1、内高压成形材料及工艺参数内高压成形材料及工艺参数20102010年年0404月月2323日日二、主要工艺参数确定二、主要工艺参数确定三、缺陷形式和加载曲线三、缺陷形式和加载曲线四、内高压成形的摩擦与润滑四、内高压成形的摩擦与润滑一、内高压成形用管材一、内高压成形用管材一、内高压成形用管材一、内高压成形用管材 低碳钢、双向钢低碳钢、双向钢 抗拉强度：290440MPa 趋势：抗拉强度达到590780MPa，甚至达到980MPa 不锈钢：不锈钢：奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢304、1Cr18Ni9Ti；铁素体不锈钢；铁素体不锈钢429、309 用于发动机歧管（耐热抗氧化）铝合金：铝合金：5000系，系
2、，6000系和系和7000系系 飞机和火箭管件：5000系铝合金管材 汽车和自行车：6000系铝合金管材 钛合金：钛合金：纯钛和纯钛和TC41、材料分类、材料分类 结构的力学性能 由设计确定 内高压成形可通过加工硬化提高强度成形性能 具有较高的塑性及较大的n值和r值 制管过程中尽量减小加工硬化，保留材料的塑性直径、壁厚精度 高于普通结构钢管，确保“密封”、“零件精度”精密热轧、冷轧钢管、电阻焊管一般均能满足要求 批次之间的差别可调整密封段模具尺寸解决清洁度要求 管材的内壁外壁均应有很好的清洁度，保证零件表面质量、保护模具2、对管材的要求、对管材的要求 无缝管 晶粒细化、流线均匀 没有焊缝，力学
3、性能一致性较好 因内孔偏心，往往周向壁厚分布不均导致开裂、零件壁厚差异电阻焊管（ERW）采用热轧或冷轧板卷制造 制造过程加工硬化不均，导致性能差别 焊缝及热影响区易开裂，需通过特殊工艺控制 成本低，成形性能好，可优先选用3、钢管种类、钢管种类 激光焊管 热影响区小，塑性和焊接接头抗开裂能力优于ERW管材 用于复杂零件、尤其大膨胀率的内高压成形件 主要问题是成本高拉拔管（DOM）采用完全退火的厚壁ERW管通过冷拔工艺生产 利用芯轴进行拉拔，获得精确的尺寸和均匀的材料性能 冷拔后再通过正火或退火获得内高压成形要求的机械性能连续变截面辊轧钢管（TRT）德国mubea公司制造 材料相同，厚度不同 沿轴
4、线钢管直径变化4、钢管力学性能测试、钢管力学性能测试 单向拉伸 直径较大的焊管，可采用板材拉伸性能 直径较小、材料强度较高的管材，取弧状试样拉伸，避免硬化影响 沿环向或其它方向的性能，一般需要将管材切开后展平进行拉伸 弧形截面拉伸试样弧形截面拉伸试样环向拉伸 避免展平时加工硬化的不利影响 摩擦对测试结果有一定影响 液压胀形技术参数 钢管直径：30-120mm 最大钢管壁厚：5mm 钢管长度：D=30-60mm，L=300mm D=60-100mm，L=410mm 二、主要工艺参数确定二、主要工艺参数确定 初始屈服压力 开裂压力 整形压力（成形压力）轴向进给力 合模力 补料量 R5R565208
5、8652001281.5铝合金变径管零件图铝合金变径管零件图MPa8.35.81655.122ssdtp初始屈服压力 管材开始发生塑性变形所需要的内压开裂压力 贴模前内压应小于开裂压力22 1.5183.6=8.47MPa65bbtpd5A02外径 65mm壁厚1.5m屈服强度81.5MPa抗拉强度183.6MPaMPa8.39255.12.0bsccrtp整形压力（成形压力）成形截面过渡圆角 保证尺寸精度 高于其它部位所需内压 选择增压器、确定加载曲线R5R5652088652001281.5铝合金变径管零件图铝合金变径管零件图圆角整形压力计算示意图圆角整形压力计算示意图 rpt直边中点过渡
6、区整形前的管坯c模具c整形压力与过渡圆角半径的关系 圆角半径越小，整形压力越高 合模力大、密封困难、功率增大在满足使用要求的情况下，过渡圆角半径应该尽量大 一般，r=(4-10)t，整形压力约为屈服强度的1/4-1/10051015202530350.00.20.40.60.81.0 pc/src/t轴向进给力 管端密封 由两端向模具型腔补料 确定水平缸推力轴向进给力的构成轴向进给力的构成 kN1208.3946214.3422iippdFp高压液体反力高压液体反力kN1.451.08.3955.556514.3ipdlFp摩擦力摩擦力kN6.125.81655.114.35.02sttdFp
