内高压成形是一种制造空心轻体结构件的先进制造技术, 通过内部加压和轴向进给补料使管材成形, 现已发展成为塑性加工领域中的一个热点研究方向。在成形过程中, 两轴向进给必须高精度同步, 否则产品会产生起皱或破裂等缺陷。因此, 两轴向油缸的高精度同步就成为内高压成形机关键技术, 如何实现“同步精度”就成为本文研究和解决重点。
内高压成形设备具备成形工艺所需的全部功能, 属于专用设备。其主要由内高压成形机、液压系统、高压源、水压系统和计算机控制系统等五部分组成, 其中最重要的设备是内高压成形机。具体详见图1所示。
内高压成形机是提供模具和轴向推力油缸的安装空间, 以及成形时所需的合模力和轴向推力。根据工艺要求, 内高压成形机可设计成各种结构形式, 例如传统的四柱结构、整体框架结构和组合预紧式框架结构等。为确保产品精度, 结构形式多采用组合预紧式框架结构。
液压系统为内高压成形机和高压源提供动力源。液压传动控制系统采用先进的整体式二通插装阀集成块, 具有结构紧凑、动作灵敏、通流能力大等优点。高压源、水压系统是产生高内压的核心部件, 直接影响到加工能力, 最大内压力应根据零件的工艺性决定。
内高压成形最主要的工艺因素有:合模力、内压、轴向进给 (或轴向推力) 。合模力由主缸提供, 通过系统压力的比例调节, 可实现合模力的线性比例调节。内压由单向或往复式增压器提供, 液体工作内压通过超高压传感器进行检测, 并反馈给电气系统进行闭环检测。轴向进给 (或轴向推力) 由两轴向推力油缸提供, 轴向油缸的数量、位置、推力、行程等参数根据产品工艺要求来决定, 多采用水平布置。
在成形过程中, 内压和轴向进给必须合理匹配, 若轴向进给过大, 内压不足, 管坯会出现失稳起皱;反之, 则会出现壁厚过度减薄, 甚至破裂。所以, 轴向进给的“同步精度”就成为内高压成形机的关键技术。合模力、内压与轴向进给随时间变化曲线 内高压成形机研究
内高压成形机的关键技术就是两轴向油缸的“同步精度”。本文从机身结构、液压系统和控制系统三个方面加以研究。首先机身结构的刚性直接影响同步的精度, 其次液压系统的流量控制精度和抗偏载能力起到决定性的作用, 最后控制方法和调节方式的选择也至关重要。
内高压成形机机身采用组合预紧式框架结构, 上横梁、立柱、下横梁通过液压涨紧装置组成封闭式框架结构。主缸安装于上横梁上, 用于提供成形所需合模力。轴向油缸安装在立柱上, 用于轴向推力和进给补料。顶出缸安装在下横梁上, 用于成形后产品的顶出。这一结构的特点是各零件结构和工艺性简单, 单件重量较小, 加工工艺性较好。
组合预紧式框架结构主要工作载荷有:合模力、轴向公称力和顶出力等。其中立柱是研究的重点, 立柱承受液压预紧力、轴向公称力、滑块作用的水平力等。立柱的刚性直接影响到轴向位移的“同步精度”要求, 现通过ANSYS有限元分析软件对立柱进行优化设计, 确保立柱的变形控制在规定的范围之内, 分析结果如图3所示。
液压系统由能量转换装置、能量调节控制装置、辅助装置及液压附件组成, 借助电气系统的控制完成各种动作的循环。动力系统采用比例流量泵, 可以实现10%-90%的无级调速 (按程序控制) 。液压传动控制系统采用先进的整体式二通插装阀集成块, 具有响应快、流阻小、通流能力强等有点。两轴向油缸分别采用独立的液压动力源和控制集成块, 可以有效把两轴向油缸之间的相互作用减到最少。首先通过比例流量泵将两轴向油缸液压油流量和流速调至相近, 再通过比例流量阀对两轴向油缸液压油流量进行精确控制, 达到“同步精度”要求。
由于液压系统的泄漏、轴向油缸的非线性摩擦阻力、控制元件间的性能差异、各执行元件间负载的差异等因素的影响, 将造成执行机构的同步误差, 如果液压系统不能有效地加以控制并克服这种同步误差, 系统将不能正常工作。液压系统通过AMESim软件创建系统模型, 进行运动仿真, 对得出的同步曲线和误差曲线进行分析, 对液压同步系统进行检验。
内高压成形机的控制系统采用“同等方式”控制, 即指两轴向推力油缸同时跟踪设定的理想输出, 分别受到控制而达到同步驱动的目的。这种控制方式能把两轴向油缸之间的相互作用减小到最小, 且调整时间短, 系统的动态性能稳定, 便于获得较高的“同步精度”。
PLC在控制模拟量时, 与被控量组成闭环控制系统, 进行PID调节。详见图4所示。PID控制过程:首先对液压系统建立数学模型, 根据工艺需要设定轴向推力油缸的理想位移曲线, 将这个曲线输入到PLC内部进行处理, 通过位移传感器测量出实际位移值, 理想值和实际值经过PID控制处理, 得出的输出值传给A/D模块, 进而控制比例流量阀的开口大小, 控制轴向油缸的精确位移, 两轴向油缸按照初始设定的位移时间曲线进行进给, 最终达到同步精确控制。
额定工作载荷下, 立柱与轴向油缸处的最大变形为0.25mm (技术要求不大于0.8mm) , 侧缸中心线°/m (技术要求不大于0.05°/m) 。机身采用组合预紧式框架结构合理可行, 结构刚性满足成形工艺要求。
采用比例流量泵+比例流量阀的液压系统和“同等方式”的控制方案, 两轴向油缸同步精度能控制在0.3mm之内, 同时运用PID控制, 能保证其定位精度在0.2mm之内, 充分满足工艺要求的0.5mm之内的技术要求。
①两轴向油缸“同步精度”的实现, 对内高压成形机的进步具有重大意义, 合理控制加载路径, 避免产品出现起皱、破裂等失效现象。
②机身采用组合预紧式框架结构, 结构刚性好;两轴向油缸分别采用独立的液压动力源和控制集成块, 可把油缸之间的相互作用减到最少;控制系统采用“同等方式”的PID控制, 调整时间短, 系统的动态性能稳定, 便于实现高同步精度要求。
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采用外径161 mm、壁厚1.5 mm的不锈钢激光焊管进行了补偿器接头的内高压成形实验研究,对成形后零件进行了测量,分析了内凹缺陷产生的.原因,重点研究了轴向进给量对成形质量的影响.研究表明:轴向进给量小,圆角成形困难,成形区壁厚减薄量大;轴向进给量大,有利于成形圆角,成形区壁厚减薄量小,但轴向进给量过大,容易形成内凹现象.当轴向进给量在21.5～22.8 mm间,能够获得外形尺寸与最小壁厚均满足设计要求的零件.
