液压成型 101

一个介绍

液压成形是一种具有成本效益的金属制造工艺,可以在管状零件中形成复杂的几何形状,并在钣金零件中进行扩展深拉。

液压成型零件允许零件合并,子组件数量的减少降低了装配成本并提高了最终装配的强度和刚度。 公差将根据所选应用和部件的尺寸而有所不同,但与传统的冲压/组装方法相比,液压成型通常能够降低公差。

大多数可以使用液压成型成型的零件也可以使用其他成型工艺或多部件制造来制造,因此考虑每个部件的成本、优点和缺点很重要。 当液压成形可用于减少装配组件中的零部件数量时,液压成形通常是可行的。

Torsional Rigidity & Dimensional Accuracy Hydroformed
HFP4 3000吨薄板液压成型机

过程

液压成型工艺采用带有专用模具的液压机,结合集成的水和高压流体控制系统,使金属坯料与模具的形状和轮廓相符。

工艺参数取决于应用和材料选择,但以片材液压成型为例,估计将金属变形为车顶、发动机罩和其他面板等汽车部件所需的夹紧力在 5,000 至 10,000 美吨之间。

对于管式液压成型,有高压和低压工艺方法。 低压应用通常使用 700 bar 以下的压力,需要高达 2,500 吨的压力机。 高压应用通常使用高达 1,500 bar 的压力并需要高达 10,000 吨的压力机。 有高达 4,000 bar 的专用系统,需要专用设备和更高吨位的压力机。

材料选择对于确定工艺参数很重要,因为可成型的材料受到其成型特性和最终零件形状要求的限制(有限元分析“FEA”)。 液压成型工艺的进步使铝和高强度钢等低伸长率材料的成型变得可行。

温度也会影响所需成形力的计算和材料的可成形性限制。 对于液压成型等冷成型操作,室温下的材料需要更大的力,因为它们的延展性较差。

液压成型通常是一种冷成型工艺,但温液压成型正变得越来越普遍。 温液压成形使用温度高于环境条件数百度的流体。 考虑到过程复杂性,该过程总体上成本更高。 如果温度超过 350 摄氏度,则使用气体代替流体。

液压成形模拟通常使用常见的钣金成形可行性分析方法来完成。 此外,通过使用工艺窗口和负载路径计算,可以建立工艺参数。

工艺窗口和负载路径是通过模拟(有限元分析“FEA”)和实验开发的,使用所生产零件的材料特性和几何形状。 工艺窗口提供了一系列值,以图形方式显示,以指示压力系统在成型过程中遵循的压力与位移路径。 过程控制器将使用该值序列来确定应用中需要多少流体压力(以及管材液压成形情况下的轴向力)。

成型限制图提供了一个无需机器的过程能力视图。 它们是通过分析材料在液压成型操作期间的拉伸方式生产的,并允许通过观察材料和工艺的极限来定义工艺参数。

对工艺参数有影响的另一个考虑因素是表面和润滑剂的相互作用,这将对液压成型工艺的整体性能产生影响。 目标通常是减少摩擦以允许材料流动,但摩擦可以通过控制材料流动和防止重要区域的材料变薄而对过程有用。

液压成型类别

液压成型有两种不同的类别:管材和板材,以工艺中使用的毛坯几何形状命名。 这些类别可以分为具有不同过程变量和设备要求的不同过程的子类别。

  • 管材:电液、高压 THF、热气管液压成形、混合液压成形、脉冲、液压成形、低压 THF、管膨胀、温液压成形、带反冲。
  • 床单:
    • 型腔:双毛坯、电动液压、热气液压成型、脉冲液压成型、活动模具/反冲、多级、温液压成型。
    • 冲头:热气液压成形、混合双坯料、混合单坯料、脉冲液压成形、多级、温液压成形。

循环时间通常从 15 秒到 1 分钟以上不等,具体取决于组件的复杂性。 压力将取决于应用和材料,但鉴于较大的有效坯件表面积,在片材液压成型工艺中需要更大的力。

管材液压成型

从历史上看,管材液压成形仅用于生产管道零件,但多年来它扩展到包括其他应用。 该工艺的特点是将流体压力施加到由模具固定的管子内部。 模具在管子上闭合,端部被密封,管子在预定压力下充满液压流体,这将迫使管子与模具相符。

随着内部压力的增加,轴向力施加到端部密封塞上,在轴向产生压缩应力,使管子变形。 根据成型模拟确定的工艺参数,通常使用增压器精确控制压力。

工艺参数

工艺参数是通过模拟和经验方法建立的,并寻求在流体压力和轴向力之间建立平衡,以确定“工作区”,在该“工作区”中,零件将在没有屈曲、爆裂或密封失效的情况下进行最佳生产。

