现代液压成形技术

田 耀 东

二〇一三年四月十七日星期三

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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

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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。

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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）

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