《特種塑性成型》課件-10.薄板零件液壓成形

原理及特點1液壓脹形2目錄1.1薄板零件液壓成形的原理、方法及應(yīng)用原理及特點1液壓脹形2目錄充液拉深最早應(yīng)用于沖壓生產(chǎn)中，是1951年美國公司通過橡膠介質(zhì)將液壓作用于板料上的HydroForm（水力成型）方法。1957年1963年不需要凹模，可大大降低模具成本，縮短模具制造周期導(dǎo)入案例凸模零件側(cè)壁抗破裂能力加強由于橡膠膜容易損壞，需要經(jīng)常更換，并且為消除法蘭部位起皺需要很大的液壓等原因，在實際沖壓生產(chǎn)中并未得到廣泛應(yīng)用。板料摩擦保持作用成形極限得到提高將液體直接作用于板料上的充液拉深方法。導(dǎo)入案例（1）在拉深成形過程中，液體介質(zhì)以很大而均勻的壓力使板料緊貼凹模模壁或包覆于凸模上提高零件的成形準(zhǔn)確性利用油、水(乳化液)等介質(zhì)代替剛性凸?；騽傂园寄?，在液體壓力的作用下使板料緊貼剛性凹?；騽傂酝鼓６尚嗡璧闹萍３湟豪钐攸c避免板料的局部過分變薄使成形的制件壁厚均勻且表面光滑一、原理及特點（2）以液體代替剛性凹模拉深成形時液體壓力板料的下表面反向作用增加有利摩擦力凹模有側(cè)向推動凸緣邊緣向內(nèi)流動的作用板料處于較高的應(yīng)力狀態(tài)有效提高板料的成形性能相對于剛性凸凹模拉深，可將多道拉深工序減為一道。一、原理及特點（3）以液體代替剛性凹模拉深成形時，凹模圓角不像剛性凹模那樣固定不變，降低材料彎曲變形阻力，提高拉深成形性能。需要采用嚴(yán)密的密封技術(shù)還需配備液壓系統(tǒng)生產(chǎn)效率較低（4）使剛性拉深模具的數(shù)量減少2/3～1/2，模具制造費用減少1/2甚至更多。缺點這種成形工藝非常適用于大尺寸或大型形狀極為復(fù)雜的拉深成形零件的中小批量生產(chǎn)。一、原理及特點揚聲器音膜的液壓凸模拉深液體充當(dāng)拉深凸模，凹模仍采用普通凹模。毛坯置于凹模1的型腔上用橡膠8密封壓制零件的過程將凸模體5通過螺釘3和壓板2與凹模1緊固將液體注入凸模體與毛坯構(gòu)成的容腔將活塞桿7及端蓋6用螺釘9緊固于凸模體5上凹模壓板螺釘螺釘工件凸模體端蓋活塞桿橡膠（一）液壓脹形一、原理及特點手動或機動將活塞桿向下推活塞桿端部的活塞壓縮液體而產(chǎn)生壓力液體壓力將平板毛坯壓制變形而緊貼在凹模型腔上零件液壓凸模拉深用于拉深錐形件、半球形件和拋物線形件等。壓力比較均勻優(yōu)點不存在壓力集中現(xiàn)象缺點在拉深過程中，定位比較困難，零件容易拉偏由于軸向拉伸變形厲害，零件底部變薄比較嚴(yán)重（一）液壓脹形一、原理及特點液壓脹形裝置與脹形原理平板下模上模(凹模)型腔的形狀與尺寸按所成形的零件的要求來設(shè)計與制造上開有進油與排油通道普通油壓機上、下模分別固定在油壓機的滑塊與工作臺上一、原理及特點高壓油通入板坯與下模之間迫使板坯產(chǎn)生塑性變形（a）裝載零件（b）充液和軸向進給（d）卸載和脫模（c）中間沖頭反推毛坯置于下模的上表面滑塊帶動上模下行將平板毛坯壓緊在下模上板坯變形至緊貼上模型腔表面時卸掉壓力油，滑塊帶動上?；爻?，獲得所需制件一、原理及特點單位脹形力的大小主要取決于以下因素板坯金屬的屈服點σs形狀的復(fù)雜程度、厚度板坯的σs越大，形狀越復(fù)雜，厚度越大單位脹形力也越大。脹形前對板坯進行軟化處理可降低單位脹形壓力。液壓脹形的特點：變形均勻且不會產(chǎn)生機械損傷，制件內(nèi)在與表面質(zhì)量好；液壓脹形適合于形狀比較復(fù)雜的、多品種中小批量的薄板零件的生產(chǎn)。