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        內(nèi)高壓成形機(jī)理及主要影響因素

        2013-08-08 00:59:27冉英超李洪波保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司
        鍛造與沖壓 2013年16期
        關(guān)鍵詞:管坯型腔成形

        文/冉英超,李洪波?保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司

        內(nèi)高壓成形機(jī)理及主要影響因素

        文/冉英超,李洪波?保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司

        汽車作為社會(huì)現(xiàn)代化的象征在帶給人們出行便利的同時(shí)也給社會(huì)帶來(lái)了高污染等負(fù)面影響,日益高攀的油價(jià)也令人們對(duì)汽車望而卻步,“環(huán)保、節(jié)能”成為未來(lái)汽車的發(fā)展方向。內(nèi)高壓成形又稱液壓成形正是在這樣的背景下開發(fā)出來(lái)的一種制造空心輕體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。

        內(nèi)高壓成形技術(shù)優(yōu)勢(shì)

        與傳統(tǒng)的沖壓焊接加工技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn):減輕重量。復(fù)雜形狀的零件可一次成形,減少了結(jié)構(gòu)的零件數(shù)量與焊接重量,而且可使用更少的材料,減重效果顯著;提高產(chǎn)品質(zhì)量。零件因在成形過(guò)程中發(fā)生了加工硬化,提高了強(qiáng)度,而且成品的壁厚均勻,尺寸精度高,產(chǎn)品質(zhì)量明顯高于沖壓焊接件;提高生產(chǎn)效率。零件數(shù)量的減少,使焊點(diǎn)數(shù)量、裝配工序等顯著減少,生產(chǎn)率大幅提高;降低生產(chǎn)成本。材料利用率提高,零件數(shù)量減少,可以節(jié)省材料、模具等費(fèi)用及其他輔助費(fèi)用。

        福特某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)架采用內(nèi)高壓成形技術(shù),與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比,具有明顯的優(yōu)越性。工件的數(shù)目由6個(gè)減少為1個(gè);加工程序的步驟由32步減少為3步;成形件的重量由12kg降低為8kg;平均每個(gè)成形件的成本由20英磅降低為10英磅。

        鑒于內(nèi)高壓成形技術(shù)的種種優(yōu)勢(shì),在汽車技術(shù)比較發(fā)達(dá)的歐美等國(guó)家,內(nèi)高壓成形技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍;在我國(guó)伴隨技術(shù)的進(jìn)步及法規(guī)的提高,國(guó)內(nèi)眾多汽車廠家都加快研究開發(fā)內(nèi)高壓成形件的步伐,內(nèi)高壓成形技術(shù)目前已成為汽車產(chǎn)業(yè)主流制造技術(shù)之一。

        內(nèi)高壓成形技術(shù)介紹

        內(nèi)高壓成形是一種以液體為傳壓介質(zhì),以管材作坯料,通過(guò)向管材內(nèi)部施加高壓液體和軸向補(bǔ)料把管材壓入到模具型腔使其成形為特定形狀工件的現(xiàn)代塑性加工技術(shù)。由于使用乳化液(在水中添加少量的防腐劑等組成)作為傳力介質(zhì),又稱為管材液壓成形或水壓成形。

        通過(guò)液體介質(zhì)在管坯內(nèi)部產(chǎn)生超高壓,成形工作壓力通常為200~400MPa,最高可達(dá)1000MPa以上。在施加內(nèi)高壓的同時(shí),軸向活塞對(duì)管坯的兩端施加軸向推力,進(jìn)行補(bǔ)料。在兩種外力的共同作用下,管坯材料發(fā)生塑性變形,并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合,得到形狀與精度均符合技術(shù)要求的中空零件。適用于制造沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形截面或異形截面空心構(gòu)件。常見的制件有凸輪軸、散熱器支架、副車架、排氣歧管、前擺臂、B柱、門檻梁、座椅骨架、后橋殼、懸架、儀表板支架等。

        內(nèi)高壓成形工藝過(guò)程主要分為四個(gè)步驟,如圖1所示:

        圖1 內(nèi)高壓成形示意圖

        (1)將管坯1放在下模2內(nèi),閉合上模3;