（广西梧州市红十字会医院普外一科广西梧州543002)【摘要】目的：分析带蒂包皮内板1期行尿道成形术的治疗疗效，为临床应用该治疗方法有效减少并发症寻求方法，提供经验借鉴。方法：结合我院52例尿道下裂行带蒂包皮内板1期尿道成形术患者的资料，运用回顾分析法及调查分析法，分析应用带蒂包皮内板，正位尿道口成形术的临床疗效。结果 通过对52例病例资料的回顾和随访，我们发现尿道下裂患者采取带蒂包皮内板1期尿道成形术的治疗疗效显著，手术治愈率可达到82.7%（43／52）。随访中发现，术后12例发现原尿道吻合处有尿瘘，占77.3%；合并尿道狭窄2例，占3.85%；轻度感染1例。结论 带蒂包皮内板1期尿道成行术应用到治疗阴茎干型和阴茎阴囊等尿道下裂的疾病中，成功率高且并发症少。外观满意。现将具体情况汇报如下。【关键词】带蒂包皮内板；阴茎阴囊；尿道成形术；尿道狭窄；尿瘘【中国分类号】R695 【文献标识码】A【文章编号】1004-5511（2012）04-0480-01 尿道下裂是泌尿系统畸形疾病，多发人群为婴儿和儿童，目前治疗该病的方法很多，但尚无一种手术方法得到公认。带蒂包皮内板尿道1期成形术应用到治疗尿道下裂疾病中，手术要求1期完成阴茎下弯和尿道口的矫正和成形。我院2007年2月到2011年6月采用的带蒂包皮内板1期尿道成形术应用到修复尿道下裂的疾病中，获得满意效果，患者术后阴茎外观基本正常，带蒂皮管血流畅通，新尿道无挛缩，并发症少。为达到患者满意疗效，术前的手术准备和心理辅导，支架管的固定，术后尿道分泌物和积血的清洗都能提高手术成功率，笔者现将手术体会简述。1.资料与方法1.1临床资料:本组患者共52例，年龄3—16岁，平均年龄为9.5岁。
3岁，14例，3—10岁，25例，10—16岁，13例。52例患者中阴茎体型有37例，其余为阴茎阴囊型。手术后，出现尿瘘有12例，其中阴茎体型有7例，阴茎阴囊型有5例。尿道狭窄9例，其中合并尿瘘２例。所有患者均有不同程度阴茎弯曲。1.2手术方法:术前对患者进行全身麻醉加骶管麻醉，采取平卧位［1］。手术步骤：1）阴茎伸直 阴茎伸直的目的是矫正阴茎下曲畸形。在距离阴茎冠状沟0.5cm处作环形切口，切口正中阴茎腹侧，直达白膜表面处。于阴茎筋膜与白膜间向阴茎根部剥离直至阴茎完全脱套，切除阴茎腹侧纤维索带使阴茎完全伸直。为保证阴茎下弯得到充分矫正，可行阴茎背侧白膜折叠术，还可将原尿道口分离至尿道海绵体处，分割成斜行，以备吻合充分［2］。2）内板皮瓣的裁取及转移 阴茎伸直矫正后，测量矫正后尿道口于阴茎头之间的距离，测量尿道缺少长度，选择略微长于缺少长度至包皮内板的带蒂包皮，宽度约为1.5cm左右，于内板四角处分别作丝线牵引，形成矩形，切开包皮外板及筋膜的疏松面，切取时注意保留蒂部血流的畅通，避免皮下组织的损伤，皮管转移至阴茎腹侧无张力时为蒂的合适长度，将皮管内放置f8或f10的硅胶导尿管，用6-0可吸收线缝合，其中一端边缘当作带蒂皮管，最后转移至腹侧。3）新尿道成形 彻底切除白膜表面的纤维组织，将转移至腹侧皮管的缝合缘贴近白膜，于冠状沟下作隧道至龟头顶端出口，并将皮管自隧道引出龟头，皮管边缘稍外翻与龟头用6-0可吸收线缝合固定，另一端皮管与尿道斜形吻合，以防吻合口狭窄。硅胶导尿管作新尿道支架及引流尿液的作用，不做膀胱造瘘。修整阴茎皮肤并缝合成形新的阴茎皮肤外形。4）术后处理 用适度的美皮贴包绕阴茎，外加杀菌纱布包缠,再用弹力绷带加压包裹，垂直固定阴茎。常规应用抗生素以防止感染，每天挤压尿道分泌物并吸干净。年龄超过10岁的患者应用雌激素。术后注意保持尿管通畅，第７天拆除弹力绷带及纱布，第1４天拔除尿管并让患者排尿，观察尿线例修复手术成功，术后发生尿瘘有12例，发生率为23%，其中２例在2个月后自行得到好转，恢复正常，另外10例在术后１年经过2期尿瘘修补术，获痊愈。发生尿道狭窄有９例，合并冠状沟处发生有轻微瘘口２例，发生率为3.85%，经尿道扩张处理得到好转，恢复正常，合并尿瘘者1年后手术修补。轻度感染1例，发生率为1.9%，经抗感染处理之后恢复正常。本组手术成功率为77.3%，经过数据的统计、分析，52例患者手术前后平均住院时间为18.3天，患者术后阴茎勃起正常，无弯曲，阴茎外观正常，尿道开口位于阴茎龟头顶端，排尿正常，未发现明显术后并发症。3.讨论 目前，临床上治疗尿道下裂的外科术式纷繁复杂，各种不同术式的最终目的即矫正阴茎弯曲，修补部分缺损尿道。患者除了要求以上手术疗效外，还对尿道口的位置、阴茎外观等方面要求较高，正确恰当的手术方法能使患者阴茎勃起正常，保证尿道口正中阴茎头中央部分，阴茎外观上无瘢痕、无赘皮，患者术后生活正常［3］。结果显示，带蒂包皮内板1其尿道成形术的治疗效果显著，患者对疗效较为满意。结合手术体会和多年临床经验，笔者将带蒂包皮内板1期尿道成形术的优点分析如下：一般而言，尿道下裂患者阴茎背侧包皮多呈围裙状，包皮内板具有高弹性、无毛囊的特点，它的组织柔软，因为靠近尿道，所以取材简单，是较为理想的尿道成形材料。内板皮瓣具有血运丰富、抗尿液侵蚀强等优点，可为包皮提供良好的血供。本组52例患者成功率高达82.7%，提示了带蒂包皮内板1期尿道成形术为治疗尿道下裂较为理想的手术方式，传统医学上将尿道下裂分为阴茎阴囊型、会阴型、阴茎体型等，还有以尿道口的位置进行分型的，本组患者全部属于阴茎干型和阴茎阴囊的尿道下裂，因此手术疗效也仅指这两种类型阴道下裂。尿道下裂的相关手术失败率往往较高，并发症发生率也较高，本课题中带蒂包皮内板1期尿道成形术正位出口，符合患者对正常生理位置的要求。但是我们看到，手术后仍然有发生尿瘘和尿道狭窄以及尿道感染的情况，总结经验，笔者认为将该手术的各项注意事项分析如下：1）为了确保患者在1期完成阴茎的矫正和尿道成形，条件允许的情况下，建议可以做常规的人工勃起试验。2）切除造成弯曲的阴茎腹侧纤维组织时，要注意保持切缘时血供充足，缝合皮肤时要尽量减少局部组织反应。3）内板皮瓣的转移和裁取要符合阴茎长度和宽度，符合阴茎血运特点，带蒂包皮要保证血运，厚度适中，避免造成阴茎臃肿或主干血管的损伤。皮瓣反转成90°无张力时为最佳长度，翻转时要注意蒂部受压或被扭曲，避免皮瓣缺血坏死。4）尿道狭窄亦为常见的并发症，为减少此种现象的发生，在手术中，要仔细切除阴茎头和海绵体白膜的间隙部分，阴茎头外口的宽度要比平时尿道口高出一倍以上，保证足够宽度。本组2例发生尿道狭窄的患者，究其原因，手术过程中阴茎皮下隧道组织切除不完全是主要原因，对于此，有同行学者认为，尿道扩张后的3周后置管可有效预防尿道狭窄的现象发生。5）本组有6例发生尿瘘，是造成手术失败的主要原因，尿瘘是该手术常见的并发症，造成其发生的主要原因是缝合后皮瓣张力过紧、过大造成的，切口感染、血供不充足也是其发生的重要原因，对此，笔者认为带蒂内板在翻转时一定要紧贴海绵体白膜［4］。外生殖器发育不良患者在行带蒂包皮内板1期尿道成形术时，包皮内板展开后只有2-4cm左右长的皮管，易因包皮的长度不够给手术带来困难。此时，可待年龄稍大，也可先予hcg治疗后再行手术。最后，为使患者得到较为满意的可靠疗效，还要注重手术前后的护理工作，术前要对患者做好心理指导，清洗阴茎和阴囊，术前最好清洁灌肠一次。术后必须固定好阴茎，预防尿管打折堵塞，导致过早排尿而影响皮管伤口的愈合。目前，随着手术微创技术的发展，使手术过程更精细，对皮管血管蒂的损伤减少，加之所使用材料对人体排斥反应减少，使手术的成功率得到更大的提高。参考文献［1］梁淑萍,韩伟,何芨,赵洪英. 高压氧治疗尿道成形术后创口不愈合一例［j］. 中华航海医学与高气压医学杂志. 2004(03)［2］于平,高沛,王颖,宇力,刘子权. 小儿带蒂包皮内板一期尿道成形术的护理［j］. 沈阳部隊医药. 1994(04) ［3］易传勋,冯晓玲,孙家明,李小丹,彭冲,王玉荣. 男性假两性畸形重度尿道下裂整复的一种新方法［a］. 中华医学会整形外科学分会第十一次全国会议、中国人民解放军整形外科学专业委员会学术交流会、中国中西医结合学会医学美容专业委员会全国会议论文集［c］. 2011［4］ 陈连斌,王建,张贵仁,公洪伟. 先天性尿道下裂带蒂包皮内板一期尿道成形术35例治疗体会［j］. 临沂医学专科学校学报. 2005(05)