平面凸模與液壓系統(tǒng)具有通用性，僅需要換凹模便可生產(chǎn)不同的零件；簡化了模具制造，降低模具成本；但其生產(chǎn)率比剛性模具低。一、原理及特點形狀復(fù)雜而材料的屈服點σs又比較高的制件為了降低其單位脹形壓力液壓脹形與剛性凸凹模的復(fù)合成形（二）復(fù)合成形又便于解決板坯周邊同平板凸模間的密封問題液壓脹形與剛性模具復(fù)合成形復(fù)合成形將液壓脹形剛性模具成形優(yōu)點結(jié)合一道工序可以完成采用剛性模具二道甚至二道以上的工序才能完成的變形過程（二）復(fù)合成形減少模具數(shù)量提高生產(chǎn)率一、原理及特點當(dāng)成形力F去掉時，彈簧將凹模座及凹模頂起，凹模座的分模面高于液面，取走已拉深成形的制件。下一個板坯置于凹模座上，將凹模放在板坯上（二）復(fù)合成形簡單液壓拉深模作用力F的作用下而壓縮彈簧凹模與凹模座一起向下移動，封閉在板坯下的液體產(chǎn)生壓力使板坯變形而緊貼凹模內(nèi)壁一、原理及特點復(fù)合成形模具結(jié)構(gòu)簡單適合拉深成形深度不大的帶法蘭的筒形零件（二）復(fù)合成形操作方便小結(jié)薄板零件液壓成形原理及特點1液壓脹形2原理及特點1液壓脹形2目錄1.2薄板零件液壓成形的原理、方法及應(yīng)用反向液壓成形1橡膠薄膜液壓成形2目錄液壓成形工藝及模具的主要參數(shù)3反向壓力成形原理（一）帶法蘭筒形件的拉深當(dāng)凸模壓迫板料毛坯下移時，被封閉在板坯與凹模間的液體便產(chǎn)生了壓力，這個壓力以與凸模作用力相反的方向作用在板坯的下表面。使板坯緊貼在凸模上而成形為所需零件，故稱為反向壓力成形。三、反向液壓成形（一）帶法蘭筒形件的拉深提高板料的成形極限，簡化成形工藝；反向壓力成形的優(yōu)點板坯不會發(fā)生自由流動而變薄，不易破裂；當(dāng)壓力超過設(shè)定壓力時，液體就會從邊緣溢出，起到潤滑作用，降低摩擦阻力，有利于流動成形。綜合效益提高表面質(zhì)量和尺寸精度減少模具數(shù)量且簡化模具結(jié)構(gòu)降低模具成本三、反向液壓成形鋁鎂鈦合金高強度鋼板坯料的復(fù)雜薄板件的小批量生產(chǎn)運動轎車覆蓋件車門底板航空航天飛行器薄板零件（二）筒形件充液拉深工藝與模具設(shè)計充液拉深成形過程開啟油泵將液體(或油水)一直充至凹模面后停泵，在凹模面上放好板料（圖a）施加壓邊力（圖b）凸模開始壓入凹模，使液壓室的液體建立起壓力，并將板料緊緊壓貼在凸模上（圖c）隨著成形的進行直至成形結(jié)束（圖d）三、反向液壓成形（二）筒形件充液拉深工藝與模具設(shè)計液壓室的液體強行從凹模面與板料間流出，大大減少了法蘭與凹模間的摩擦。無密封完全靠凸模進入凹模的自然增壓方式往往使初期液壓不足液體無法流出，也就不能形成流體潤滑有密封可采用強制增壓（二）筒形件充液拉深工藝與模具設(shè)計可用溢流閥在成形初期自由地調(diào)節(jié)液壓室液壓壓邊之后，啟動高壓泵向液壓室注油增壓，然后再使凸模壓入凹模，實現(xiàn)拉深。三、反向液壓成形設(shè)備復(fù)雜、昂貴充液拉深（二）筒形件充液拉深工藝與模具設(shè)計使用與維修保養(yǎng)較困難生產(chǎn)效率較低充液拉深適用于生產(chǎn)批量不大、質(zhì)量要求較高的深筒(盒)形件、錐形及拋物線形等復(fù)雜曲面的零件收到了制模周期短、制造成本低等綜合經(jīng)濟效益?！