管件液压成形技术及其进展.pdf

2 0 1 1 年 6月 第3 9 卷第l 1 期 ． 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ．1 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 3 9 管件液压成形技术及其进展 郑再象，沈辉 ，秦永法 扬州大学机械工程学院，江苏扬州2 2 5 0 0 2 摘要管件液压成形技术属先进制造技术 ，因其具有众多优点 ，已在汽车行业得到广泛应用。简要介绍该技术的成形 原理、优缺点及应用，从设备及模具、材料及成型性、工艺参数及失败模式、数值模拟及优化方法、预成形、摩擦与润滑 等方面分析国内外的研究和应用状况，并指出该技术的发展趋势。 关键词液压成形；管件；进展 中图分类号T G 3 9 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 1 1 3 9 4 Re c e nt De v e l o pme n t s o f Tub e Hy dr o f o r mi n g Te c h no l o g y Z HE N G Z a i x i a n g ，S HE N H u i ，Q I N Y o n g f a Y a n g z h o u U n i v e r s i t y ，Y a n g z h o u J i a n g s u 2 2 5 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T u b e h y d r o f o r mi n g i s o n e k i n d o f a d v a n c e d f o r mi n g me t h o d s ．Du e t o s e v e r a l a d v a n t a g e s a s c o mp a r e d t o c o n v e n t i o n al ma n u f a c t u r i n g v i a a s t a mp i n g p r o c e s s，t u b e h y d r o f o r mi n g h a s b e e n p a i d mu c h a t t e n t i o n i n t h e wo r l d and w i d e l y u s e d i n t h e a u t o mo ti v e i n d u s t r y ． T u b e h y d r o f o rm i n g p rin c i p l e a n d i t s a d v a n t a g e s w e r e i n t r o d u c e d ． C u r r e n t印 p l i c a t i o n s and d e v e l o p me n t s o f h y d r o f o rm i n g e q u i p me n t a n d d i e，ma t e ri a l p r o p e r t i e s ，k e y p r o c e s s p ara me t e r s ，f a i l u r e mo d e s ，n u me r i c a l s i mu l a ti o n，o p t i mi z e me t h o d s ，p r e f o r - rui n g，t r i b o l o g i c al c o n d i t i o n s ，l u b ri c a t i o n and S O o n，w e r e d i s c u s s e d ．I n a d d i t i o n，r e l a t i o n s b e t we e n p r o c e s s v a r i a b l e s and a c h i e v abl e p a r t g e o me t r y w e r e d i s c u s s e d ． T h e s t a t u s o f c u r r e n t t e c h n o l o g y a n d c ri t i c a l i s s u e s f o r f u t u r e d e v e l o p me n t we r e r e v i e w e d ． Ke y wo r d s Hy d r o for mi n g；T u b e ；De v e l o p me n t 随着汽车、航空、航天等工业的不断发展，轻量 化结构因节省材料、降低能耗和减轻污染等显得 日益 重要，并成为现代制造技术的发展方向之一。