近年来，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：一方面是提高燃气的热效率，减少废气排放;另一方面是减轻汽车自身重量，提高行驶速度，降低能耗。这两方面要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[1]。
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[2]。
(1)成形压力高，工业生产压力一般达到400MPa，有时达到1000MPa;
(2)内压与轴向位移按给定加载路径实现计算机控制，200MPa～400MPa超高压力控制精度达到0.2MPa～0.5MPa，位移控制精度达到0.05mm;
(3)内高压成形可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的复杂结构件，零件精度高，主要用于汽车等机器零件的制造。而从力学角度来讲，两种工艺的不同之处还在于：由于轴向压力的存在使变形区金属的应力状态由两向受拉变为一拉一压，那么在壁厚不减薄或减薄很小的情况下，可以通过轴向补料达到增加表面积的目的。
管材内高压成形工艺原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形。其基本工艺过程为：首先将管坯放在下模内，然后闭合上模，将管的两端用水平冲头密封，冲头内有液体通道，液体不断流入管坯。在加压胀形的过程中，两端冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴力的共同作用下使管坯贴靠模具最终成形为所需的工件[3]。
根据成形件的几何形状特征和内高压成形时模具分模面的类型，可以将内高压成形分为两大类[4]：即直长轴类零件成形(包括带枝管的直长轴类与轴对称类零件);中心线为曲线的非对称复杂零件成形。
管材内高压成形工艺的主要优点是：节省材料，减轻重量;减少模具和零件数量，降低模具费用;提高强度与刚度;降低生产成本。而其工艺方面的问题和不足是：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。
在上世纪60年代，液压胀管已用于生产三通管和形状简单的管路配件，但零件精度不高，成形压力小于30MPa。直到20世纪80年代，世界范围内产业竞争日趋激烈，尤其是汽车行业在激烈的市场竞争中对制造成本、加工方法不断提出新要求，在这样的背景下内高压成形工艺才开始为产业界所关注，并在德国、美国等产业大国的实际生产中开始得以广泛应用。图1、图2是德国某汽车公司生产汽车排气管件[5]。
目前，世界范围内内高压成形工艺的研究与发展还很不平衡，在欧美发达国家，内高压成形工艺发展得比较成熟，已经进入了生产阶段。其中以德国的研究最为深入，德国的Paderborn大学是最早对内高压成形技术进行系统研究的。F.Dohmann教授在内高压成形过程影响因素、失效形式以及有限元模拟方面做了大量工作，系统阐述了内高压成形过程及其过程参数控制的基本原理，用实例说明了零件形状、模具结构设计、成形过程方案确定及实验结果之间的相互关系[6]。
美国的研究也比较深入，俄亥俄州立大学的工程研究中心设有专门的部门，研究内高压成形工艺方向，并与企业合作成立了内高压成形工艺研究协会，向会员定期提供内高压成形工艺方面的技术资料及最新发展动态信息，并实时举办专门的液压成形技术会议。俄亥俄州立大学T.Altan教授等[7]人利用有限元模拟方法确定了不同管状结构件液压成形的最佳加载路径，并用实验验证了用有限元法得出的加载路径不仅能够减少实验量和实验中的误差，且能够明显提高生产率，增加了液压成形复杂管件工艺可能性。密歇根州迪尔伯恩大学G.T.Kridli等人对无缝钢管在方形模具型腔中的液压成形进行了研究，讨论了应变硬化指数、管坯原始壁厚、模具填充处圆角半径以及管材壁厚分布对成形的影响[8]。
瑞典沃尔沃汽车零部件公司工程研究中心的N.Asnafi等[9]人在板材、管材液压成形上作了许多研究工作。重点从理论上分析了不锈钢厚板在V型模具弯曲过程中起皱及开裂的产生机理，并在实验上得到了很好的验证;从实验和理论两个方向上讨论了铝板拉伸时的破裂极限、成形法兰时的起皱极限。同时通过理论分析模型探讨了管材液压成形时的成形极限、不同材料和工艺参数对加载路径和成形结果的影响等一系列问题。
韩国也在液压成形方面做了一些研究，Kyungpook国际大学金英锡等[10]人从理论上分析了加载路径、材料参数(如应变硬化指数n、各向异性指数r)对成形结果的影响，并将理论成形极限与实验结果进行了比较。
国内在此领域的研究有燕山大学王连东等[11]人研究了复杂形状管类件汽车桥壳液压成形过程中的关键性技术问题纬向小圆角成形机理，确定了液压成形力参量的匹配原则，对0.75t轻型车液压胀形桥壳进行了实验研究，解决了液压成形汽车桥壳的关键性技术问题。
北京科技大学苏岚等[12]人应用动态显示有限元法，建立了T型管液压成形分析模型，对不同加载路径条件下模拟结果进行了对比分析，探讨了最佳载荷曲线确立原则。清华大学雷丽萍等[13]人对汽车副架液压胀形预成形工艺设计进行了数值模拟研究，应用HydroFORM-3D软件与Oyane延性断裂准则相结合的数值模拟方法，确定了适合预成形工艺条件的管材初始尺寸[27]。吉林大学韩英淳教授[14]结合典型汽车零部件的液压成形，指出到近期我国生产的轿车中，车架和车身构件将会超过30%左右的液压成形产品。
哈尔滨工业大学王仲仁教授从20世纪80年代起就致力于壳体液压成形的研究，他的无模液压胀球技术获得了尤里卡金奖。苑世剑教授在美国留学期间，就内高压成形工艺的有限元分析方面作过深入研究。目前两位教授依托传统的技术优势，在原液压成形研究的基础上成立了专门的液力成形工程研究中心。在实验设备方面，自行设计开发了内高压成形机;在理论研究方面，利用板壳理论对管坯弹塑性屈曲问题开展了一系列深入探讨;在工艺分类方面，根据模具动作方式对内高压成形工艺进行了分类，为模具的设计与加工提供了有益的指导;在数值模拟方面，利用有限元分析软件LS-DYNA3D，分析了不同参数对成形过程的影响，给出了不同工艺参数条件下工件的成形过程、材料流动特点、应力应变及壁厚分布规律，与实验结果基本一致，为实验研究提供了许多重要的信息;在实验研究方面，完成了航空、汽车等领域多种零件的工艺探索及样件制造，某些零件已实现了产业化[15]。
