3 壳体液压成形：是采用一定形状的封闭多面壳体作为预成形坯，在封闭多面壳体充满液体后，通过液体介质在封闭多面壳体内加压，在内压作用下壳体产生塑性变形而逐渐趋向于最终的壳体形状。最终壳体形状可以是球形，椭圆，环壳等。（二氧化碳储罐材料为16MnR其中16Mn为低合金代号R为代表容器类材料。）

      成形工艺：先由平板经过焊接形成封闭多面壳体，然后在封闭多面体内充满液体介质（一般为水），并通过一定加压系统施加压力，在内压作用下壳体产生塑性变形而逐渐趋向于球壳。

第2部分：特点

从20世纪80年代中期发展起来的现代液压成形技术的主要特点表现在两个方面：一是仅需要凹模或凸模，液体介质相应地作为凸模或凹模，省去一半模具费用和加工时间，还可以成形很多刚性凸模无法成形的复杂零件。而壳体液压成形不使用任何模具，也称无模液压成形。二是液体作为传力介质具有实时可控性，通过压力闭环私服系统和计机家控制系统可以按给定的曲线 精确控制压力。下面分别从优缺点两个方面简单介绍一下三种不同液压成形技术的特点：

2.1 管材液压成形特点：

从工艺技术角度，内高压成形与冲压焊接工艺相对比的主要优点有

1)       减轻质量，节约材料。 （ 框、梁类 减轻20%-40%，空心轴可以减轻40%-50%）

2)       减少零件和模具重量，降低模具费用。

3)       可减少后续机械加工和组装焊接量，提高生产效率。

4)       提高强度和刚度，尤其是疲劳强度。

5)       材料利用率高。 （达到90%-95%）

6)       降低生产成本。（根据德国某公司对已应用零件统计分析，内高压成形件比冲压件费用平均降低15%-20%，模具费用降低20%-30%）

 缺点：1）需要大吨位液压机作为合模压力机。 （对于内径为100mm长度为2500mm的管材，当成形压力为100MPa时，合模力为25000KN。

       2）高压源闭环实时控制系统复杂，造价高。

       3）由于成形缺陷和壁厚分布与加载路径密切相关，零件试制研发费用高，必须充分利用数值模拟进行工艺参数优化。

2.2 板材液压成形技术特点

     充液拉深       优点：提高成形极限和减少成形道次。

缺点：1）由于充液需要时间，生产效率低  2）设备吨位大。

     液体凸模拉深   优点：1道次成形深度较大的复杂型面零件     缺点：同上

2.3 壳体液压成形技术特点

优点：1）不需要模具和压力机。（产品初期投资少，因而可见底成本，生产周期）

      2）容易变更壳体壁厚和直径。

      3）产品精度高。（传统成形为先成形后焊接，焊接变形难以控制）

缺点：1）由于该技术为“先焊接后成形”，焊接质量决定成形质量（传统球罐区别—先成形后焊接）

      2）大型壳体成形过程支撑基础难度大、费用高

第3部分：液压成形技术的现状

3.1内高压成形

1)早在20世纪50年代，该技术已用于生产管路中使用的铜合金T型三通管和自行车车架上的连接件，所用成形压力小于25MPa，随着科技的发展现代液压成形压力一般达到400MPa，有时可达到1000MPa。超高压精度达到0.2-0.5MPa，位移精度达到0.5MPa。20世纪80年代德国和美国的研究机构系统地开展了内高压成形的基础研究和应用技术，现在已广泛应用到汽车、航空、自行车、管路等当中，其中汽车应用最为广泛。包括1.底盘类零件：副车架、纵梁、后轴、保险杠2.车体结构：座椅框、仪表盘支梁、顶梁等 3）发动机和驱动系统：排气管凸轮轴 4）转向和悬挂系统：控制臂、摆臂等

2)成形工艺比较单一

3.2 板材液压成形

      早在1890年，就出现了类似于充液成形的方法，在板材与液体间用橡胶模割开，并在第二次世界大战时期在美国得到应用（钢制头盔）。生产效率低，质量不稳定等逐渐淘汰。为解决上述问题20世纪60年代日本学者（春日保男）提出将液体直接作用于坯料上，强制润滑拉深，这就是现在说的现代充液拉深技术原型。20世纪70年代进一步发展，1977年，安徽拖拉机厂用该工艺生产了50拖拉机的油底壳，这是我国首次将该技术应用生产。

目前应用夜拉深技术制造的零件类型有筒形件，锥形件，抛物线件，盒形件以及复杂型面件，设计材料包括碳钢、高强钢、不锈钢、铝合金等，材料厚度为0.2mm-3.2mm，板材液压成形与普通拉深相比成形极限和拉深比大。对于低碳钢筒形件最大拉深比达到2.6，不锈钢2.7.铝合金2.5，如果采取特殊工艺还可进一步提高拉深比。如调压等