而实现 结构轻量化有 3条主要途径 1 采用轻体材 料 ，如铝合金、镁合金、钛合金等； 2 采用高强 度材料，如高强度刚等； 3 采用先进制造工艺 ， 如液压成形技术、激光拼焊技术等。其中液压成形技 术主要用来加工管件，使之成形为具有异型截面的构 件 ，来代替实心构件，在不提高材料成本的前提下， 既可减轻质量又可充分利用材料的强度和刚度。随着 超高压动密封技术和超高压计算机控制技术的不断发 展和完善 ，管件液压成形技术逐渐发展起来，且 13趋 成熟 ，已成为金属塑性成形加工领域研究的前沿和热 点，并在欧洲、北美、日本、韩国等国家的大型企业 中得到 了广泛 的应用 。 1 原理 管件液压成形是以金属管材为毛坯，借助专用设 备向密封的管坯内注入液体介质，使其产生高压，同 时还在管坯的两端施加轴向推力，进行补料 ，在两种 外力的作用下，管坯材料塑性变形，并最终与模具型 腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空 零件 引。液压成形原理如图 1 所示。 I t 图 1 管件液压成形原理示意图 当零件轴线不是直线、模腔分模面处截面小于管 坯截面时，需进行弯管、冲压等预工艺 ，以便管坯能 顺利置入模腔中，如有必要 ，在液压成形之前还需进 行退火处理 。 2 优缺点及应用 2 ． 1 优 缺 点 与传统的冲压焊接工艺相比 如图 2所示 ，管 件液压成形工艺具有以下优点 ] 1 减轻零件质 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 2 基金项目国家科技部创新基金资助项 目 0 7 C 2 6 l 4 3 2 仉3 5 7 作者简介 郑再象 1 9 7 2 一 ，男， 博士 ， 讲师 ， 研究方向为管件液压成形设备及工艺参数。电话1 3 6 6 5 2 0 0 8 8 6 ，E m a i l z z x _ - c j 1 6 3 ． c o rn。 帚 1 口 『 翠 宣 1 4 0 机床与液压 第 3 9卷 量 ，节约材料； 2 提高零件 的强度和刚度，特别 是疲劳强度 ； 3 减少零件数量 ，节约模具成本 ； 4 零件整体成形，可减少后续机械加工和组装焊 接量，简化生产流程，提高生产效率 ； 5 提高加 工精度 ，减少装配误差积累，可提高产品质量 ； 6 降低生产成本 ； 7 结构形状设计更趋灵活、优化。 a 冲压 焊接 工 艺 b 液 压 成形 工 艺 图2 不同加工工艺的比较分析 2 ． 2应 用[ 7 j 基于上述诸多优点 ，德国在 2 O世纪7 0年代率先 开展了管件液压成形技术基础的研究，但真正商业上 的大规模应用则始于 2 0世纪 9 0年代。1 9 9 0年，V a r i ． F o r m公司首次采用液压成形工艺为克莱斯勒公司 大批量生产小型货车的仪表板梁，当时的年生产能力 为 3 0万件。1 9 9 3年 ，D a i m l e r B e n z 公司建立 了第一 条管件液压成形生产线。1 9 9 4年 ，S P S 公司制造的世 界上第一条全 自动液压成形专用生产线在宝马汽车公 司的 D i n g o l fi n g工 厂投 入使 用。同年，福特 公司在 C o n t o u r 和 M y s t i q u e 两款 汽 车上采 用液 压成 形 的 发动 机支架 ；而通用公司在 B u i c k R e g a l 和 O l d s m o b i l e C u t l a s s 两款汽车上采用液压成形的仪表板梁。液压成形 在亚洲的发展比较晚 ，日本和韩 国分别在 1 9 9 7年和 2 0 0 3 年建立液压成形生产线；在国内，无锡纽普兰 和上海宝钢等公司最近两年也建立了液压成形生产 线 ，从事液压成形 的研究 和生产。 现在各大汽车公司相继建成了液压成形生产线， 投入了大量的人力和物力对液压成形技术展开研究， 汽车上所采用的液压成形件越来越多。有迹象表明， 世界上对制造业的主要投资正在流 向液压成形技术。 目前，世界上所能生产的液压成形件最长可达 1 3 m， 单件生产时间最短可达 1 0 s 以内，年生产能力可达5 0 0 万件。表 1 给出了管件液压成形工艺在汽车各个总成 上的应用实例。图3是利用该工艺加工的部分零部件。 表 1 液压成形工艺在汽车行业的应用实例 名称 应用实例 发动机凸轮轴 、 曲轴、 排气歧管、 催化转化器等 副车架 、 发动机托架、 梯形架、 保险杠、 车架纵梁、 底 盘横梁、 散热器壳、 后桥壳、 转 向管柱、 操纵杆、 控制 臂 、 管接头等 仪表板梁、 座椅框架、 车顶纵梁、 横梁、 A立柱、 B - r 立柱、 c立柱、 空间骨架、 挡风玻璃支架等 图3 液压成形工艺在工业上的应用实例 3国内外研究现状 3 ． 