管材内部充入高压液体, 使其作用在管材内表面, 同时在轴向力的辅助下进行补料, 使管材外壁充分贴覆到模具型腔。管材内高压成形工艺 (见图1) 主要由以下步骤组成:将管坯放入模具型腔, 模具闭合;对管材两端用密封冲头密封, 将高压液体通过冲头进入管材内部, 在高压液体的作用下管材外壁逐步接近并贴覆型腔;待管坯外壁大部分贴覆模具后, 增大液体压力, 使其圆角等局部难以成形的部位充分贴覆型腔, 最后获得需要的零件。
管件内高压成形过程中由于材料、模具、工艺条件不合理等因素, 常会导致成形过程中出现起皱、破裂、屈曲等缺陷 (见图2) 。
(1) 起皱主要是因为内压力不足、轴向进给量过大而引起的。起皱的数量、高度与加载路径、管坯几何尺寸等有关。起皱分为有益起皱和有害起皱两种。有害起皱将形成死皱, 在后序中无法消除, 但是有些合理几何形状的起皱, 即有益起皱是必要的, 因为这些起皱在内高压成形过程中有利于零件的成形。
(2) 破裂因内部压力过高、轴向进给量不足, 或二者的匹配不合理, 使管壁迅速变薄产生局部变薄以至破裂的现象。为避免破裂, 应该使管壁在发生缩颈前贴覆模具。
(3) 屈曲在成形过程初始阶段, 轴向载荷高、内压力低, 模具中的管坯自由段长、导向段短而引起管坯的整体弯曲。它可以通过合理选择管坯长度, 选择合适的预成形工艺, 调节成形过程中的参数来避免。
建立一条内高压生产线, 需要具备数控弯管机、预成形设备、数控液压机、切管设备等, 最基本的设备是数控液压机。数控液压机主要由合模机构、水平轴向进给液压缸、高压源、计算机控制系统、水压系统等组成。其中合模机构主要是提供开合模具的作用;轴向进给液压缸的主要作用是对管端进行密封, 并且可以提供给料力。由于普通的液压泵最多能够提供50MPa的压力, 而内高压成形过程中需要的压力往往能够达到300~400M P a, 因此在管件胀形过程中需要配置增压机构来提供胀形高压。另外液压机还配有水压系统在胀形时提供胀形液体, 并对其进行回收和过滤。成形过程中的各类参数, 如成形过程中的内压和轴向进给的路径匹配则通过计算机控制系统控制并且能够预先设定。
为进一步提高单件生产率, 降低生产时间, 国外有些公司制造了短行程液压机, 如图3所示。除了具有典型液压机的配置外, 该机床开合模机构采用单独的上液压缸, 能够完成模具快速开合模。两侧的定位缸则通过定位机构在滑块和上部横梁之间起到定位作用。通过底部两个液压缸提供闭合压力, 并且仅仅胀形时造成机身, 模具变形形成间隙, 因此其行程非常小, 生产率较高。
国际上能够提供内高压成形成套技术与设备的制造商多数集中在欧洲, 如德国舒勒公司、SPS公司;另外日本的AP&T和TOYOT A&NIPPON STEEL等公司也研发了系列内高压成形液压机, 并研发了一种机械锁模结构, 很适合大长度、大体积的零件生产。我国一汽集团技术中心也研发了一种适合批量生产的数控液压机, 已经申请专利。哈尔滨工业大学开发了最大压力可达400M Pa的数控液压机, 并且可以配备不同规格的水平液压缸, 已用于工业生产。图4为国外的数控液压机床和数控弯曲机床。
对于轴线具有空间几何形状的零件, 在内高压成形之前, 需要进行预弯曲。另外, 对于截面形状复杂的零件, 管坯弯曲后需要进行预成形工艺, 即将弯曲后的管坯截面变成有利于内高压成形的形状。这样可以预先配置管材材料分布, 有利于内高压成形工序。另外, 在预弯曲和预成形后, 材料内部会存留残余应力, 导致成形工序中材料变形不均匀, 甚至在成形过程中发生破裂。因此, 在管坯预弯曲和预成形时要注意保证管坯材料厚度均匀。为减少残余应力, 可以增加热处理工序 (如退火) 来消除内部残余应力。
管件内高压成形模具 (见图5) 主要结构有上模板、下模板以及起密封冲头和轴向给料机构。管内高压液体起到凸模的作用。模具的作用是提供封闭的凹模型腔, 对膨胀后的管材外壁进行约束, 使其在高压液体的作用下充分贴覆模具型腔。液压成形设备一般拥有两个方向以上的液压缸。模具的组成结构可以有三个方向的运动, 一些科研单位针对枝形零件研发了可以进行模块运动的模具, 通过模块的运动和管材内部高压液体的共同作用来完成管材的成形。通过模具模块的运动来提高零件成形质量是内高压成形工艺中较为关键的问题。另外, 模具通常采用镶块式结构, 可以根据模具各部位耐磨性、强度、工作条件的不同采用不同的材料和工艺进行加工, 这样既提高了模具结构的可加工性, 又提高了模具结构的维修性能, 满足了经济性能要求。模具常用的材料主要有45钢和其他性能优良的合金模具钢。生产中应该根据产量的大小、工作状况等因素选择合理的模具材料。
内高压成形过程中, 管壁外侧在内部高压液体的压力下会紧紧贴在送料导向型面上, 导致管壁的摩擦增大, 影响到轴向补料。管材在逐步贴近模具型腔的过程中与型腔的接触摩擦也会增大, 导致管材局部过度变薄。另外, 由于模具导向区表面质量不好, 对零件表面产生伤害, 影响零件的表面质量。因此, 在设计模具的时候应该考虑导向区和型腔的减摩擦技术, 采用合适的润滑方式, 减少摩擦, 为轴向补料和局部成形提供良好的条件。
内高压成形技术对管材的性能要求很高, 要求管材成形后能够满足其使用性能要求。因此, 对管材的性能指标如屈服强度、伸长率、材料硬化指数等要求较高。在汽车工业上用于内高压成形的材料主要为低碳钢、不锈钢和轻合金等, 如低碳钢 (1010、1008) , 铝合金 (5019-O、5754-O、6060-T4、6063-T4、6082-T4) , 他们主要用于车体部件。不锈钢管304、309等主要用于排气系统, 它们抗拉强度约为300~450MPa。另外相关部门试图采用D P钢 (双相钢) 和T R I P钢 (相变诱生塑性钢) 进行内高压成形, 与传统的管材不同的是这两类管材抗拉强度达到1000MPa, 但是延伸率却降低了10%左右。成形难度增加, 容易开裂。因此对于D P钢和TRIP钢的利用需要对其制造工艺进行研究, 以进一步提高塑性。
对于内高压成形用钢管, 膨胀率较小的零件, 通过内高压成形的方式较容易获得, 成形后管材壁厚变薄较小, 不会影响到零件的使用性能。但是, 成形率过高的零件, 在成形过程中会导致管材局部过度变薄, 以致影响到了零件的使用性能, 通过轴向补料的方式也很难弥补。因此, 一些研究部门开始对内高压成形用钢管制造进行了专门的研究, 采用沿轴线方向具有不同壁厚的异壁厚管材进行内高压成形, 旨在保证能够得到管壁均匀的零件。在对异壁厚管的成形进行了大量有限元模拟和试验对照的基础上, 指出采用异壁厚管能够提高管材的成形性能, 提高零件的质量, 并且指出这种通过增加管坯的局部厚度的方式, 并不会使零件的重量增加, 采用异壁厚管为解决管材内高压成形局部变薄的问题提供了新的思路。图6为模拟与实案对比。
利用内高压成形技术进行生产, 首先应当考虑使用怎样的材料制造产品, 同时在该种材料的情况下, 具有工艺可行性, 并且能够满足其汽车的行驶要求。
在制造工业中,相当一部分中空类管形件依靠铸造或锻压方式加工[1]。虽然铸造成本低,但由于毛坯中存在大量的气孔、缩孔及杂质,导致成品率较低。而且铸造工艺劳动强度大,工人工作环境恶劣,对环境污染严重;锻造从根本上消除了铸造工艺的缺陷,且成形件精度有所提高,对中空类零件而言,首先要锻造出零件的毛坯,然后通过相应的机加工工序完成零件所需求的外形尺寸和精度,相对而言,成本要高出许多。