敖?0”拖拉機的油底殼零件（二）筒形件充液拉深工藝與模具設(shè)計油底殼的充液拉深三、反向液壓成形橡膠薄膜液壓成形橡膠薄膜c內(nèi)的液體a壓力由閥b控制。橡膠薄膜與凸模f之間有耐磨橡膠墊d。凸模f通過壓邊圈e進入容框時，將液壓提高，由閥b控制成形過程中的液壓變化。四、橡膠薄膜液壓成形帶橡膠墊的液壓成形原理成形原理凸模g通過壓邊圈h將板料壓向耐磨橡膠墊e和起密封作用的橡膠b,被環(huán)c和d壓在容框a內(nèi)，用嵌入塊f防止凹模k等扭轉(zhuǎn)。四、橡膠薄膜液壓成形反之，過高的壓邊力會引起的液壓過大而導(dǎo)致軟材料的反向脹裂。壓邊力太小，不能建立起很大的液壓，使“摩擦保持效果”不足所致。充液拉深壓邊力過小時，除了產(chǎn)生起皺失效，也會產(chǎn)生斷裂失效（一）壓邊力FQ充液拉深壓邊力充液拉深壓邊力對成形的影響比較復(fù)雜。原因一般取剛性壓邊和凹模面之間的間隙為1.1倍的料厚，可以取得較好的效果。五、液壓成形工藝及模具的主要參數(shù)當(dāng)液壓力下降時，對于任何凸模圓角半徑rD,均使成形極限減??；（二）溢流閥設(shè)定的壓力p溢流閥調(diào)定壓力的影響液壓力調(diào)高，成形極限增大。（二）溢流閥設(shè)定的壓力p溢流閥調(diào)定壓力的影響液壓力過高會產(chǎn)生反向脹裂而引起破裂等。一般采用分段實時控制方式。凹模圓角半徑rD凹模圓角對液壓的影響（三）凹模圓角半徑rD考慮彎曲抗力、角部摩擦抗力的影響考慮液壓力的影響rD越小板材越容易與凹模圓角形成密封，使液壓升高。rD≤3mm時液壓達(dá)到溢流閥設(shè)定,產(chǎn)生溢流；rD較大時不溢流。五、液壓成形工藝及模具的主要參數(shù)普通拉深鋼板隨著凹模圓角半徑rD的增加，有同樣趨勢，即成形極限提高，并逐漸達(dá)到最大值。（三）凹模圓角半徑rD凹模圓角對成形極限的影響rD超過6倍料厚以后影響就不大了。充液拉深鋼板材rD大于13倍料厚以上，成形極限才達(dá)到最大值。五、液壓成形工藝及模具的主要參數(shù)采用自然增壓方式，凸模圓角半徑rP對成形極限的影響。隨著rP的增加，成形極限也提高。凸模圓角半徑對成形極限的影響（四）凸模圓角半徑rPrP=3mm以前由于支配成形極限的已不再是凸模圓角處的破裂，而是凹模圓角處的破裂，所以繼續(xù)加大凸模圓角已不起作用。超過3mm以后五、液壓成形工藝及模具的主要參數(shù)反向液壓成形1橡膠薄膜液壓成形2小結(jié)液壓成形工藝及模具的主要參數(shù)3原理及特點1液壓脹形2目錄1.3薄板零件液壓成形的原理、方法及應(yīng)用目錄液壓成形設(shè)備及方法的應(yīng)用1充液拉深新工藝2薄板零件液壓成形一般采用雙動液壓機，作為特殊規(guī)格有時采用單動液壓機也可實現(xiàn)充液拉深功能。液壓成形設(shè)備增加了液壓室及調(diào)節(jié)、控制液壓室內(nèi)液體壓力的液壓控制系統(tǒng)；雙動液壓成形機普通拉深成形裝置大部分設(shè)備采用電磁比例溢流閥和計算機對成形過程中的液壓室液體壓力、壓邊力等進行連續(xù)或分段控制。六、液壓成形設(shè)備及方法的應(yīng)用液壓室內(nèi)藏式單動液壓成形機通用模架式充液拉深方法照明燈具汽車航空家用電器廚房器具容器六、液壓成形設(shè)備及方法的應(yīng)用保證聚光性要求很高的內(nèi)表面精度；燈罩的生產(chǎn)采用充液拉深方法的理由（一）燈罩多品種小批量生產(chǎn)方式。以往該產(chǎn)品采用旋壓的方法，只能加工拋物面、錐形等軸對稱的零件。