1 液 压成 形设 备及模 具 完整的液压成形生产线所涉及 的设备有 割管 机、弯管机、冲压设备、成形设备、清洗机以及退火 设备等 ，其中成形设备最为重要也最为昂贵。目前， 国际上能够提供管件液压成形技术与成套设备的制造 商多数集中在欧洲和北美，其 中，以德国 S c h u l e r 公 司和 S P S 公司、瑞典 A P T公司、美 国 I T C I i t e d a k e n 公司和 H y d r o d y n a m i c s 公司为主要代表。国内从事设 备研究的机构及公司有哈尔滨工业大学、南京理工 大学以及无锡纽普兰公司等。 为克服液压成形设备成本高、效率低等缺点以及 适应柔性化生产要求，设计新型的低成本的锁模液压 机或锁模机构，研究更快的合、分模系统，开发更高 速度的充液系统和更高压力的增压系统 ，让设备集成 更多的功能，具有更大的灵活性等问题仍需要研究。 图 4 a 所示为早期的液压成形设备 ；图4 b 所示 液压机采用模块式设计 ，既可分拆成两个液压机 ，还 可根据需要继续组合变成更大吨位的液压机，可满足 不同条件下的生产加工 。 a 早期的液压成形设备 b 模块式液压机 图 4 液压成形设备 3 ． 2 材料及成形性 管件液压成形性与材料密切相关 ，在一定程度 上 ，液压成形成功与否取决于材料力学性能参数 的 准确与否。而管材的力学性能参数通常是用同种材 料平板试件的单向拉伸实验数据结果，这与液压成 形过程 中受到的双向、甚至三 向应力状态不 同。另 外，焊管是由板料滚弯、焊接而成 ，经过这些工序 后 ，材料力学及成形性能参数会有 明显的变化。至 于无缝管 ，则 由挤压成形而来 ，与板材力学参数相 差更大。因此 ，建立 、发展和完善管材性能 如屈 第 1 1 期 郑再象 等管件液压成形技术及其进展 1 4 1 服极限 o r 、延伸率 、应变硬化指数 n 、各向异性系 数 r 等测试方法 、分析方法和科学评估体系对指 导液压成形实验和生产具有重要作用 ，亦是当前研 究的重点之一。如美 国的 A L T A N教授以破坏 检测 方式量取管壁厚度并由理论公式求得管材液压成形 流动应力及成形极限图；日本的 H Y U K I 教授利用 非破坏检测方式 超声波检测获取管件液压成形 参数 m 。 3 ． 3工艺参数及失败模式 影响液压成形过程和结果的因素众多，如材料力 学性能、润滑条件、模具的形状及几何参数、工艺参 数等 ，其中工艺参数 内压、补料量及速度 最为 重要 ，见图5 。当内压上升过快而补料不足时，管坯 出现过分拉薄甚至开裂等失败模式 ；反之 ，当内压上 升太慢而补料过快时，管坯易出现起皱、屈曲、折叠 等失败模式。因此，合理匹配内压加载路径和补料量 及补料速度之间的关系，可确保管坯顺利成形，减少 废品率、降低生产成本。 爨 ．星 癣 臂坯 内压 力 图5 液压成形极限及区域 N a d e r A s n a f i ，1 9 9 9 3 ． 4数 值模 拟及 优化 方 法 液压成形过程常常是集几何非线性、材料非线 性、边界条件非线性于一身的高度非线性问题，同时 又经常伴随有大的位移和转动，成形过程极其复杂。 因此，采用试验法获取模具和工艺设计参数需耗费大 量的人力和物力，且不易获得最合理的结果；采用解 析法对一些简单的对称的结构件进行分析尚能获得满 意的结果，但对中等复杂程度以上的零件进行分析非 常困难；而数值模拟方法能准确地反映液压成形过 程 ，预报成形缺陷，显示工件贴模情况，给出壁厚、 应力应变分布，通过仿真试验还可获得最优的加载曲 线、模具与管件的尺寸和形状参数等，非常适合用于 液压成形工艺分析。 当前，采用数值模拟技术主要是用来分析典型零 件的成形过程以及成形介质、加载路径、材料力学性 能参数、计算算法等对成形结果的影响，寻找成形规 律，优化工艺参数，以及预测起皱、屈曲和开裂等成 形失败模式。图 6给出了某零件壁厚减薄率分布云 图。 图6 壁厚减薄率分布云图 为了在较短的时间、较低的模拟计算工作强度内 找到最有效的加载路径和工艺参数，部分研究人员在 成形数值模拟 中采用优化技术 ，并取得了较好 的效 果。如 Y A N G采用贝塞尔曲线来描述液压成形过程 中的内压和轴向补料曲线，将 曲线上的控制点作为优 化问题的设计变量，优化壁厚最大减薄幅度 、应变率 变化 幅 度、均 匀 变 形 等 ；J I R A T H E A R A N A T将 P A M O P T和 P A M S T A M P集成起来 ，采用梯度法和响 应面法进行工艺参数的优化分析 ；郑再象在多学 科优化平台 I S I G H T上集成 L S D Y N A，以最大最小壁 厚作为优化 目标来优化 内压加载曲线和轴向补料曲 线 。 3 ． 