管材液压胀形试验装置的开发.pdf

液 压 气 g -A与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 2期 管材液压胀形试验装置的开发 容海松 杨连发 毛献昌 1 ． 桂林 电子科技大学机电工程学院， 广西桂林5 4 1 0 0 4 ； 2 ． 河池学院物理与电子工程系 ， 广西宜州5 4 6 3 0 0 摘要 管材液压胀形试验装置的开发对管材液压胀形技术的发展起着不可估量的作用。 简述了国内外近年来 几种管材液压胀形 的试 验装 置 ， 包括外控液压增压式和内补液增压式试验装 置 ， 对 比分析 了它们的工作原理 、 技术特点 、 密封方式 以及 内液压力 的产生方式 ， 提出了试验装置开发的发展趋势 。 关键 词 管材 ； 液压胀形 ； 试验装置 ； 开发 中图分类号 T G 7 0 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 2 0 0 4 0 0 4 De v e l o p me n t o f Tu be Hy d r o f o r mi n g Te s t To o l R O N G H a i - s o n f Y A N G L i a n - f a M A 0 X i a n - c h a n f 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， Gui l i n Un i v e r s i t y o f El e c t r o n i c Te c h n o l o g y ， Gu i l i n 5 41 0 0 4， Ch i n a； 2 ． P h y s i c s E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ，He c h i U n i v e r s i t y ，Y i z h o u 5 4 6 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t E x p l o i t a t i o n o f T u b e Hy d r o - f o r mi n g t e s t t o o l p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n t h e d e v e l o p me n t o f T u b e Hy d r o f o r mi n g t e c h n o l o g y ． S o me T u b e Hy d r o - f o rm i n g t e s t t o o l s a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ， i n c l u d i n g t e s t t o o l wi t h o u t s i d e p r e s s u r e a n d wi t h i n t e r n a l p r e s s u r e ． T h e i r w o r k i n g wa y s ， t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ， s e a l wa y s a n d t h e wa y s o f p r o d u c i n g fl u i d i n s i d e p r e s s u r e a r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d ， a n d t h e d e v e l o p me n t t r e n d i n e x p l o i t a t i o n o f t h e t e s t t o o l s i s e n v i s i o n e d ． Ke y W o r d s t u b e ； h y d r o - f o rm i n g ； t e s t t o o l ； e x p l o i t a t i o n O 引言 管材液压胀形技术 T u b e h y d r o f o r m i n g ， T H F 是 指管材在内部液压力作用下径向扩张产生塑性变形的 一 种特种成形工艺 ，是近年来发展起来的一种塑性成 形新工艺。