（一）燈罩充液拉深方法成形的燈罩非軸對稱復(fù)雜形狀零件的成形由于不均勻反向脹形所引起的局部材料多余和板厚減少，要充分考慮板料的流動和變形特點。主要問題六、液壓成形設(shè)備及方法的應(yīng)用航空領(lǐng)域的生產(chǎn)屬于典型的多品種小批量的生產(chǎn)方式。大部分使用成形性能差的高強度鋁合金飛機部件（二）飛機零件必須嚴(yán)格限制局部板厚減薄和表面劃傷（二）飛機零件充液拉深方法成形的飛機零件形狀復(fù)雜、尺寸精度要求和模具成本較高，比較適合于采用充液拉深方法。（三）汽車零部件特點充液拉深方法成形的汽車中小零件六、液壓成形設(shè)備及方法的應(yīng)用大型覆蓋件模具成本所占整車費用的比例隨著批量的減小越來越大。不但消除了普通拉深方法難以解決的面畸變等質(zhì)量問題；（三）汽車零部件充液拉深方法成形的汽車覆蓋件由于工序的簡化和凹模的省略，模具成本降低大約60%，取得了巨大的經(jīng)濟效益。六、液壓成形設(shè)備及方法的應(yīng)用此方法只需將充液拉深的工裝略加改動，密封住板料外周的敞口，并開通液孔，使液壓室的液體液壓加到板周邊上。帶徑向液壓的充液拉深方法（一）帶徑向液壓的充液拉深方法板材外周多了一層徑向壓力改變變形區(qū)受力狀態(tài)降低傳力區(qū)的負(fù)荷增大允許的變形程度七、充液拉深新工藝（一）帶徑向液壓的充液拉深方法液體僅從法蘭下方一側(cè)流出法蘭上面沒有形成理想的潤滑狀態(tài)徑向液壓的充液拉深法蘭部位的板料都有很好的潤滑狀態(tài)，進一步提高了成形極限。同一套工裝模具（一）帶徑向液壓的充液拉深方法普通拉深充液拉深帶徑向液壓的充液拉深2.36：2.61：3.06～3.31七、充液拉深新工藝（二）外周帶液壓的充液反拉深外周帶液壓的充液反拉深是帶徑向液壓充液拉深向反拉深的延伸和擴展。多開了幾個側(cè)孔增加一處密封把液壓室液體壓力引到拉深件外周一次行程后得到的拉深件總拉深比高達(dá)4.92成為成形超深筒形件的有效手段七、充液拉深新工藝（三）充液變薄拉深充液變薄拉深也是充液拉深的新發(fā)展。反向充液變薄拉深充液方式正向充液變薄拉深雙向充液變薄拉深（三）充液變薄拉深充液變薄拉深（三）充液變薄拉深充液變薄拉深實驗表明三種方式均有效地提高了變薄拉深的變形程度，其中尤其以正向和雙向更佳。熱粘著現(xiàn)象有顯著的抑制效果七、充液拉深新工藝減輕重量與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比液壓成形工藝減少零件數(shù)量模具數(shù)量提高剛度與強度降低生產(chǎn)成本技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢薄板零件液壓成形與其他金屬塑性成形加工工藝相比一項正處于上升態(tài)勢且具有良好發(fā)展前景的先進制造技術(shù)。液壓成形歐美國家進入正規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)階段十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初目前，我國雖然已經(jīng)形成了獨立的液壓元件制造工業(yè)體系。榆次軸承廠改由第一機械工業(yè)部直接管理,并更名為榆次液壓元件廠。我國1964年榆次液壓件廠建成投產(chǎn),結(jié)束了中國液壓產(chǎn)品全部依賴進口的歷史。1966年薄板零件液壓成形原理及特點1液壓脹形2目錄2.管料的內(nèi)高壓成形原理特點與應(yīng)用成形原理1成形裝置2目錄成形優(yōu)點3適用領(lǐng)域4正是適應(yīng)這種需求開發(fā)出來的一種成形空心變截面輕體構(gòu)件的先進制造技術(shù)。②結(jié)構(gòu)途徑，對于承受彎扭載荷為主的結(jié)構(gòu)，采用空心變截面構(gòu)件，可