在这种背景下,同时也得益于高压系统、计算机控制技术及密封技术的发展,内高压成形工艺作为一种整体成形薄壁结构件的塑性加工方法,最近几十年在德国、美国、日本及韩国的汽车制造业、航空航天业及卫生洁具业中得到了广泛的应用[3~12]。该项工艺的英文名称为Internal High Pressure Forming(IHPF),由于内高压成形工艺的初始坯料一般多为管材,该项工艺也常被称为Tube Hydroforming(THF)。
管坯内高压成形技术通常是用管坯作为原材料,通过施加液体内压力、轴向施加喂入量,使其在给定模具型腔内发生塑性变形,管壁与模具内表面贴合,从而得到所需形状的零件[2],如图1所示。其具体工艺过程为:将管坯放入下模腔内,上模按设定的速度向下移动,与下模形成模腔;然后管坯两端的侧缸在液压力的作用下压入而将管坯腔密封,液体介质不断通过侧缸冲头内的液体通道流入管坯腔;通过液压阀控制液体压力不断增大,配合冲头向内推动管件,管壁变形并逐渐贴模,最终得到所需形状的零件。当零件轴线不是直线、零件局部最小截面小于管坯截面时,需进行预弯曲、预冲压等预成形工艺,以便管坯能放入模具中,并使管坯接近零件形状,再充液成形。
内高压技术成形一个产品,一般完整的工艺路线]:管坯下料预弯机加工端部清洗喷涂润滑剂预成形液压成形后续加工(如激光切割、焊接、热处理、清洗、喷漆等)。
典型的内高压成形管坯长度为1-3m,直径为20-150mm。适用于内高压成形技术的材料包括碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、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。采用的管坯有无缝钢管、焊接钢管、异形截面的挤压型管等。碳钢所成形的零件特点是壁厚较厚,成形前大都需要预成形。不锈钢主要用于一些要求具有一定强度与防腐性能的管道,在汽车中的应用没有碳钢广泛。
部分复杂的零件再内高压成形前,将管坯弯曲成最终成形产品的大致形状,为内高压成形过程做准备。
3)模具的制备。模具应根据预成形件设计和处理,将预弯曲件放置在成形模具腔内,预弯曲件在模具腔内最终成形。
在侧缸冲头加压的同时,在管坯内部注入高压流体。在管坯内部的压力及轴向压力的共同作用下,管坯所受的力超出了管坯的屈服极限而导致管坯的弯曲变形,材料开始进入模具型腔及模具圆角处,但由于内压力不足,往往这阶段成形件不能很好地贴模。在该阶段,由于管坯和模具型腔之间的摩擦力较小,金属材料可以持续流动到模具腔内,确保壁厚一致性和尺寸的精确性。
第一阶段完成后,提高液体压力进行校正成形,使管坯充分贴模,从而得到外形合乎要求的零件。步骤4)和步骤5)也可以经一次加压完成。在零件成形后还可以借助模具内部的辅助油缸完成液压冲孔,开槽等后续加工工序。
液体介质卸载,左右两侧轴向活塞回程,液压机滑块上行,回收液体介质,取出成形后的零件。
管坯内高压成形件的最终质量取决于管坯初始尺寸、管坯材料参数及成形过程中的工艺参数[4]。初始尺寸主要包括管坯的长度L0、管坯的外径d0、管坯的壁厚t0等;管坯的材料参数主要包括加工硬化指数n、硬化系数K、屈服极限s及拉伸极限b等;工艺参数主要包括成形过程中管坯和模具内表面的摩擦系数、轴向喂入量S及内压力Pi等。另外,成形过程中模具的尺寸和精度也对成形过程有影响。对不同结构的零件而言,这些参数的影响也不同。在制定某一零件的成形工艺之前,有必要搞清楚这些影响因素在成形过程所起的作用,分清主次,从而确定合理的工艺措施。
管坯初始长度过大,在成形过程中管坯与模具型腔内表面的摩擦力加大,导致所需的轴向压力加大,而且如果管坯的长度和直径比值超过一定值时,会导致成形过程中的整体屈曲。所以选择合适的管坯长度对成形件的质量及成形过程中能耗降低有重要意义。
同一材料不同厚度的管坯在相同内高压成形条件下成形性能也是不同的。当管壁太薄时,容易使局部的单元超出破裂极限,成形失效。但如果管壁太厚,由公式可知,管壁越厚,所需的成形压力越大[5]。因此,选择合适的管坯壁厚,也是成形成功与否的重要因素。
一般选择该成形件各截面最小直径作为管坯的外径,以保证成形中管坯能顺利地放入模具型腔内。但如果零件结构复杂,且截面直径差距较大,则需要考虑采用较大管径的材料进行预弯成形,以便抑制内高压成形过程中管坯最大鼓胀部分的过度减薄甚至破裂。
材料性能参数包括屈服极限、拉伸极限、加工硬化指数及硬化系数等。其中,加工硬化指数及硬化系数在流动应力方程中体现,该方程可用幂次式近似表示为,材料的应力应变流动方程往往由单向拉伸获得[6]。
在内高压成形工艺当中,加工硬化指数n反映了变形应变均化能力,对成形性能的影响是明显的。n值越大,材料的成形性能越好。随着n值的增大,在成形极限图中,单元在安全区域的数量越多,这说明成形性能越好。在内高压成形过程中,为了使成形性能良好,应该选择加工硬化指数大的材料为佳。同时,获得能准确反映材料流动特性曲线的应力应变方程也是理论分析的基础。
摩擦力对内高压成形过程有着至关重要的影响[7]。管坯与成型模腔有较大面积接触,且随内压力的加大,管坯与模腔之间的压力越来越大,使管坯两端材料很难流入。这样不但使中间胀形部分变薄、易胀裂、废品率高,而且需要两端的轴向力更大,即需要更高吨位的压力机才能进行胀形,增加了生产成本。
减小摩擦力改善润滑环境不仅可以提高产品质量,降低成形时所需的轴向力,还可以降低模具的磨损,延长模具使用寿命。为减小摩擦,管坯外表面及成型模腔要尽可能光滑,应在管坯和模腔之间添加合适的润滑剂。
当实际生产中轴向推力大小变化不容易控制时,为了方便实际生产,可以选择液压力和轴向进给量作为内高压成形过程中的控制变量。如果内压力增加太快,而轴向喂入不能及时跟进,则鼓胀部分主要是由进入模具型腔内的材料延伸得到,材料易出现减薄甚至破裂,导致成形失败;相反,如果喂入量大而内压力比较低时,容易造成材料在模具型腔内的堆积,形成死皱。因此,管材内高压成形过程中内压力与轴向进给的匹配,对成形质量起着决定性的作用,如果匹配不合理可能引起破裂、起皱等失稳缺陷[7]。
近年来,虽然世界各国和地区的企业、研究所及大学实验室对内高压成形工艺的探索和研究促使该项技术发展迅速,成为大批量生产各种管类零件的重要方法,但与传统的冲压技术相比,内高压成形工艺还是一个比较新的技术。该工艺所涉及的每个方面都需要更深入、更细致的研究,成形过程中还存在一些关键的技术问题有待于突破。从本文的分析中可以看出,对不同的成形件而言,有的因素对成形件的最终质量影响很大,而有的因素可以忽略不计,因此识别出显著影响因素,并在设计过程加以重点考虑是成形的关键步骤;在成形过程中,内压和轴向喂入量之间如何匹配,以保证成形过程中管坯既不过度减薄甚至胀裂,也不会产生屈曲失稳、起皱,从而提高成形极限,是成形工艺主要考虑的问题;同样在成形过程中,可行的失效判别准则如何和有限元模拟结合起来在生产中合理的用运,也是必不可少的。
[4]李洪洋,刘海军,吕海源,等.管材内高压成形国内研究进展及发展趋势[J].中国机械工程,2006,(S1):54-59.
