圖1

　　圖1是一種典型的管件液壓成形系統的展示。

　　在這個系統中，必須考慮許多因素，從起始管的幾何形狀和材料性能到最終零件的質量（如厚度分布和尺寸精度）。

　　這些組件中的每一個都對流程的成功起著重要作用，每個組件都必須在流程開發階段進行處理。

　　因此，管材液壓成形技術的應用必須考慮以下因素：

　　1.管材與成形性

　　2.摩擦潤滑

　　3.預成形和預彎

　　4.設備

　　5.循環時間和生產率

　　本文討論了這些點，以及計算機輔助模擬在過程中如何輔助水力發生器。

　　一、管材與成形性：

　　進料管的質量是成功液壓成形的關鍵。

　　管材的材料性能（材料成分、焊縫類型、屈服強度、極限拉伸強度、延伸率、流動特性等）和尺寸（如直徑和厚度）必須根據最終零件的要求來確定，并在制造過程中密切監控。

　　為了獲得關于管材材料特性的真實信息，必須使用類似于液壓成形過程的測試程序。

　　在俄亥俄州立大學展示了這樣一個膨脹試驗的草圖。

　　圖2

　　在這個試驗中，管材兩端被鎖住，并利用液壓內壓力，使管材根據實現自由拉伸的效果。

　　304型不銹鋼在不同壓力下脹形的幾個零件（圖3）。

　　圖3，在本實驗中，在2，654 PSI(18.3MPa)內壓下，形成了一段SAE 1008鋼。

　　對于特定的管材和厚度，壓力和最大脹形直徑是在不同的壓力水平下測量的。該數據與專用計算機程序一起，以方程和應變函數的形式預測管道材料的流動應力。

　　該方程可用于有限元法（FEM）程序，以模擬管液壓成形過程。

　　二、摩擦潤滑：

　　液壓成形中的摩擦條件是至關重要的，特別是對于需要大量軸向進給的零件。

　　在這種情況下，潤滑是用來減少滑動摩擦，防止卡住和磨損，以減少工具磨損，軸向力，和過度減薄。

　　圖4

　　潤滑也成為校準階段的一個關鍵因素，當管道橫截面拉伸到最終尺寸時(圖4)

　　良好的潤滑劑必須：

　　1）具有足夠高的潤滑性，以減少模具與變形管之間的滑動摩擦。

　　2）能夠承受壓力高至每平方英寸5000磅至15000磅（PSI）-管/模界面，以防止管粘到模具上。

　　3）非磨料，以減少沖模表面的磨損。

　　4）不含任何污染物。

　　5）容易應用于模具和管子上，并將其從管中取出。

　　6）以合理的成本提供。

　　沒有單一的潤滑劑能夠滿足所有這些要求，所以在選擇潤滑劑時必須做出妥協。在前面的清單中，可以使用各種測試來評估潤滑劑的一個或多個特性，其中最重要的特性是潤滑性或摩擦系數。

　　三、預成形與預彎：

　　液壓成形的起始管幾何形狀可以是直的，也可以是預彎的或預成形的，這取決于要制造的最終產品的復雜程度(見圖5)。在某些應用中，零件的某些部分可能在模具關閉過程中被壓碎形成，然后被校準到模具表面的最終尺寸。

　　圖5

　　為了在整個部件中實現完全塑性變形，從而減少回彈，管周長應該比每個截面中的模具幾何形狀略微小。

　　彎曲管中的應變會影響管件液壓成形過程中的變形和變薄，并確定最終零件的厚度和強度分布（這是在設計階段考慮的，以便成形部件在組件之前具有所需的性能）。

　　因此，在用于液壓成形的彎曲管中，制造商必須避免在彎曲管的壓縮部分中過度起皺，以便在液壓成形零件上不產生褶皺。

　　制造商還必須估計在管的延伸部分上發生的減薄，以確定所選擇的管厚度是否足以提供液壓成形后零件的最小厚度要求。

　　此外，在彎曲前，通常需要對焊管進行定向，使焊縫處于中性區域，并且在變形過程中不受張力或壓縮的影響。

　　六、設備：

　　液壓壓力機的主要功能是打開和關閉模具，在成形過程中提供一個夾緊載荷，以消除彈性變形和模具分離。執行該過程所需的其他單元包括軸向力鋼瓶和壓力增強器。

　　目前，液壓機是用來提供大的夾緊力的過程中。這些液壓機通常需要大量的資本投資。然而，一些研究機構正在努力開發低成本的設備，使用幾個步驟打開和關閉模具，并提供夾緊負載。

　　在一個這樣的設計中，上模半部的RAM用小氣缸驅動上下運動。在RAM到達其下死點位置并關閉模具后，在RAM和壓力機框架之間用氣動或液壓缸推動兩個距離塊。幾個短沖程氣缸然后壓下墊片，下半模向上，這消除了兩個半模之間的間隙。這種設計允許快速的選通速率，但需要更少的功率來閉合、夾緊和打開模具。

　　七、循環時間和生產率：

　　更換大量流體以打開和關閉模具，將零件進出模具，以及填充和加壓管件是減少循環時間的幾個因素。

　　然而，限制生產速率的主要因素之一是彎曲和預成形操作。因此，為了提高生產率，可以使用幾種彎曲機向管件液壓成形過程提供零件，或者可以同時形成多個零件。下圖中給出了一些樣品的生產速率。