5 预成形 在复杂件的液压成形之前 ，通常还有预成形，如 预弯曲、预冲压等。因此，在模具和工艺参数设计时 必须考虑 预成形 对液 压成形 过程 及结果 的影 响。 A H ME D等对圆形截面成形为方形截面的管件预弯与 液压成形过程进行 了研究 ；L I U对十字形构件梁 整个加工工艺过程展开了分析，探讨前后工序间的相 互影响[ 1 4 j ； Y A N G等以汽车转向拉杆为对象，对预弯 曲和液压成形的全过程进行 了分析，指出弯曲半径、 芯棒等对管件弯曲质量影响明显，并对不同的预弯加 工方法进行了比较分析 ；A S N A F I 等以挤压铝为材 料 ，完成了汽车边梁构件的预弯、预冲压和液压成形 的实验工作，并将实验结果与数值仿真结果进行了比 较分析 。 管件预弯曲后 ，弯曲部位的外侧壁厚变薄甚至破 裂 ，内侧壁厚增厚甚至起皱，在液压成形过程中，变 薄处所能承受的最高内压力显著降低 ，常常在成形的 初始阶段就出现开裂。至于预冲压 ，只要冲压量设计 合理，对成形结果的影响相对有限。因此，如何根据 零件选择恰当管坯、分配预成形量特别是预弯曲量、 确定预成形件的形状等都是预成形中有待深入研究的 问题 。 3 ． 6 摩擦与润滑 在成形过程中，摩擦条件直接影响到液压成形管 坯材料的流动特性、成形后零件的表面质量、补料量 8 O 机床与液压 第 3 9卷 开始 取得当前伺服装 置所用服务通道 以元素 1 写相应参数 的I D N ， 打开服务通道 设置新节拍 主 读或写数据值 ／ 很 据 当前＼ 服所用服务包控 0 ，判断节拍是 土 保存数据值 或不作处理 以元索 0 写相应参数 的I D N ． 关闭服务通道 结束 至 返 回 F A I L U R E 图6 非周期数据传输流程图 3 ． 3 系统运行与软件方案验证 为了验证软件 设 计方案 和关 键技术 的 可行 性 和 有 效 性 ，设 计 了 如下 测 试 系 统 在此 系 统 中 ，主 站 卡 采用 自主开 发 的 S E R - C O S主 站 通 讯 模 块 ， 通过光纤与 L U S T的基 于 S E R C O S ． I I的 6个 伺服装置互连构成环 图7 系统实物连接图 形拓扑结构的数字通信系统。经反复测试，利用文中 提出的软件设计方案开发的 S E R C O S主站通讯模块在 该测试系统中已顺利完成初始化过程，进入正常操作 阶段，并在5 0 0 s内的控制周期内可实现 6轴伺服 电机同步实时运动。系统实物连接图如图7所示。 4结 语 作者 主要 是 从 开 发者 的 角 度 探 讨 了基 于 S E R C O S总线 的高 速数 字通讯接 口软件设计 的实现流 程。实践表明，利用该驱动程序的 S E R C O S总线通 讯系统在各种环境下能够可靠地实现运动控制器与 伺服驱动器之间多轴实时同步运动 ，可应用于数控 系统 、无轴传动系统等需要高速、高精度实时数据 传输的领域 ，对 S E R C O S接 口技术在国内的推广具 有重 大的意 义 。 参考文献 【 1 】全 国工 业机 械 电气 系统标 准化 技术 委员 会． G B ／ T 1 8 4 7 3 - 2 0 0 1工业机械电气设备控制与驱动装置间实 时串行通 信数据链通 [ S ] ． 北京 中国标准 出版社 ， 2 00 2． 4． 【 2 】 郇极 ， 尹旭峰． 数字伺服通讯协议 S E R C O S 驱动程序设 计及应用[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 5 ． 9。 【 3 】陈卫福， 杨建武． 开放式数控系统及 S E R C O S 接 口应用 技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ． 9 ． 【 4 】张剑． 基于 S E R C O S 总线的数控系统高速数字通信技术 研究[ D] ． 南京 南京航空航天大学， 2 0 0 8 ． 【 5 】王水迎， 杨建武． 基于 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2的 S E R C O S 总线从 站接口卡的设计[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 0 7 ， 2 9 5 9 4 96． 【 6 】 刘艳强， 郇极． 基于现场总线的开放式数控系统数字伺 服通信协议[ J ] ． 制造业 自 动化， 2 0 0 6 ， 2 8 1 5 0 5 3 ． 【 7 】h t t p ／ ／ w w w ． s e r c o s ． c o l n ／ ， 2 0 0 9 0 8 ／ 2 0 1 0 0 3 ． 