管材液压成形工艺中的主要工艺变量是流体压力设置、密封塞的轴向压力或位移、润滑以及在某些情况下的温度。 有时需要在某些区域将管子压平的预成型工艺,这样管子才能正确地安装在液压成型模具中。 预成型件还用于使管端成形以匹配密封塞,该密封塞可以与最终成形的零件具有相同的横截面形状。

管材液压成形有两种主要做法,称为“高压”和“低压”

在高压成型系统中,管子在对管子加压之前完全封闭在模具中。 管的周长通常略小于模具,以防止起皱或弯曲。 高内压使管子能够在材料的成型极限内通过管子膨胀来确认模具形状。 如果超过成型极限,材料膨胀通常会导致材料变薄甚至材料分裂。 高压工艺通常仅限于强度较低、成型性较高的材料,并且需要进行全面的模拟分析以确保不会发生裂缝。

在低压成型系统中,管子在模具关闭过程中会受到轻微的加压,使管子在模具关闭时与模具形状一致。 该过程首先用加压流体填充管,然后使用压力机的闭合力形成管。 由于管直接形成圆形零件形状,没有膨胀,与高压工艺相比,可以形成更高的强度,更低的材料。 使用“低压”工艺,不需要进行成型模拟,因为材料分裂的可能性很小。 但是,零件设计的周长必须与原始圆管的周长非常精确地匹配。

低压应用需要更小的压力机,它们消耗的能量更少,循环时间更短,占用的占地面积更少。

如何确定膨胀金属管所需的压力:

Pmax = Rm.t/R
Rm = 材料的抗拉强度
t = 标称壁厚
R = 管子膨胀区域的模腔半径
Pmax = 成型压力

如何确定管材液压成形过程中的闭合力:

冲压力 = Pmax·管长·管内径(近似值)
Ram force = Pmax·基于CAD的管内投影面积(精确)

压机柱塞施加的压力必须平衡作用在管状坯件内的液压所产生的力的影响。

如何确定管密封塞中的轴向密封力:

密封塞上的轴向力有三个用途:

保持与管子末端的接触以密封管子以加压
在管子末端施加压应力,将管子送入膨胀区域

克服密封塞内压的液压力
计算: 确定与管端所需的压缩应力相对应的力和由于内部成型压力产生的液压力的总和。

Fs=[ π (dt)·t·Rc]+[Pmax· π (d-2t)2/4]
Fs= 密封塞力
d = 管径
t = 壁厚
Rc = 管端所需的压应力

在管材液压成形中需要考虑的其他工艺步骤:

加厚和变薄对于任何冷成型工艺都是常见的,通过设置准确的参数,可以防止发生或保持在材料限制范围内。 虽然这些问题可以通过优化工艺参数来解决,但仍有许多设计特点需要考虑:

  1. 管弯曲位置:在管液压成形中,靠近管端的弯曲设计降低了轴向进给运动替换管膨胀过程中变薄材料的能力。 带端部进给的扩管仅适用于管端和第一个弯头之间。 其次,为了经济的弯曲,弯曲之间需要有一段直管段。 最小直线长度是管径的 1.5 倍。 比这更短的直线长度是可能的,但需要弯曲机上的轮廓夹紧模具
  2. 小半径弯曲:管材弯曲过程中发生的材料变化可能会影响液压成型过程中的成型能力。 当弯曲半径小于管径的 1.5 倍时,重要的是评估沿弯曲外侧的材料变薄。
  3. 锐利的横截面半径:半径越小,成型所需的压力越大,工艺越复杂,成型压力越高,模具力越大。 更高的成型压力需要更高吨位的压力机,这需要更高的成本。
    一般的经验法则是,对于高压工艺,半径至少为材料厚度的三到四倍,对于低压工艺,半径应为至少七倍。
  4. 过度膨胀:材料的物理膨胀取决于材料特性,但也取决于初始管尺寸和最终几何形状。 在材料失效之前估计最大膨胀点的一个好方法是进行成形模拟。

薄板液压成型

自 1940 年代以来,板材液压成形一直被认为是美国的标准制造设备,尽管其历史可以追溯到更远的时期。 在其发展过程中,板材液压成形极大地提高了其更深拉伸的能力。 液压成型机现在可以达到 ±0.002 英寸,拉深为 ±2%。