以減輕質(zhì)量又可以充分利用材料的強度和剛度。①材料途徑，采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料；減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量以節(jié)約運行中的能量是人們長期追求的目標(biāo)，也是先進制造技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。航空、航天和汽車工業(yè)結(jié)構(gòu)輕量化內(nèi)高壓成形導(dǎo)入案例支管長徑比大于1的多通管壓縮脹形，宜采用液體做介質(zhì)的內(nèi)高壓成形。最理想的介質(zhì)材料，但因受變形量的限制，當(dāng)支管長徑比超過1以后已不能適應(yīng)。聚氨酯橡膠支管長徑比超過2時壓縮脹形結(jié)束后芯棒無法從工件中退出。一、成形原理三通管液壓脹形原理長度2L?直徑2R壁厚S?三通管液壓介質(zhì)壓縮脹形原理原始管坯置于可分凹模型腔中，壓縮脹形時，管坯受內(nèi)壓q、軸向壓縮力Q,和側(cè)向支承力Q?的作用。兩個沖頭以相同的速度彼此相對運動管坯中部金屬向支管型腔內(nèi)作徑向流動一、成形原理材料硬化連續(xù)壓縮使塑性變形區(qū)擴展到整個毛坯，導(dǎo)致毛坯沿全長管壁增厚。三通管液壓脹形原理兩個擠壓沖頭繼續(xù)向前移動，支管的長度b不斷增加，直到所需長度為止。支管端部的反向支承力Q?的作用減少甚至抵消支管部分所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，盡可能造成三向壓應(yīng)力狀態(tài)，以防止支管發(fā)生破裂。一、成形原理直線零件成形內(nèi)高壓成形分為三種基本工藝類型帶凸臺或支叉零件成形曲線零件成形（一）同側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)在凹模上設(shè)計了可動鑲塊2和3同側(cè)雙支管液壓壓縮脹形系統(tǒng)管坯1置于凹模型腔中，可動鑲塊2和3分別被頂向兩端（a）（一）同側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)初始狀態(tài)管坯在兩個沖頭擠壓力Q,和內(nèi)部液體力q的作用下，在兩個支管型腔處形成橢圓形鼓包，橢圓形長軸與主管軸線一致（b）開始壓縮階段二、成形裝置（一）同側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)壓縮脹形結(jié)束階段兩個沖頭繼續(xù)擠壓鑲塊2、3一起向前移動鑲塊2和3沿橢圓形長軸方向壓縮鼓包支管橫向尺寸減少依靠金屬體積的轉(zhuǎn)移而使支管長度增加利用這種模具結(jié)構(gòu)可使支管長度的極限值增大2～3倍。二、成形裝置支管長度極限值可達(dá)到支管管徑的1~2倍支管長度的進一步增加將受到管坯起皺等失穩(wěn)的限制（一）同側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)鑲塊移動距離f影響到支管的最終高度，f越大，支管越長。