上接第 1 4 2页 【 8 】 G R E Y J E ， D E V E R E A U X A P ， P A R K E R W N ． A p p a r a t u s f o r M a k i n g Ww u t M e t a l T ’ s U S ， 2 2 0 3 8 6 8 [ P ] ． 1 9 3 9 ． 【 9 】S C H M E C K E L D， H I E L S C H E R C ， P R I E R M． D e v e l o p m e n t s a n d P e r s p e c t i v e s o f I n t e r n a l Hi g h - p r e s s u r e F o r mi n g o f Ho l - l o w s e c t i o n s [ c ／ ／P r o c e e d i n g s o f t h e 6 t h I C T P， 1 9 9 9 ． 9 l 1 711 1 8 2 ． 【 1 O 】茫志宇． 管件液厘成形之材料流勤特性测定介绍[ J ] ． 锻造， 2 0 0 2 ， 1 1 3 4 2 4 6 ． 【 l l 】Y A N G J B ， J E O N B H， O H S I ． D e s i g n S e n s i t i v i t y A n a l y s i s a n d O p t i m i z a t i o n o f t h e H y d r o f o r m i n g P r o c e s s [ J ] ． J o u rnal o f Ma t e r i al s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ， 1 1 3 1 ／ 2 ／ 3 6 6 66 7 2 ． 【 1 2 1 郑再象． 汽车用异型截面管件液压成形设备及工艺参 数研究[ D ] ． 南京 南京理工大学 ， 2 0 0 7 ． 1 ． 【 l 3 】A H M E D M， H A S H M I M S J ． F i n i t e E l e m e n t S i m u l a t i o n of B u l g e F o r mi n g o f a l l El b o w of Bo x S e c t i o n F r o m C i r c u l a r T u b e [ J ] ． J o u rna l o f M a t e r i al s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9． 9 29 3 4 1 04 1 8 ． 【 1 4 】L I U J ． T u b e h y d r o f o r m i n g p r o c e s s d e v e l o p m e n t w i t h t h e a i d of c o mp u t e r s i m u l a t i o n [ C] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l M a n u f a c t u r i n g Co n f e r e n c e 2 0 0 0， 2 0 0 1 0 5 5 2 1 0 2 6， Ch i c a g o ， 2 o o 0 ． 9 ． 【 1 5 】 Y A N G J B ， J E O N B H ， O H S I ． T h e Tub e B e n d i n g T e c h - n o l o gy of a Hy d r o f o r mi n g P r o c e s s f o r a n Au t o mo t i v e P a r t [ J ] ． J o u rnal o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o gy， 2 0 0 1 ， 1 1 1 1 7 51 8 1 ． 【 l 6 】 A S N A F I N， N I L S S O N T ， L A S S L G ． Tub ul ar H y d r of o r m i n g o f A u t o mo t i v e S i d e Me mb e rs wi t h E x t r u d e d A l u mi n u m P r o f i l e s [ J ] ． J o u rn al of M a t e ri al s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ， 1 4 2 1 9 31 0 1 ．