随着汽车工业的发展，汽车产量和保有量逐步增加给社会带来了3大问题———油耗、安全、环保。研究表明，若整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；因此，汽车轻量化是降低油耗的有效解决途径，并已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题[1]。汽车轻量化除了采用轻质材料如铝合金、镁合金、钛合金和复合材料外，另一主要途径是在结构上采用“以空代实”，即对承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构取代实心结构，从而充分利用材料的强度和刚度的同时又能减轻重量，节约材料。内高压成形技术正是这种加工空心构件的先进工艺方法，适合制造空心变截面轻量化构件。内高压成形技术适用于制造汽车、航空、航天和管道等行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形或异形截面空心构件[2]，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%）和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。
发达国家中美国克莱斯勒(Chrysler)，德国奔驰（Benz）等汽车的排气系统均采用内高压成形的排气管件。德国的DaimlerChrysler AG汉堡（Hamburg）工厂1994年开始双层间隙排气歧管的内高压成形的研究工作，并于1995年开始正式投入生产，到1999年止，已采用此技术生产大约350万件排气管件。美国克莱斯勒汽车公司首先用内高压成形技术生产了仪表盘支梁。美国的通用汽车公司制造了副车架、散热器支架、下梁和车顶托梁等空心轻体件。福特(Ford)公司在底盘零件、车身框架、排气系统管件等应用了内高压技术。
哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心系统地开展了内高压成形机理、工艺、模具及设备的相关研究。不仅研究了成形极限、应力应变分布等工艺基础理论，还解决了预成形设计和壁厚控制、超高压建立及实时控制、高压稳定密封等工艺与设备的关键技术。目前，已经应用于汽车底盘零件和排气管、铝合金管件等的实际生产。北京科技大学苏岚等对T型管的内高压成形过程进行有限元模拟研究，对轴向载荷的作用以及最佳加载路径的形式进行深入探讨[3]。
发动机凸轮轴传统制造工艺是采用圆钢棒料（或楔横轧坯料）车削出凸轮外形或铸造出凸轮轴外形，然后经粗磨和精磨加工出成品。近年来，随着发动机结构的改进，凸轮轴润滑方式由浸油润滑改为中心孔通油到轴颈润滑。在实心轴上钻削细长中心孔十分困难、时间长、成本高。对于铸造凸轮轴，由于铸造组织偏析，性能不均匀，使细长中心孔钻削更加困难，经常发生钻偏或钻头卡断。可见，凸轮轴的传统制造工艺既耗费大量材料又浪费机加工时间，效率低成本高。提出了预先锻造或铸造加工出凸轮，然后用钢管通过超高压胀接装配成整轴的新方法，从根本上克服了传统制造工艺的缺点。
上海大众引进的Passat B5轿车，其副车架首次釆用内高压成形技术。在引进初期，对同一个平台曾分别请两家公司设计出了两套方案：一套由Braunschweig公司设计，用钢板精冲后焊接的片状副车架方案；另一套由Benteler公司设计，用管材经内高压成形后焊接的管状副车架方案。经分析论证釆纳Benteler公司方案，主要原因是其制造工艺———内高压成形技术比精冲后焊接的技术含量高。从柱状图1可看出，管状副车架的生产具有人员少、场地小、材料利用率高和焊缝少的特点。焊缝少直接影响到焊接的热变形小，从而保证最终的装配精度。同时内高压一次成形复杂的加工表面，使管材经过均匀的连续塑变后冷作硬化，壁厚减薄程度一致，内、外表面连续、光滑地过渡，也能保证相当高的尺寸精度。空心的管材在变形过程中内部形成不间断的纤维组织，使整体的强度提高，结构强度的合理性增加。这一系列的优点正是内高压成形技术本身的突破性和先进性应用于副车架的生产时的体现。
图2为克莱斯勒300轿车仪表盘支架和底盘前桥的内高压成形件。仪表盘支架长度达1600mm，前桥管材直径则为76.3mm。这两个零件是首次采用中国研制的管材、工艺和设备、并通过实现国产化的批量生产得到的。
经内高压成形的铝制涡轮增压管，不仅重量轻，还可获得更高的强度及最佳流量特性。数个汽车零件可直接包括在内高压成形加工中，允许将较轻的基本结构件与复杂的和高应力功能元件结合在一起。
用内高压成形方法生产的零件经优化碰撞特性后重量更轻，刚性更强、更结实。就汽车车身而言，内高压成形方法主要用于车架的制造，如图3所示。
[1]林俊峰等.内高压成形技术在汽车工业中的应用.材料科学与工艺,2004,5.
[2]苑世剑,王忠仁.轻量化结构内高压成型技术.材料科学与工艺(增刊),1997,7.