其工艺过程是 将一定长度的薄壁金属管材 放入模具 内， 利用高压液体充人管材内腔 ， 同时铺 以轴 向力 即轴 向补料 ， 使管材变形 ， 充满模具型腔[ 1 J 。与传 统的铸造 、 焊接 、 锻造和机加工等工艺相 比， 该工 艺得 到的零件质量更轻 、 强度更强‘ 、 形状更精确 ， 而且其材 基金项 目 制造系统 与先进 制造技 术广西重点实验室基 金项 目 0 9 0 0 7 0 5 S 0 0 7 ； 广西河池学院青年科研课题资助项 目 2 0 1 1 A N O 0 1 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 1 5 作者简介 容海松 1 9 8 5 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 就读于桂林 电子科技 大学研 究生学院机械制造及其 自动化专业 ． 主攻管材脉动液 压成形技术 。 - 一 - - - t --- 一十- - - - - - - - 中的应用『 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 ． 【 3 ] 李 玉玲． 基 于 A ME S i m的 A B S液压调节器 建模 与仿真[ J ] ． 农 业装备与车辆工程 ． 2 0 0 8 9 ． 、 【 4 】 余 佑官 ， 等． A ME s i m仿真技 术及其在液压 系统 中的应J T J [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 o 5 3 ． 40 料利用率高， 生产成本低。正是由于这些优点， T H F技 术被广泛的应用到汽车制造业 、航天航空制造业等领 域 。 T HF技术的成败取决于合理的选择材质 、 合适的预 成型 、 合理的加载路径等。在使用 T H F技术前 ， 管材成 形性能的测量及加载路径 的确定是两项非常重要 的工 作[2 1 ， 因而试验装置的开发显得尤为重要。 目前国内外 学者开发出了各种试验装置。本文将 国内外学者研制 的试验装置分为外控液压增压式和内补液增压式两大 类 ， 并就各种试验装置的工作原理 、 密封方式 、 液压的 产生进行介绍 、 分析和对 比。 1 外 控液压式试验装置 外控液压式试验装置是指管材液压胀形所需内液 压力 由外部液压系统提供及控制 的试验装置。该类装 置的液压系统一般由伺服泵 、液压传感器 、位移传感 【 5 1 李 壮 云 ， 等 ． 液 压元 件 与系 统[ M 】 ． 北 京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 6 】 历城功 ， 和彦淼． 液 压系统建模与仿真分析【 M】 ． 北 京 北 京航 空工业 出版社 ． 2 o 0 8 ． Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 2 ． 2 0 1 2 器 、 流量 阀、 压力阀及各种液压元器件组成。 美 国俄 亥 俄 州立 大 学 精 密 制造 工 程 研究 中心 E RC ／ N S M 的 T ． S o k o l o w s k i 在 2 0 0 0年设计了一套管 材两端固定的 自然胀形试验装置【 3 ] ， 如 图 1 所示。其工 作原理是 将管材放入模 中， 然后合模密封好 ， 启动液 压系统 ， 将液体从加压端通人管件 ， 继续加压 ， 使用数 据采集系统显示管材 的内压力 、 胀形高度和厚度。该装 置使用四个螺钉使容腔与上下平板连接起来 ．然后通 过液压缸 中间的通液孔流进和流出管材 内部 的液体 ， 使 固定在管材两端的密封圈膨胀 ．从而使管材的两端 均被密封圈固定 ， 不能向管材胀形区域补充材料 。该装 置通过氨基 甲酸 乙酯对管材进行密封 ．即氨基 甲酸乙 酯在管材内液压力的作用下膨胀 ，将管材紧紧的贴在 定位圈的内表面 ， 从而达到密封的作用 。该装置使用外 控液压式增压 ， 其液压系统由液压泵 、 液压控制 阀、 溢 流阀和相关的通液管组成。该装置结构简单 ， 只需要有 足够的压力源即可现实试验 。但该试验装置密封过程 复杂麻烦 ，管壁和密封件之 间的摩擦导致密封件损耗 严重。 1 一 卸 压 口 2 一 液 压 缸3 一 上 定 位 圈4 一 位 移 传 感器5 一F定 位 圈 6 一 密封 圈7 一 压力传感 器8 一 液压 系统9 一 加压 口 1 0 一 上平 板 1 卜成形管材 1 2 一 容腔 1 3 一 下平板 l 4 一 数据采集系统 图 1 管材液压胀形设备 南京航空航天大学的李泷杲【4 】 于 2 0 0 6年设计 了一 套结构简单 的管材液压胀形试验装置 ，其结构示意图 如图 2所示。