3.3 壳体液压成形技术

自从1985年王仲仁教授发明了球形容器无模液压成形技术以来该技术经历了三个发展阶段

1）  壳体结构有平板类多面壳体扩展到单曲率多面壳体。

2）  由低压及常压球形容器发展到三类压力容器。

3）  有球形壳体扩展到非球形壳体。

图为1992年哈工大王教授采用壳体液压成形技术成功研制 200mm3液化气储罐，直径7.1m，壁厚24mm材料为低合金钢16MnR,最高工作压力位1.77MPa。（造纸球直径2m，厚12mm，压力供水装置直径2.7m，厚6mm；通信塔长轴6m、3m，短轴3m、2m）

第4部分：液压成形技术的发展趋势

随着液压成形技术的成熟和人们都减轻质量，降低成本的需求的提高，该技术近十年来在各个领域得到广泛应用。

4.1 内高压成形

内高压成形技术近十年来在汽车工业得到广泛应用，汽车等运输工具对减轻质量和降低成本的需求又促进了内高压成形技术的不断改进，使该技术迅速发展，发展趋势为：

4.1.1 超高压成形。目前，工业生产中使用的内高压成形机的增压器最高压力一般为400MPa。为了适

应更复杂的结构形状和精度、更大壁厚和高强度材料（超高强钢、钛合金和高温合金等），就需

要更高的内压，内压将发展到600MPa，甚至1000MPa。

4.1.2 新成形工艺不断发展。拼焊管内高压成形，将不同厚度或不同材料管材焊接成整体，然后再用

内高压成形加工出结构件，可以进一步减轻结构质量；采用两端直径不同的锥形管，制造特殊结构零件；采用双层管内高压成形制造轿车双层排气管件；还可以采用初始截面形状为非圆形的型材管作为一种预制坯，成形出所要求的零件；内高压成形与连接等工艺复合，把几个管材或经过预成形的管材放在内高压成形模具内，通过成形和连接工艺复合加工为一个零件，进一步减少零件数量，提高构件整体性。

4.1.3 超高强度钢成形。 钢材强度有250MPa提高到1000MPa，塑性由45%降到12%。

4.1.4 热态内压成形。为了解决高性能铝合金、镁合金等轻合金材料室温塑性低、成形困难的问题，采用加热加压介质成形加工异型截面零件是内高压成形发展的一个重要方向。目前，以耐热油作为介质的温度可以达到300℃，压力达到100MPa，完全能满足铝合金和镁合金管材成形的需要。热态内压成形的主要问题是成形时间长、效率低。对于钛合金，需要在温度达到600℃以上成形，目前的耐热油达不到这个温度，但采用气体作为成形介质是一个很好的解决方案。

4.2板材液压成形

4.2.1进一步提高成形极限和零件质量的成形新技术。向着主动径向加压充液拉深和正反加压充液拉深、预胀充液拉深和热态充液拉深技术方向发展。主动径向加压充液拉深，除充液室内液体压力作用外，在板料法兰区径向独立施加液压，拉深过程中辅助推动板料向凹模口内流动，可以进一步提高零件成形极限，实现更深、更复杂零件的成形。正反加压充液拉深，在成形批料的上表面施加液压来配合充液拉深，可以部分甚至全部抵消液室压力导致的反胀，尤其适合成形过程中具有较大悬空区的锥形件等的成形，允许施加更大的液室压力，抑制减薄，提高成形极限。预胀充液拉深，先预胀、再拉深，实现应变硬化以达到提高大型零件整体刚度的目的，可因此省去加强筋板，适合大吉普和商用车的顶盖成形。热态充液拉深，将材料的温热性能与充液拉深的技术优势结合起来，可使铝合金及镁合金等成形性能差的轻体材料成形能力得到提高，促进其在航空航天领域的应用。

4.2.2  低塑性材料的拉深成形。

高性能铝合金、镁合金和超高强度钢等材料强度提高、塑性降低，如铝合金、镁合金板材厚向异性指数小、硬化指数低，与钢相比，更易产生破裂和起皱的倾向，普通冲压工艺往往需要多道工序，工艺繁琐。充液拉深技术可以弥补低塑性材料成形性能方面的不足，节省工序、提高效率。

4.2.3   大型复杂型面零件成形。大型复杂型面零件普通冲压成形往往需要与零件形状尺寸一致的凸模及与型腔相配的凹模，模具成本高，试模周期长。充液拉深成形只需凸模，凹模型腔可以简化，液室压力起到软凹模的作用使板材贴模，显著降低模具成本，模具调试简单。

4.2.4   与普通拉深工艺复合，提高效率。普通拉深成形出零件的大部分形状，再用液压成形加工出局部需要的特殊形状；或者先充液拉深成形出零件，再用普通成形工艺，如带孔坯料翻边时先拉深，然后液室压力卸载进行翻边，获得较高的直边。

4.3 壳体液压成形技术：

4.3.1  选用轻质传力介质。采用水作为壳体液压成形的传力介质具有成本低和清洁等优点，但对于大容积壳体（1000m³以上），水的质量很大，壳体的支撑难度大，限制了给技术的进一步应用，因此开发出密度低于水的介质或者通过在水中混合某种轻质材料使混合物密度降低是壳体液压成形的一个主要发展方向。