在航空、航天和汽车工业等领域,减轻结构质量以节约运行中的能量是人们长期追求的目标,也是现代先进制造技术发展的趋势之一。结构轻量化有两条主要途径:一是材料途径,二是结构途径。内高压成形就是从结构途径实现结构轻量化的重要方法之一[1~2],它可以有效的减轻零件质量,节约材料,提高强度与刚度,减少零件和模具数量,从而降低生产成本[3~5],具有广阔的应用前景。
内高压成形技术始于20世纪80年代初,20世纪90年代初开始,德国汽车工业界率先实现了内高压成形的大批量工业化应用,之后在欧洲其他国家、北美、日、韩等国迅速得到推广[6~7]。德国Paderborn大学最早对内高压成形技术进行系统研究,F.Dohmann教授[8]在内高压成形过程影响因素、失效形式以及有限元模拟方面做了大量工作,系统阐述了内高压成形过程及其过程参数控制的基本原理。俄亥俄州立大学T.Altan教授等[9]人利用有限元模拟方法确定了不同管状结构件液压成形的最佳加载路径。Hwang等[10]对方截面管的成形过程进行了分析。国内,哈尔滨工业大学的苑世剑教授对几类零件(如圆形,T形管和Y形管等)的内高压成形机理进行了全面系统研究;林俊峰等[11]模拟了空心双拐曲轴;清华大学雷丽萍等[12]模拟了轿车副车架;黎俊初等[13]人对异型变径管内高压成形进行了有限元模拟。
由于方形、矩形截面或不规则截面管结构件在汽车工业领域有着良好的应用前景,近年来国内外学者作了大量的研究,在圆管、方形管、T形管和Y形管等的内高压成形方面研究颇多,但对不规则四边形管材的研究较少。本文选择不规则四边形管件为研究对象,对其内高压成形过程进行了三维数值模拟研究,系统分析了内压和轴向进给对成形件的成形形状、角充填情况及壁厚减薄的影响规律,并对破裂和起皱缺陷产生的原因进行了分析。
内高压成形技术是用管坯作为原料,通过对管腔内施加液体压力及轴向施加载荷作用,使其在给定模具型腔内发生塑性变形,管壁与模具内表面贴合,从而得到所需形状零件的成形技术。基本工艺过程是,首先将管坯放入下模,闭合模具,然后把管坯内部充满液体,并开始施压,在加压的同时管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料使管坯成形如图1所示。
因为60、75、105和120是四边形的典型角度。本文使用这些角度来建立不规则四边形,其有限元模型及模具截面如图2所示。管坯材料取不锈钢SS304,力学参数见表1所示。所用管坯尺寸:外径30mm,长度76mm,管壁厚1.0mm。模具总长度90mm,管材变形区长度50mm。
采用Dynaform有限元模拟软件和LS-DYNA求解器,管坯为BT壳单元,其他工具均为刚体单元。模拟中,假设管坯材料模型为各向同性弹塑体,符合Mises屈服准则,材料在成形过程中的硬化规律为=Kn,其中K=1426MPa,n=0.502。管坯与模具间的摩擦系数取0.1,成形时间为0.01s。
内高压成形过程中,影响因素比较多,如材料性能、摩擦、轴向进给和内压力等。其中轴向进给量与内压力的匹配关系称为加载路径,也是影响内高压成形性能的关键因素,它直接影响截面的形状、厚度分布和最终的成形尺寸。在内高压成形过程中,只有给出内压力与轴向进给的合理匹配关系,才能获得合格的零件。
经过分析,本文设计了如下方案,如表2所示。选择了在不同的轴向进给和不同内压情况下,来研究内压和轴向进给对不规则四边形构件的成形形状、角充填情况及壁厚减薄的影响规律。分析了内高压成形过程中破裂和起皱缺陷产生的原因。
在成形前管材和模具有四个接触点(N1、N2、N3和N4)。随着压力的增大,管材与模具接触部分越来越多,形成直角边。随着直角边长度的增加,材料的流动越来越困难,圆角区得不到补给,管材壁厚减薄就比较严重,且直边区与圆角区的过渡处壁厚减薄剧烈甚至开裂,因此,圆角的充填是反映内高压成形性能的一个关键问题。由图2可以看出,60角处管材的变形程度最大,也是最容易破裂的位置,所以,60角半径最能反映圆角的充填情况。由图1中的DH1和DH2反应了变形后管材的尺寸。为了简便,这里只分析DH1。所以,为了得到合理的成形形状,综合分析内压力和轴向进给互相匹配的结果,本文从60角半径,DH1和最小壁厚与内压和轴向进给的关系来表达内高压成形管材的成形情况。
通过有限元模拟,在无轴向进给时,通过分析管材内高压成形后的DH1、60角半径和最小壁厚与轴向进给的关系,研究内压对管材成形的影响规律,模拟分析结果如图3所示。
由图3中曲线的变化趋势可以看出,DH1的值随着内压的增大而增大,60角半径和最小壁厚随着内压的增大而减小。说明加大内压,管材的成形形状更贴近模具,角充填情况更好,但管材的最小厚度却越来越小,相应的减薄率随之增大,与有轴向进给相比,相同的内压下产生破裂的可能性就较大。
对于相同的轴向进给,不同的内压对管坯产生的变形量是不一样的,说明内压是管坯发生变形的主要因素。随着内压力的增加,管坯的变形量越来越大,管壁厚度明显减小。由于内压过大,引起环向应力远远大于轴向应力,达到了材料的变形极限而产生了破裂。当内压力过大而轴向力相对较小或者内压力迅速增大而轴向力增长缓慢时,中间内高压成形部分面积急剧加大,两端的材料不能及时的补给,造成中间部分厚度极度变薄,容易出现破裂现象。当取内压95MPa,无轴向进给时,成形结果如图4所示。原因是因为内压力过大而无轴向进给,会使中间内高压部分厚度过度减薄,从而导致了破裂的产生。
若内压不变,轴向进给改变,如表2所示,内压取值为80MPa。管材两端的进给量分别为0.2mm,4mm,6mm,8mm。
通过有限元模拟,在不同轴向进给情况下,管材内高压成形后的DH1、60角半径和最小壁厚与轴向进给的关系如图5所示。
由图5可以看出,在内压一定的情况下,随着轴向进给的加大,DH1和最小壁厚的值有所增大,60角半径的值有所减小。说明在单独增大轴向进给量的情况下,管材成形形状更贴近模具,角充填情况更好,壁厚减薄的情况得到减缓。轴向进给的加大使管材的成形极限加大,说明轴向进给是影响内高压成形的一个主要因素。
从管坯内高压成形的模拟过程来看,在管材内高压成形的低压成形阶段,如果轴向进给较小,对应管材的轴向收缩量也就比较少,那么在管材内高压成形过程中补给的材料也就不足,轴向力的补料作用不能发挥完全,管壁的减薄量就会很大,这时轴向的补料作用是很明显的。当管材进入高压成形阶段,由于管材和模具的贴合区域较大,产生了很大的摩擦,轴向进给的补料作用就不是很明显,管材只有通过自身厚度的减薄来达到胀大成形的目的,这时也是最容易发生破裂的阶段。所以需要在成形的初始阶段,在不产生起皱缺陷的情况下,尽量加大轴向力,以增加轴向补料作用。
当轴向进给量过大而内压力较小时,易产生起皱缺陷。图6所示,是取内压20MPa,轴向进给8mm时,管材因内压过小,轴向进给过大,产生了起皱。