7、管材塑性变形力管材塑性变形力12045.1 12.6177.7kNaptFFFF理论值kN156132)3.11.1(paFF工程估算管坯初始长度补料量 沿轴向推入模腔的材料长度，用于确定水平缸行程 作用：减少减薄率、提高膨胀率mm1.239)(sin21220llddDdlDlmm1.392001.23910lll实际补料量：理想补料量的6080理想补料量：假设成形前后管坯壁厚不变 成形后工件表面积等于初始管坯表面积合模力闭合模具、避免缝隙确定合模压力机能力 p pc c整形压力（整形压力（MPaMPa）A Ap p工件在水平面上的投影面积（工件在水平面上的投影面积（mmmm2 2）对于轴线
8、为曲线的零件，投影面积对于轴线为曲线的零件，投影面积A Ap p为宽度与轴线在水平面上投影长度之积为宽度与轴线在水平面上投影长度之积310cpcpAFkN510108.39128173三、缺陷形式和加载曲线三、缺陷形式和加载曲线缺陷形式 屈曲 原因：成形区长度过大，初期内压不足，轴向力大 措施：管材长度合理、增加预成形、调整工艺参数屈曲屈曲起皱起皱开裂开裂起皱 原因：轴向力过大，成形初期形成皱纹 措施：调节加载路径，工艺复杂 死皱：皱纹过深，形成无法展平的缺陷“有益皱纹”：可以展平，可减小减薄率开裂 原因：内压过高、变形不均、管壁颈缩 例如：低碳钢管膨胀率40，则内压过高易开裂 措施：管壁在颈
9、缩前贴模、预成形减小膨胀率、退火恢复塑性成形区间：不起皱、不破裂的轴向应力和内压之间匹配的区间加载曲线：内压和轴向进给量（轴向补料量）之间的关系 0轴向进给内压开裂区成形区间起皱区上限下限加载曲线图图2-10 2-10 成形区间和加载曲线成形区间和加载曲线 加载曲线要在成形区间中选择确定加载曲线位置不同获得零件的壁厚减薄程度不同 靠近上限壁厚减薄大 靠近下限，壁厚减薄小成形区间的内压宽度越大，工艺控制越容易 膨胀率 零件某一个截面周长相对于管坯初始周长的变化率（%）极限膨胀率 通过控制加载曲线，从初始管材一次成形可获得的最大膨胀率(a)(a)任意形状截面任意形状截面 (b)(b)圆截面圆截面
10、(c)(c)矩形截面矩形截面 100%Cdd100%Ddd(224)100%cabrdd%100maxmaxddCmaxmax100%Ddd影响极限膨胀率的材料因素影响极限膨胀率的材料因素管材力学性能（延伸率、硬化指数n值、厚向异性指数r值）延伸率、硬化指数越大，则极限膨胀率越大 不锈钢极限膨胀率大与铝合金圆形截面管件的极限膨胀率圆形截面管件的极限膨胀率 （成形区长度（成形区长度2d2d）材料max纯胀形max不锈钢12035低碳钢10025铝合金4020铜合金15060影响极限膨胀率的零件尺寸和工艺因素影响极限膨胀率的零件尺寸和工艺因素最大截面的部位、成形区长度 位于工件两端，容易补料，极限
11、膨胀率较大 成形区长度大、最大截面位于工件中部，不易补料，极限膨胀率相对较小壁厚 厚度增大，极限膨胀率有所增大，但增加幅度较小零件形状 非对称形状结构的极限膨胀率小于对称形状结构加载曲线 采用优化的轴向补料量和内压匹配关系，可提高极限膨胀率成形区长度对极限膨胀率的影响成形区长度对极限膨胀率的影响极限膨胀率随成形区长径比变化存在峰值长径比大，极限膨胀率随长径比增加而减小，变化幅度不大长径比很小时，极限膨胀率随成形区长径比的减小急剧下降 四、内高压成形的摩擦与润滑四、内高压成形的摩擦与润滑摩擦的影响 壁厚分布 极限膨胀率 缺陷形式 圆角过渡区开裂圆角过渡区开裂 润滑剂及摩擦系数固体润滑剂：MoS2和石墨 约占40润滑油和石蜡 约占30乳化剂及高分子基润滑剂 约占30施加方法 喷洒、浸泡 有些需干燥和硬化摩擦系数影响因素摩擦系数影响因素内压对低碳钢摩擦系数的影响内压对低碳钢摩擦系数的影响 n 肥皂：内压对摩擦系数没有影响肥皂：内压对摩擦系数没有影响n MoS2MoS2：随内压增加而减小，到一定内压趋于稳定：随内压增加而减小，到一定内压趋于稳定 材料 钢钢摩擦系数较低 铝合金钢摩擦系数较高 润滑剂 内压 送料速度 送料量 模具硬度及表面处理