　　圖6

　　為了成功地進行液壓成形，制造商必須選擇合適的機器設置，即壓力對時間和軸向進給量隨時間的變化。只有這樣，才能避免因過大的軸向進給引起的褶皺或因過大的壓力而引起的斷裂。這些機器設置很難單獨根據經驗選擇，特別是在開發新的模具和新的成形工藝時。因此，可能需要花費太多的成本和耗時的試驗及錯誤來建立正確的機器操作。

　　因此，在工藝開發過程中，最好采用計算機輔助技術模擬機器操作和管件變形。

　　八、工藝設計與仿真：

　　同時施加內壓和軸向進給，使管狀毛坯形成模具形狀。管材的性能和成形性決定了最終零件在現有工藝條件下能否成形。

　　過程參數（如內壓、軸向進給和反壓）的初始估計可以從分析計算或計算機模擬獲得，以減少開發時間。各種軟件包可以模擬管件液壓成形過程，內部壓力通常由壓力-時間函數描述，但這可能在某些情況下引起穩定性問題。然而，使用流動體積時間函數（泵）代替壓力時間函數，消除了穩定性問題。體積流量選項在計算機程序中的一些有限元程序中可用，例如LS-Dyna和Pam-Stamp。

　　為了可靠地預測管件液壓成形中的成形條件，需要向計算機模擬提供準確的材料數據（流動應力、厚度、直徑和各向異性）和工藝信息（內部壓力、軸向進給、反作用力和摩擦）。輸入數據還應包括應變歷史（材料在彎曲和預成形過程中的硬化）。

　　用Pam Stamp預測了由低碳鋼（1008）制成的結構件的減薄分布（圖7）。在這種液壓成形過程中，一個2.5米長，120毫米直徑，3毫米厚的管子被彎曲，壓碎，并液壓成形到最終尺寸。從彎曲操作開始，對制造過程中的每一步進行模擬，并將應變歷史進行到下一步驟，以提高預測的準確性。

　　圖7

　　有限元分析預測與DANA公司提供的部分實際測量結果吻合得很好。

　　本文給出了一個解析模型的應用實例（圖8）。

　　圖8

　　利用解析模型，在內壓函數中計算了圓管轉角半徑。

　　這些模型的計算結果與實驗結果吻合較好。

　　九、自適應過程仿真：

　　自適應過程仿真的方法仍處于發展階段，其目的是在單個仿真中估計壓力與時間和軸向進給-時間曲線。這些信息對于建立給定零件的液壓成形成功的沖壓操作是必要的。

　　在每次有限元模擬增量時，程序從仿真模型中讀取必要的電流數據。如果任何節點具有負速度矢量（朝向管的中心線），則它被檢測為起皺的開始。（另一種檢測皺紋的方法是觀察零件表面的斜率）。

　　因此，作為校正措施，該程序增加了內部壓力，同時停止了材料的軸向進給。

　　如果去除了褶皺，則在恢復物料輸送時，內部壓力保持恒定。使用幾何標準，如速度或位移是一種非常簡單的方法來檢測起皺。二增加內壓使管子膨脹，消除褶皺。因此，在下一步驟中，可以將更多的材料進到模具中，以允許管進一步膨脹到模腔中。

　　如果在該進給之后，臺階皺褶再次出現，則壓力增加。該程序在計算機上進行了有限元仿真。這使得在單個模擬中獲得最佳的壓力-時間和軸向進給-時間曲線。

　　十、結語：

　　在過去五年里，通過在工業和大學對管件液壓成形的研究，已經研發出了了一種先進的工藝，而它可以運用在大批量的零件生產環境中。

　　然而，與傳統沖壓相比，管件液壓成形工藝仍然相對較新，沒有廣泛的工具和工藝設計知識庫。因此，對計算機建模的清晰理解將有助于工程師開發出軸向進給、內壓和反作用力作為時間函數的可靠控制策略，以提高液壓成形的材料成形能力。

　　由于管件液壓成形所涉及的壓力高，不能使用軟模具進行試驗。模具必須由具有一定硬度和涂層規格的鋼制造，并且修改是昂貴的。因此，通過減少工具和工藝開發中的試驗和誤差，可以提高管件液壓成形的潛力，這可以通過使用計算機建模能更好地理解工藝參數之間的相互作用來實現。

　　由過程建模制定的各種預測（厚度分布、內壓、夾緊力、摩擦力和回彈），有助于確定任何可能的形狀缺陷和在計劃階段中的破裂，并允許設計者在制造硬模具之前改進其模具設計。

　　來源：Suwat Jirathearanat、Taylan Altan,ph.D.《Successful tube hydroforming: Watching parameters, accurately simulating the process yield good results》.June15,2001

　　由興迪源機械翻譯、編輯

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　　以上觀點不代表本公司立場

　　這篇文章出自于2001年，當年我國沒有把這個技術研究透徹，也還沒有運用到我們的工業和制造業上。如今，18年過去了，我們的現狀是怎么樣的呢？答案是各領域的制造企業已經投入使用液壓成形技術生產產品。那么，他們為什么會選擇用這個技術呢？答案是液壓成形是為實現結構輕量化的一種先進制造技術，也是先進制造技術發展的趨勢之一。與傳統的沖壓焊接工藝相比，液壓成形工藝有減輕產品質量(最高可達50%左右)，達到節約材料的目的；減少模具數量，從而降低模具投入成本；可大大減少后續機械加工道次和焊接量，因此提高生產效率；可顯著提高零件強度和剛度，尤其是疲勞強度；提高材料利用率最高可達90%~95%和降低零件平均的生產成本等優點。

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