由以上分析可以看出,内压和轴向进给都是影响内高压成形的主要因素。当内压力过大而轴向进给不足时,管材中间胀形部分厚度过度减薄,从而导致了破裂的产生。当轴向力过大而内压力较小或轴向力增长迅速而内压力增加缓慢时,易产生起皱缺陷。所以,要想得到合格的内高压成形管件,单纯的增大内压和轴向进给量是不行的,需要合理匹配内压和轴向进给的关系。适当减小内压力,同时增大轴向进给量,可以有效地防止破裂的发生。增大内压力和减小轴向进给量是防止和消除起皱的有效方法。但是内压力也不能无限制的增大,否则就会出现破裂,如图4所示。当取内压为80MPa,轴向进给量为4mm时,成形管材的DH1为41.08mm,60角半径为7.52mm,最小壁厚为0.82mm。此时管材不产生起皱和破裂等缺陷,管材成形性能较好,管材形状如图7所示。
本文对不规则四边形构件内高压成形进行了有限元模拟,分析了内压和轴向进给对其内高压成形的成形形状、角充填情况及壁厚减薄情况的影响规律。并对管材破裂和起皱缺陷产生的原因进行了分析,得出以下结论:
(1)在增大内压和轴向进给量的情况下,管材的变形量增大,DH1的值增大,60角半径的值减小,即管材形状就越接近模具形状,角充填情况也越好。当内压力过大而轴向进给不足时内高压成形管件的中间部分厚度过度减薄,易产生破裂缺陷。当轴向进给量过大而内压力较小时,易产生起皱缺陷。
管材液压成形是一种以液体介质代替模具传递力以实现金属塑性加工成形的方法,是利用管内液体产生的高压(工作压力通常为100 MPa～400 MPa,最高达1 000 MPa)使金属管坯变形成为具有三维形状零件的现代塑性加工技术,属于液力成形的范畴。
国际上能够提供管材液压成形成套技术与设备的制造商多数集中在欧洲,其中,以德国舒勒公司、SPS公司和瑞典AP&T公司为主要代表[1]。这些公司的成套液压成形设备价格昂贵,对于一般的实验研究而言,大大超出了实验经费的要求。哈尔滨工业大学是国内最早开展内高压成形技术研究和设备研制的单位,但是国内其他研究机构或高校在此方面的研究投入相对过少,主要是高压发生器、阀门管路配件等的自动化水平还较低。本文针对国内相关制造技术不足的现状,自行研制了成形超高压液压系统,开发数据测试采集及闭环控制系统。
管材液压成形又称内高压成形,是在传统液压胀形工艺的基础上发展起来的一种先进的现代塑性加工技术,是以无缝管件、焊接管件、异形截面的挤压型管为原料,通过专门的液压设备向管材内注入液体并逐渐增加管内液体的压力,同时在管材的两端施加轴向的载荷进行补料。在两种外力的共同作用下使管材在给定的型腔内发生塑性变形,最终管壁与模具型腔内壁贴合,得到形状与精度均符合技术要求的中空零件[2]。
如图1所示,管材液压成形的工艺过程可分为3个阶段[3]:①填充阶段,将管材放入下模内,然后闭合上模,锁模后向管材内充入液体直至填充满,并排除管内气体,同时将管的两端用水平冲头密封;②成形阶段,管材内充满液体并密封好后,通过增压缸的作用对管内液体加压,使管材逐渐胀形,同时两端冲头按照设定曲线向内推进补料,在内压和轴向补料的联合作用下使管材基本贴靠模具内壁,此时除过渡区圆角外的大部分区域已经成形;③整形阶段,继续提高成形压力使过渡区圆角完全贴模成形为所需的工件。
超高压液压系统是液压成形设备必不可少的重要组成部分,管材液压成形过程能否顺利进行并最终生产出合格的工件在很大程度上取决于液压系统的设计。本文设计的超高压液压系统主要用于管材液压成形的实验研究。系统采用了液压油和乳化液的双介质供油系统,其主要原因是:①在系统的高压端,成形过程中管材内的油液在密封不佳的情况下会有少许的泄漏,这样会对试验台造成污染;②用于实验的管材体积较小,所以填充到管材内的液体比较少,在实验结束后如果回收,净化过滤会比较繁琐;③超高压部分如果采用液压油,从长远的角度看,会大大提高实验成本,而乳化液作为水基溶液同样可以实现管材的胀形,并且其价格要比液压油低廉,所以在管材液压成形过程中采用了乳化液作为液体介质;④在系统的低压端,各种液压电磁阀需要黏度和纯度较高的液压油作为液体介质,这样既能使控制精度提高,又可以增加电磁阀的使用寿命。
双介质供油回路如图2所示,液压系统工作时的动作次序为:在两端冲头进给到接触管端口时,电磁换向阀2的左侧电磁铁3DT以及换向阀3左侧的电磁铁1DT通电,液压油进入充液缸5的低压端推动活塞进给。此时充液缸5的高压腔的乳化液在活塞杆的推动下流出,通过单向阀11之后一部分注入管材,另一部分进入超高压增压缸的高压腔,将其活塞杆推至底端,为后面超高压缸的工作作准备。当一次管材成形结束后,换向阀2的右侧电磁铁4DT通电,充液缸5的活塞在回程的时候单向阀9开启,乳化液从乳化液油箱8内被吸出到充液缸的高压腔,为下一次的管材成形做好准备。
在管材成形的过程中,随着管材在径向的膨胀,轴向也会有收缩。如果两端的冲头不能及时地跟进补料,一方面不能很好地密封住管材的两个端口,一旦造成泄漏,系统压力将无法达到预设值,从而会影响管材的成形质量;另一方面,管壁在胀形中会过度减薄,严重时管材在还没有完全贴模时就会胀破,影响成形的效果。所以为保证管材的成形质量和成形效率,所设计的液压系统必须能在管材胀形过程中及时地推动冲头进给补料。本设计采用压力检测的方法及时地反馈给系统进行补料,既保证了成形过程中对管材端口的密封,又防止了管材在胀形过程中过度减薄,保证了管材成形的质量。
水平缸进给系统如图3所示,在进行管材胀形实验时,当管材内充满乳化液后电磁换向阀3右侧电磁铁2DT通电,超高压增压缸6开始工作。随着管内乳化液压力的逐渐增大,管材开始胀形,管材的轴向收缩打破了管材端口处原有的受力平衡。本设计在超高压工作回路上设置了一条支路,通过溢流阀14、电磁换向阀13与分配液压缸15的A腔接通。当受力平衡被打破时,液压油通过支路进入A腔,此时两水平缸的活塞杆在液压油的推动下及时进给,直至在端口处建立新的受力平衡。两端冲头的及时进给既保证了对管材端口的密封,也及时地完成了补料,防止了管壁的过分减薄,保证了管材的成形质量。
1,4-溢流阀;2,3-三位四通电磁换向阀;5-乳化液充液缸;6-超高压增压缸;7-液压油油箱;8-乳化液油箱;9,11-单向阀;10-压力表
由于系统最高输出压力可达300 MPa,在超高压增压缸6工作时,为保证其他管路的安全以及其输出的乳化液完全进入到管内,在系统中必须设置单向阀,但是要承受最大可达300 MPa的油压,国内市场上销售的单向阀远远不能满足要求,而进口元件价格十分昂贵、采购周期长。因此本系统中所用的高压单向阀11以及各种管路等均为自行研制的可承受超高压的元件,可以大大降低了设备的制造成本。
本液压系统在设计时各换向阀电磁铁的开闭由支路中的继电器控制,在工控机中嵌入了PLC,通过编写程序控制各继电器的工作状态,既节省了电器开关,又实现了系统的自动化。另外在与管材连接的管路中安装有压力传感器,在管材成形时,压力传感器可以将检测到的管材内的压力实时地传输给工控机中的计算机,通过与提前设定的压力曲线比较,计算出误差,再经过PID控制器进行数值优化,由比例放大器反馈给系统,使系统能及时地自动调节压力,保证管材的压力能达到预期,顺利完成管材的胀形。控制系统原理见图4。
新研发的管材液压成形系统考虑到实验的环境和研究的可行性,采用独特的思路设计了双介质供油系统,在保证管材成形实验完成的同时,节约了实验成本。新研发的系统采用压力检测反馈的方法解决了对管材端口的密封问题。该系统结构紧凑、工作合理、成本低、自动化程度高,为国内管材液压成形的研究提供了良好的实验条件。