（二）異側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)異側(cè)四通液壓壓縮脹形a初始狀態(tài)b結(jié)束狀態(tài)二、成形裝置模具、液壓、空氣增壓器系統(tǒng)管坯置于凹模型腔12中，并由油箱11向管坯內(nèi)注滿油液（二）異側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)壓力機滑塊向下行程時上凹模13下凹模12閉合并壓縮碟形彈簧16沖頭1014密封油液二、成形裝置模具、液壓、空氣增壓器系統(tǒng)（二）異側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)開關(guān)17動作壓縮空氣過濾器1壓力調(diào)節(jié)閥2噴霧器3空氣分配器4增壓缸9的右腔推動活塞向左移動，保證管坯內(nèi)開始的液體壓力，壓力大小通過閥2調(diào)節(jié)二、成形裝置①設(shè)計專用的模具裝置與通用壓力機配套使用；（二）異側(cè)雙支管內(nèi)高壓脹形系統(tǒng)液體壓縮脹形模具及設(shè)備②設(shè)計專用壓力機。內(nèi)高壓成形的特點可以一次整體成形沿構(gòu)件軸線截面有變化的空心構(gòu)件?？招淖兘孛鏄?gòu)件與沖壓焊接工藝相比內(nèi)高壓成形主要優(yōu)點：1.減輕質(zhì)量，節(jié)約材料。汽車副車架散熱器支架內(nèi)高壓成形件比沖壓件減輕20%～40%?？招碾A梯軸類減輕40%～50%。2.減少零件和模具數(shù)量，降低模具費用。內(nèi)高壓件僅需要一套模具沖壓件大多需要多套模具三、成形優(yōu)點與沖壓焊接工藝相比內(nèi)高壓成形主要優(yōu)點：3.可減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量。散熱器支架4.提高強度與剛度，尤其是疲勞強度。散熱面積增加43%,焊點由174個減少到20個，工序由13道減少到6道，生產(chǎn)率提高66%。散熱器支架剛度垂直方向提高39%；水平方向提高50%。5.降低生產(chǎn)成本。內(nèi)高壓件比沖壓件平均降低15%～20%，模具費用降低20%~30%。三、成形優(yōu)點管料的內(nèi)高壓成形適用于汽車等行業(yè)的沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形或異型截面空心構(gòu)件。碳鋼不銹鋼鋁合金銅合金鎳合金適用材料則上適用于冷成形的材料均適用于內(nèi)高壓成形工藝。四、適用領(lǐng)域通過合理的設(shè)計和參數(shù)控制，內(nèi)高壓成形技術(shù)可以實現(xiàn)一次成形，有效提高生產(chǎn)效率，并且零件內(nèi)壁光滑，減重效果明顯。排氣管催化轉(zhuǎn)化器壓力管尾部導(dǎo)管原理及特點1液壓脹形2目錄3.無模液壓脹球成型的原理及特點技術(shù)原理1技術(shù)特點2目錄外形美；球形容器的主要優(yōu)點：受力均勻承壓高，對同直徑同厚度的容器，球形比圓柱形高一倍；重量輕，原因之一是由于承壓力高，另一個原因是對同一體積而言球形表面積最小。深圳西麗湖青島信號山美國迪斯尼樂園中的未來世界布魯塞爾的球形游樂廳導(dǎo)入案例球形水塔球形水箱哈爾濱工業(yè)大學(xué)中國建筑標(biāo)準(zhǔn)研究所制定了30m3以下的球形水箱系列標(biāo)準(zhǔn)，并已制成一些