        (2)軸向活塞推進(jìn),將管的兩端用水平?jīng)_頭4和5密封,形成封閉空間并快速注入液體介質(zhì)排凈管內(nèi)空氣。

        (3)按照預(yù)先設(shè)定的加載曲線,進(jìn)行內(nèi)壓、軸向推力的復(fù)合加載,當(dāng)管坯內(nèi)部壓力超過(guò)管材的屈服極限時(shí),管坯沿模具型腔產(chǎn)生變形,軸向推力幫助補(bǔ)充管坯變形需求的材料,隨壓力的增大,管坯外表面與模具型腔內(nèi)壁逐漸貼合最終成形,其典型截面如圖2所示;

        圖2 成形截面

        (4)液體介質(zhì)卸載,軸向活塞回程,液壓機(jī)滑塊上行,回收液體介質(zhì),取出成形后的零件。

        內(nèi)高壓成形的受力分析

        內(nèi)高壓成形是管坯在軸向載荷及內(nèi)部高壓作用下塑性變形加工工藝,其變形過(guò)程符合Barlat等提出的平面各向異性多晶體材料屈服準(zhǔn)則。

        在成形區(qū)管坯受軸向推力F、管坯內(nèi)部壓力P的復(fù)合作用,當(dāng)復(fù)合作用力超過(guò)材料的變形極限時(shí),管坯沿型腔開始變形。根據(jù)有限元分析,作用于某一單元體上的力除主動(dòng)力F和P外還包括單元體的內(nèi)力F′,其受力情況如圖3b所示。

        圖3 管坯受力示意圖

        從管坯單元體的受力狀態(tài)可以看出,軸向推力F將產(chǎn)生沿軸向的壓應(yīng)力σz,而作用于管坯內(nèi)部的壓力P除產(chǎn)生垂直于壁厚方向的厚向壓應(yīng)力σt外還產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力σθ,如圖3b圖所示。其中σz=F/S,σt=P,σθ=PR/t。S是軸向推力F的作用面積,P是作用于管坯的內(nèi)部高壓,R和t分別為管坯的直徑和壁厚。

        在內(nèi)高壓成形過(guò)程中,軸向補(bǔ)料力F及內(nèi)部高壓P都是動(dòng)態(tài)變量,在不同的成形階段其應(yīng)力狀態(tài)不同。在成形的初始階段,由于只有軸向推力F作用于管坯端部,因此管坯處于單向壓應(yīng)力狀態(tài),即內(nèi)部高壓P所產(chǎn)生的σt和σθ全部為零;經(jīng)密封階段后,隨成形過(guò)程的發(fā)展,管坯開始充液加壓,在軸向推力和內(nèi)部高壓的共同作用下,管坯的應(yīng)力狀態(tài)開始滿足Barlat屈服準(zhǔn)則的變形條件,管坯進(jìn)入塑性變形階段;隨著壓力的不斷加大與變形過(guò)程的發(fā)展,管坯最終進(jìn)入高壓成形階段,此時(shí)作用于管坯端頭的軸向力已經(jīng)很難直接傳遞到貼模成形區(qū)的材料上,因此對(duì)于成形區(qū)的材料來(lái)說(shuō),其作用力完全來(lái)自作用于管坯內(nèi)部的高壓液體。這種應(yīng)力變化狀態(tài)決定了內(nèi)高壓成形工藝后期的失穩(wěn)以破裂為主。

        內(nèi)高壓成形的主要缺陷及影響因素

        內(nèi)高壓成形是在軸向推力F和內(nèi)部高壓P的聯(lián)合作用下的復(fù)雜成形過(guò)程,成形件的質(zhì)量也受多種參數(shù)的影響,如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具質(zhì)量、加載曲線、管坯材料性能及初始尺寸等。出現(xiàn)任何問題,將導(dǎo)致減薄過(guò)度、開裂、屈曲、起皺、精度不足等質(zhì)量缺陷。

        產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)成形件的影響

        合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是得到高質(zhì)量的內(nèi)高壓成形件的前提,產(chǎn)品的成形性能受產(chǎn)品本身的圓角半徑影響較大,圓角半徑越小,所需的整形壓力越高,導(dǎo)致合模力增大、密封困難、功率增大等,甚至不能完全成形。一般情況下圓角半徑r與管坯壁厚t存在如下關(guān)系:

        在滿足使用要求的前提下,過(guò)渡圓角半徑應(yīng)該盡量增大。另外,產(chǎn)品的截面形狀及彎曲形狀都對(duì)內(nèi)高壓成形件的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。

        模具質(zhì)量對(duì)成形件的影響

        由于管件在液壓成形時(shí)要承受很高的內(nèi)部壓力和軸向推力,使管件能夠充分脹形得到所需形狀,管坯內(nèi)的強(qiáng)大壓力通過(guò)管壁作用于模具上,模具密封不嚴(yán),則無(wú)法建立成形壓力;模具剛度或合模力強(qiáng)度不足則導(dǎo)致模具薄弱環(huán)節(jié)變形等影響管件成形的幾何形狀和尺寸精度,因此模具制造時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注。

        管坯性能對(duì)成形件的影響

        管坯具有良好的力學(xué)性能(n值即加工硬化指數(shù);r值即厚向異性指數(shù))是提高成形件質(zhì)量的前提條件。加工硬化指數(shù)n反映了材料變形應(yīng)變均化的能力,n值越大,材料的成形性能越好;厚向異性指數(shù)r表明在同樣受力條件下板料厚度方向上的變形性能。當(dāng)r>1時(shí),r值越大表示板料越不易在厚度方向變形,也就是越不易變薄或增厚,則可減少起皺、拉裂等,有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

        管坯初始尺寸對(duì)成形件的影響

        初始尺寸主要包括管坯的初始長(zhǎng)度、管坯的外徑、管坯的壁厚等。管坯初始長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),在成形過(guò)程中管坯與模具型腔內(nèi)表面的摩擦力加大,導(dǎo)致所需的軸向推力加大,而且如果管坯的長(zhǎng)度和直徑比值超過(guò)一定值時(shí),會(huì)導(dǎo)致成形過(guò)程中的整體屈曲。

        管坯的外徑選擇對(duì)成形件有巨大影響。管坯外徑過(guò)大,不能順利地放入模具型腔內(nèi),導(dǎo)致管坯初期受壓變形,無(wú)法得到所需成形件。管坯外徑太小,易導(dǎo)致管坯的過(guò)度減薄甚至破裂。

        同一材料不同厚度的管坯在相同內(nèi)高壓成形條件下成形性能也是不同的。當(dāng)管壁太薄時(shí),容易使局部的單元超出破裂極限,成形失效。如果管壁太厚,所需的成形壓力越大。

        加載曲線對(duì)成形件的影響

        加載曲線是內(nèi)高壓成形最重要的工藝參數(shù)之一。在生產(chǎn)過(guò)程中,若加載路徑設(shè)計(jì)不當(dāng),則會(huì)出現(xiàn)起皺或破裂等缺陷。在成形的初始階段,若軸向推力過(guò)大,內(nèi)壓不足,管坯會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)起皺;反之則會(huì)出現(xiàn)壁厚過(guò)度減薄,甚至破裂。實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)避免以上缺陷,零件壁厚應(yīng)力求均勻一致,這就要求內(nèi)壓和軸向推力的合理匹配。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和超高壓液壓技術(shù)的不斷進(jìn)步,使得合理控制內(nèi)壓、軸向推力的匹配關(guān)系已成為可能。因此,加載曲線的匹配就成為內(nèi)高壓成形的關(guān)鍵技術(shù)。

        結(jié)束語(yǔ)

        內(nèi)高壓成形是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一,可以減少模具數(shù)量,降低生產(chǎn)成本,提高車輛性能,具有獨(dú)特的工藝特點(diǎn)和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),在汽車行業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家已經(jīng)得到普及應(yīng)用。內(nèi)高壓成形在我國(guó)還是一項(xiàng)較新的制造技術(shù),包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)到成形工藝需要更深入、更細(xì)致的研究,突破國(guó)外的技術(shù)壟斷。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展與對(duì)汽車減重結(jié)構(gòu)不斷增長(zhǎng)的需求,在我國(guó)內(nèi)高壓成形必將獲得快速發(fā)展與應(yīng)用。

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