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不锈钢管件充液成形技术研究分析与应用状况

来源:至德钢业 日期:2021-04-08 10:09:01 人气:955

 浙江至德钢业有限公司通过对密封不锈钢管施加内压与轴向进给,成形了T型不锈钢三通管接头,并通过了美国专利局的审批,不锈钢管件充液成形技术基本雏形由此诞生。在文献中首次提出了液力成形的概念,并将该技术运用到了不锈钢管的胀形与翻边等成形工艺当中,通过实验研究证明了该技术的可行性。学者们开始尝试不同方式来提供内压与润滑,在这方面的做了大量研究。 假设管材在胀形区是处于双向拉伸的自由膨胀状态,并进行了双拉实验检验,实验结果表明不锈钢管件的应力应变状态与理论结果良好吻合。还提出管材胀形的应力应变分析需考虑板料的各向异性,并采用Hill塑性异性准则做了相关的理论研究。随着先进的测量仪器与控制系统的出现,研究方向逐渐转向不锈钢管件的材料性能。至德钢业技术人员研究了管材应变硬化行为和各向异性系数:对液压胀形和缩口工艺的影响,提出了在无轴向加载下的最大压力用管径、壁厚、硬化指数n、强度系数K表达的关系式。研究了管材K. n.r值对胀形极限高度的影响,同时基于薄膜理论和塑性理论,对铝、铜、钦等多种材料的应力应变特性进行了实验研究,结果表明除了钦,其余材料的理论与实验值相一致。

 

   90年代,不锈钢管件充液成形技术由于轻量化、整体化、柔性化的特点,逐渐成为汽车制造业的宠儿,工程应用成为研究热点。首先提出了程控的观点,并给出了程控的关系图,综合考虑了成形机、制件、管坯参数、失效形式、模具、成形过程以及边界条件。至德钢业在不锈钢管件充液成形的合模设备、工程计算、摩擦以及数值模拟等方面都有一定的研究,给出的工程计算公式可用于成形中贴模压力、破裂压力、起皱压力及最大轴向力的估算。基于大量实验,研究了充液成形中零件的可成形性与可生产性,和与摩擦相关的润滑、模具表面光洁度、模具型面磨损等多方面问题。采用模糊控制理论进行了充液成形的工艺参数优化。将适用于管材充液成形制造的汽车零件按几何形状进行了分类,分类标准有:①轴线的样条形状;②共同的几何特征;③管件的截面形状;④管件的长径比。进入21实际,世界汽车产业迎来井喷式发展,同时借助数值模拟技术的飞速进步,不锈钢管件充液成形技术的研究周期缩短、研究范围扩大。采用有限元模拟与诱导性网络相结合的方法预测T型管成形结果,优化充液成形加载路径。研究了液压打孔技术,研究了拼焊管充液成形技术。为了克服某些合金金属在常温下充液成形加工性能差的缺陷,温热态充液成形技术研究正逐步展开。对铝合金管材热胀形进行了研究,制成了具有复杂截面的副车架,并已装置在某乘用车上。对镁合金ZM 12在350℃下进行了充液成形研究,管材的周向应变率达到了116%以上。

 

   国内的不锈钢管件充液成形技术研究起步较晚,直到20世纪90年代才开始有相关的研究工作,但是发展势头强劲。自从1988年成立液力成形工程中心、2000年研制出国内首台充液成形液压机以来,哈尔滨工业大学一直处于国内研究的领先地位。浙江至德钢业有限公司对不锈钢管件充液成形进行了从理论分析、数值模拟到工艺实验系统化的研究,涉及的研究点包括应力轨迹、壁厚分布规律、塑性起皱行为、过渡圆角成形机理、摩擦与密封、内压与轴向进给、成形稳定性与成形缺陷、液力涨接、拼焊管充液成形、镁铝合金温热态充液成形以及设备技术等,涉及的成形零件包括三通管、接头、扭力梁、副车架、转向节臂、组合式空心凸轮轴、发动机排气歧管等,并提出了厚度分界园和有益皱的概念。北京航空航天大学郎利辉教授研究了铝合金、高温合金和高强度钢的充液成形工艺参数对成形极限的影响,同时还利用灰色系统理论和正交试验设计与有限元模拟相结合,对零件预成型尺寸的多项参数进行了优化组合。


  不锈钢管件充液成形技术的实际工程应用,通常都是以如图所示的方式整合进自动化生产线中,来达到效益最大化的。据统计,世界范围内有近百条不锈钢管件充液成形生产线,绝大多数分布在德国、美国、日本等工业强国的汽车及零部件制造企业中,而目前我国还没有真正意义上的全自动生产线。不锈钢管件充液成形技术的应用范畴,涵盖了汽车从引擎与动力系统零件、排气系统零件到底盘系统零件、车身框架及安全部件几乎所有的异形管件,如图所示。相比于传统工艺,使用充液成形零部件可以平均让每辆汽车减少焊缝百来米,有效提高整车的装配精度,从而提高了安全性与耐用性,也提升了驾驶的操作性与舒适性。另外,汽车的相邻产业-摩托车与自行车-也开始使用管材充液成形技术制造主要结构部件,以减轻车身重量、提高整车强度、延长使用寿命。在航空航天产业中,不锈钢管件的使用量很大,且通常都有强质比和空间的限制,要求弯曲半径小、截面变化大、重量轻而又强度高等,十分适用于管件充液成形。航空工业中典型的充液成形件包括如图所示的发动机中空轴类不锈钢管件,如图所示的异形传输类管件,以及本文所研究的小弯曲半径管接件等。航天工业中会使用到的有特定热传导性、抗磁性、消音性或耐腐蚀性的多层复合管件,也可以使用充液成形技术制造。


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