管件液压成型
管件液压成型论文
班级机械104 姓名蒋先浩学号201002120318
摘要：
简要介绍管件液压成型技术的发展背景、基本原理及优点，并对管件液压成型技术的计算机仿真分析及其在汽车工业中的应用情况
进行了阐述。最后指出，随着我国汽车工业的快速发展以及对液压成型产品的需求的不断增加，管件液压成型技术将会得到快速展与普及。
关键词：管件；液压成型；有限元法
前言
目前，管件液压成型主要应用于汽车框架和底盘零件的制造，其中大多使用轻度钢，而新一代汽车设计将会使用高强度钢(高速钢)。无论使用何种液压成型方式，管件的焊缝质量均难以令人满意。汽车用管材，除了采用厚壁的无缝钢管外，还广泛采用管壁较薄、精度较高、价格低廉的电焊管。与石油天然气管线用焊管不同，汽车用管材更重视金属外层表面美观，因此要对热轧板表面附着的氧化物进行酸洗。
近年来，在汽车零部件高强度化、轻量化、高安全性、高性价比的发展进程中，采用中空、刚性高的钢管替代棒材是其发展趋势。而且，为减少钢材焊接所带来的工程量的增加，开始采用管件一体成型的液压成型技术。近几年，依托于计算机控制技术和高压液压系统的发展，管件液压成型技术迅速发展，目前，多种结构件可以通过该技术大批量地加工生产。液压成型产品质量轻、质量高的优点尤其符合
汽车和飞机元件的要求，因此，管件液压成型技术目前已广泛应用在汽车工业和航空工业。
1.液压成型的原理
液压成型技术最早诞生于50年前的日本名古屋工业技术实验所，最初用于管线的接头和汽车用零部件。1994年，为适应汽车轻量化的需要，世界上35个钢厂制定了“ULSAB计划”，从材料、设计两方面探索车身钢材的超轻量化问题，这为液压成型技术的研发带来了重大的机遇。之后，液压成型法在欧美汽车零部件生产中逐步成为定型技术，并得到了大量的应用。管件液压成型技术是用管坯作为原材，通过对管腔内施加液体压力及在轴向施加负荷作用，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型技
术。对于圆角尺寸较小，难以成型的产品往往采用分段式加压成型，即先用较小压力完成扩管，形成较大圆角，此时壁厚保持较均匀，然后再将压力加大，迫使管件贴合模具，圆角处材料产生拉伸变形，管
壁减薄，最终得到
所需形状。管件液
压成型原理如图1
所示。先将管坯放
人下模腔内，在液
压缸的作用下将
柱塞冲头压入管
件两端，使管件腔密封，然后通过冲头内的液体通道将液体介质注入管件腔；此时，上模向下移动，与下模共同形成封闭的模腔，最后高压泵与阀门控制液体压力不断增大，冲头向内推动管件，管壁变形并逐渐与模具内壁贴紧，最终得到所需形状的零件。
2.液压成型技术的主要优点
与传统的冲压焊接工艺相比，液压成型技术主要有以下几方面优点：
(1)减轻了成型件质量，节约材料。对于空心轴类零件可以减轻质量40％～50％，节约材料可达75％。
(2)减少了成型件和模具数量，降低了模具费用。液压成型件通常仅需要1套模具，而冲压件大多需要多套模具。
(3)减少了后续机械加工和组装焊接量。
(4)提高了成型件的强度与刚度，尤其是疲劳强度。
(5)降低了生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析，管材液压件比冲压件生产成本平均降低15％～20％，模具费用降低20％-30％。
(6)成型件精度较高。采用液压成型技术可使零件的尺寸精度由ITl4提高到ITIO
3.管件液压成型的计算机仿真
对管件液压成型过程进行计算机仿真是从经济性出发的。由于管件液压成型过程中需要高压，实验室的设备不能满足，而制造硬件设备成本高、周期长，并且投产后又不易进行调整，所以在投产硬件设
备之前，应通过计算机仿真并进行优化初始设计。液压成型的计算机仿真过程中，使用“从动力”是非常必要的。“从动力”是一种随管材几何单元变形而变化，保持垂直几何单元的力。通常在液压成型的仿真过程中，采用压力一时间函数，但在某些情况下，会带来稳定性问题。而采用流量一时间函数可解决这一问题。有限元仿真可以预测液压成型过程中可能出现的皱褶和破裂等缺陷。在发展新的成型过程和设计新的成型系统时，可通过有限元仿真模拟成型过程，尝试不同的过程参数和方案，在进行实物试验和采取必要的技术措施之前，就可获得适当的结构设计和过程参数，因此可降低产品成本，缩短产品开发周期。目前，主要使用的液压成型过程有限元分析软件有DY2NA3D，ABAQus等。
4 .管件液压成型在汽车工业中的应用
汽车零件组其他零件组采用管件液压成型技术可以制造各种沿轴线变化的圆形、矩形或异型截面的管状零件，且零件轴线可以是直的或弯曲的∞]。目前应
用的汽车零件大体可分为4类。
(1)发动机系统零件，如进气支管、排气支管、涡轮增压系统元件等；
(2)悬吊系统零件，如发动机支承架：传动轴元件等；
(3)车身结构件，如底盘、车顶支架、侧门横梁等；
(4)其他类，如座椅框架及散热器支架等。
20世纪40～50年代，管件液压成型技术处于实验室研究阶段，主要进行T型管接头成型工艺与设备的研发，到70年代末期，德国开始对管材液压成型技术进行基础性研究，并于90年代初率先在工业生产中采用管材液压成型技术制造汽车构件。1993年，德国奔驰汽车公司建立了管材液压成型车间，宝马公司也在其几个车型上应用了管材液压成型的零件日1。1994年4月，由世界18个国家35家钢铁制造厂家赞助，开始执行ULSAB超轻量钢制汽车车体计划，其目标是在不降低车体刚性与振动特性的前提条件下开发出200 kg的中型轿车车体，即达到减重25％。此计划于1998年5月完成，其中车顶支架与侧门横梁采用了管件液压成型技术。美国通用汽车公司的SEVILL车型中应用管件液压成型加工了侧门横梁、车顶托架等结构件。美国福特公司的Mondeo车型采用此项技术生产了前车架的结构件。克莱斯勒汽车公司采用该技术生产了仪表盘支架。日本cQ2x车架与Au—di2AL2Z车架的部分结构件也采用此项技术制造。目前，已有超过50％的汽车底盘装配有液压成型产品，而车身对液压成型产品的需求将是底盘的3倍。液压成型技术迅速流行的主要原因是复杂结构件可作为单一整体进行加工，结构紧固、成本低、质量轻。由于液压成型技术的高度精确性，其应用领域并不局限于汽车工业，在其他工业领域同样存在非常大的潜在市场。
5.结语
管件液压成型技术作为汽车轻量化的重要方法之一，在汽车行业的应用日益广泛。关于管件液压成型的研究也成为各国研究人员与工程师的重要课题。为了提高成品率，降低生产成本，必须对原料材质、模具形状、工艺参数等多方面进行研究，虽然现在已经在各方面取得一定的进展，但是仍有许多方面需要进一步研究与探讨，如建立工艺设计标准，模具最优化设计等。但是，随着我国汽车工业的快速发展以及对液压成型产品的需求的不断增加，管件液压成型技术将得到快速发展与普及。
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