4.3.2  应用高能束焊接技术和自动化工艺焊接封闭壳体。目前封闭壳体的焊接技术多为收工电弧焊，容易引起焊接接头质量问题导致在成形式开裂。因此如何在封闭壳体上实现自动化焊接或引入激光等高能束焊接方法是促进该技术普及的一个基础课题。

4.3.3 铝合金等轻质材料球壳液压成形。由于工业上对轻质材料球壳的需要越来越多，进行铝合金等材料球壳液压成形也是今后的一个发展方向。铝合金球壳液压成形难点主要在于封闭壳体的液压技术发展趋势液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。世界液压元件的总销售额为350亿美元。据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的2%~3.5%，而我国只占1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景。液压气动技术具有独特的优点，如:液压技术具有功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点；气动传动具有节能、无污染、低成本、安全可靠、结构简单等优点，并易与微电子、电气技术相结合，形成自动控制系统。因此，液压气动技术广泛用于国民经济各部门。但是近年来，液压气动技术面临与机械传动和电气传动的竞争，如：数控机床、中小型塑机已采用电控伺服系统取代或部分取代液压传动。其主要原因是液压技术存在渗漏、维护性差等缺点。为此，必须努力发挥液压气动技术的优点，克服缺点，注意和电子技术相结合，不断扩大应用领域，同时降低能耗，提高效率，适应环保需求，提高可靠性，这些都是液压气动技术继续努力的永恒目标，也是液压气动产品参与市场竞争是否取胜的关键。 液压产品技术发展趋势由于液压技术广泛应用了高科技成果，如：自控技术、计算机技术、微电子技术、可靠性及新工艺新材料等，使传统技术有了新的发展，也使产品的质量、水平有一定的提高。尽管如此，走向21世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。其主要的发展趋势将集中在以下几个方面。 减少损耗，充分利用能量液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中，总存在能量损耗。为减少能量的损失，必须解决下面几个问题：减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失；减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量；采用静压技术和新型密封材料，减少摩擦损失；改善液压系统性能，采用负荷传感系统、二次调节系统和采用蓄能器回路。 泄漏控制泄漏控制包括：防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境对系统的侵害两个方面。今后，将发展无泄漏元件和系统，如发展集成化和复合化的元件和系统，实现无管连接，研制新型密封和无泄漏管接头，电机油泵组合装置等。无泄漏将是世界液压界今后努力的重要方向之一。 污染控制过去，液压界主要致力于控制固体颗粒的污染，而对水、空气等的污染控制往往不够重视。今后应重视解决：严格控制产品生产过程中的污染，发展封闭式系统，防止外部污染物侵入系统；应改进元件和系统设计，使之具有更大的耐污染能力。同时开发耐污染能力强的高效滤材和过滤器。研究对污染的在线测量；开发油水分离净化装置和排湿元件，以及开发能清除油中的气体、水分、化学物质和微生物的过滤元江及检测装置。 主动维护开展液压系统的故障预测，实现主动维护技术。必须使液压系统故障诊断现代化，加强专家系统的开发研究，建立完整的、具有学习功能的专家知识库，并利用计算机和知识库中的知识，推算出引起故障的原因，提出维修方案和预防措施。要进一步开发液压系统故障诊断专家系统通用工具软件，开发液压系统自补偿系统，包括自调整、自校正，在故障发生之前进行补偿，这是液压行业努力的方向。 机电一体化机电一体化可实现液压系统柔性化、智能化，充分发挥液压传动出力大、惯性小、响应快等优点，其主要发展动向如下：液压系统将有过去的电液开发系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统，同时对压力、流量、位置、温度、速度等传感器实现标准化；提高液压元件性能，在性能、可靠性、智能化等方面更适应机电一体化需求，发展与计算机直接接口的高频，低功耗的电磁电控元件；液压系统的流量、压力、温度、油污染度等数值将实现自动测量和诊断；电子直接控制元件将得到广泛采用，如电控液压泵，可实现液压泵的各种调节方式，实现软启动、合理分配功率、自动保护等；借助现场总线，实现高水平信息系统，简化液压系统的调节、争端和维护。 液压CAD技术充分利用现有的液压CAD设计软件，进行二次开发，建立知识库信息系统，它将构成设计-制造-销售-使用-设计的闭环系统。将计算机防真及适时控制结合起来，在试制样机前，便可用软件修改其特性参数，以达到最佳设计效果。下一个目标是，利用CAD技术支持液压产品到零不见设计的全过程，并把CAD/CAM/CAPP/CAT，以及现代管理系统集成在一起建立集成计算机制造系统（CIMS），使液压设计与制造技术有一个突破性的发展。 新材料、新工艺的应用新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂敷料，可使液压的发展引起新的飞跃。为了保护环境，研究采用生物降解迅速的压力流体，如采用菜油基和合成脂基或者水及海水等介质替代矿物液压油。铸造工艺的发展，将促进液压元件性能的提高，如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，减少压力损失和降低噪声，实现元件小型化。

焊接，因此引入激光焊接等高能束焊接方式显得更为重要。