薄板液压成型使用一种工具而不是两种工具进行操作,与其他冷成型工艺相比,这降低了模具成本。

切割成一定尺寸的轧制金属板用作液压成形过程中的毛坯,其尺寸和形状由模拟结果确定,模拟结果将用于确定工艺参数以优化材料流动。

片材液压成型通常使用型腔模具或冲头进行。 冲压液压成形也称为液压机械深冲。 为了确定是使用冲头还是型腔,必须考虑所形成零件的几何复杂性和拉深深度。

如果零件具有复杂的表面特征(如凸起和冲头),则选择型腔模具,如果零件具有圆柱形几何形状和简单表面。 从尺寸的角度来看,冲床是不利的,因为它们通常具有较小的床身尺寸并且只能绘制更简单的形状。 优点是更深的拉伸和更少的材料减薄。

superplastic forming
HFP2 3000吨薄板液压成型机

工艺参数

关键工艺参数包括压力、压力随时间的变化和温度,但在使用冲头液压成型工艺时,还需要考虑冲头位移。

如何确定使钣金变形所需的力:

F = (悉尼科技大学)
T = 板材厚度
W = 模口宽度
L = 弯曲的总长度
UTS = 材料的极限抗拉强度


设置变量:

  • 使用垫片或珠子。
  • 反冲的压力(如果适用)。
  • 坯料夹持力(在实际夹持坯料的情况下)。
  • 润滑条件和摩擦。
    空白形状。
  • 使用气囊或直接流体接触 (DFC)。

膀胱与直接流体接触 (DFC)

片材液压成型可以使用柔性气囊进行,以防止流体接触毛坯,或者使用与材料直接接触的流体,这通常导致需要进行二次加工,如脱脂,并导致更好的表面质量。

气囊可防止润滑剂与工作流体混合,并允许使用某些成型技术,例如可以收紧半径的圆形压力增强器。 如果没有气囊,这将是不可能的,因为气囊可以防止流体在增压器周围泄漏,而不是施加牢固的力。

虽然气囊与 DFC 工艺相比肯定有优势,但气囊的使用寿命有限,并且在损坏时需要进行修复,这会降低工艺效率。 它还需要更重的压力机。 然而,无论选择哪一种,它对拉伸比的影响都很小。

液压成型应用

管材液压成型通常用于汽车悬架支架、A 柱、车身结构部件、排气部件、旋转发动机部件和保险杠等应用。 管材液压成型允许具有可变横截面的部件,而无需二次加工,如焊接。 这减少了生产最终零件所需的组件数量。

薄板液压成形之所以具有吸引力,是因为它可以作为近净成形制造工艺实现可成形性和表面光洁度。 它用于生产门板、车顶和车身侧挡泥板。

材料

不同的金属在不同的过程中会产生不同的结果。 因此,材料选择在确定液压成型工艺的工艺参数方面起着重要作用。 例如,材料越坚固,生产所需几何形状所需的压力就越大。

其他冷成型工艺中使用的材料可以进行液压成型,包括铝、黄铜、钢、不锈钢、铜、铬镍铁合金、哈氏合金和高镍钢、钴、铅、镀锌钢和青铜等特殊材料。

有利于液压成型工艺的特定材料特性是高延展性、均匀的伸长率、大的应变硬化系数、细晶粒结构以及屈服强度和抗拉强度之间的显着差异。

材料可成形性和所需压力:

在计算工艺参数时,感兴趣的材料特性是极限抗拉强度 (UTS)、常规屈服应力、最大力下的比例伸长率和最大力下的总伸长率。

与冲压等其他传统压制工艺相比,液压成型更适合加工钛、铜和其他高镍合金等金属。 高伸长率钢的性能优于低碳钢,但价格也更高。 同样,像不锈钢这样的材料由于其可成形性和延展性,比其他材料可以进行更深的拉伸。

铬热加工钢的工作硬度在 400 到 500 HV 之间,使其成为一种韧性和坚韧的工具钢,因为它能够承受持续暴露在高达 540 摄氏度的温度下,并且在此情况下可以保持~5MPa 的抗拉强度水平温度。 铝和镁锻造合金的 UTS 为 230-280 MPa,拉伸屈服强度为 130-180 MPa,是不可处理合金中强度最高的。

液压成型的优点

Hydroform 的主要优点是零件整合,多个组件可以重新设计为单个零件,减少或消除组装和焊接过程。 在可能的应用中,零件的强度和刚度会增加,因为横截面是均匀的,而不是焊接的半壳。 许多较新的液压成型系统通过将管端对端成型并消除切断管端的工艺废料,进一步降低了成本。

液压成型工艺的优势在于它能够根据优化的负载路径和其他工艺参数控制和改变压力。 来自流体的压力也均匀地施加在整个毛坯表面上,以促进材料的均匀膨胀,并在与成型方向相反的方向上提供成型力,从而能够产生额外的突出特征。

与其他冷成型工艺一样,液压成型会导致高水平的加工硬化,从而提高基材的屈服强度。

液压成型部件比组装冲压件更轻、更硬、更坚固,因此经常用于汽车车顶纵梁,以防止在车辆翻滚时车顶被压碎。