该装置用于测试管材液压胀形过程 中液 压力与胀形高度。其工作原理 首先将管材放人下模具 后进行合模 ， 然后冲头进入管端进行密封 ． 液体从冲头 进入管 内形成液压力 ，位移传感器测得 的胀形高度数 值与压力传感器测得 的液压力数值分别在计算机上显 示。该装置的密封采用锥台式密封结构 ， 通过冲头与管 端挤压使管端发生塑性变形 ，从而使 密封冲头和模具 紧密贴合 ，有效避免 了使用管端 内部橡胶密封方式造 成的装卸困难 、 密封用橡胶损耗严重等缺陷。该装置液 压系统 由液压缸 、 活塞缸 、 进液 阀门和出液阀门组成 。 增压时打开进液阀门，关 闭出液 阀门，使活塞缸注满 油 ， 然后关闭进液阀门， 打开出液阀 门， 通过液压缸将 活塞缸内的液体压入管内。 4 1 一 位移传感器2 一 压力传感器3 一冲头 4 一 胀形管件5 一 模具6 一 压力泵通道 图 2 试验装置示意图 哈尔滨工业大学 的苑世剑于 2 0 0 8年开发 了一种 简单的管材液压胀形性能测试装置 ，并 申请 了专利阁 ， 图 3是该装置结构示意图。 l 一 上密封体2 一 上侧平板 3 一 上平板4 一 下平板5 一 下密封体 6 一 驱动单元7 一 下侧平板8 一 液压源9 一 数据采集系统 1 0 一 压力传感器1 1 - 位移传感 器 1 2 一 管件 l 3 一 活动台架 l 4 一 固定台架 图 3装置结构示意 图 该装置用于测试管材液压胀形过程 中液压力与胀 形高度 ， 其工作原理是 下密封体和上密封体通过驱动 单位将管材密封 ， 启动液压系统 向管材内部充人液体 ， 增压直至管材破裂 。增压过程中， 通过压力传感器和位 移传感器将管材内的液体压力数据及其胀形高度数据 传输到数据采集单位。该装置的技术特点是 活动台架 的立柱穿过固定台架上平板连接上 、 下侧平板 ， 使活动 台架可以在固定台架 中自由运动。下密封体 固定在下 侧平板 ， 上密封体 固定在上平板 ， 驱动单元置于下侧平 板与下平板之间 ， 启动驱动单元时可使上 、 下密封体对 管材实现密封。与李泷呆的装置相同， 管端密封采用了 41 液 压 气 动 与 密 -5 “ ／ 2 01 2年 第 2期 锥台式密封 ， 相 比于其他试验装置 ， 该装置的密封采用 单个驱动单元提供密封压力 ， 结构简单 ， 便于操作。 桂林 电子科技大学 的陈奉军等于 2 0 0 8开发 了一 种用于管材径压胀形的试验装置[ 6 1 ， 如图 4所示 。该装 置用于管材径向压缩时成形性能的测试 。其工作原理 是 管材在内液压力的作用下 自然胀形 ， 胀到一定直径 D后保持液压力 P不变 ， 然后上 、 下模合模 ， 最后得到 管材成形件。该装置技术特点是 模具 由上模 、 夹角呈 6 0 。 的 v型模及密封装置等组成 。 其 中上模和 v型模通 过导柱连接 。其密封方式是采用聚氨酯密封柱对管进 行密封 ，可选择不同厚度的密封柱对管材实现不同形 式的密封。与 T ． S o k o l o w s k i 、 李泷呆的装置不同， 该装 置的液压系统采用手动液压装置 ， 如图 5所示。液压系 统由油箱 、 手柄 、 溢流 阀、 压力表 、 溢流阀旋钮及油管组 成。其泵体采用活塞结构 ， 在活塞运动时可以从正反两 方面连续供油 ， 能及时补充管材胀形所需的液压力 。 1 一 螺母 2 一 垫圈 3 一 聚氨酯密封柱4 一 管材 5 一 定位圈 6 一 平板模7 一 压圈 8 一 空心双头螺栓9 一 高压 1 0 一 液压J I , L 1 I - 排气孔1 2 一 V型模 图 4 液 压供给系统 1 一 手 柄2 一 油 箱3 一 溢 流 阀4 一 压 力 表5 一 定 位 圈6 一 溢 流 阀旋 钮 图 5 试验装置 2 内补液增压式试验装 置 内补液增压式试验装置是指管材液压胀形所需的 液压力通 过压缩管材 内部液体获 得 内压力 的试验 装 置 。该类装置不需要复杂 、 昂贵的外部液压系统 ， 简化 了试验装置 ． 节约了成本。 F l l i c e I T l 于 2 0 0 1年提出了一种不需要外部供液系统 的液压胀形试验装置。该试验装置用于测试加载路径 对管件成形性能的影响， 其模具结构如图 6所示 。其工 作原理是 首先将管材置于模具 内并在整个管内充满 4 2 液体 ， 使用适当长度的密封柱固定在凸模的前端 ， 然后 推动凸模为管材提供轴 向进给 ，同时压缩液体提供液 压力。该装置有两个特点 ， 第一个特点是模具的设计 。 在模具的下端开设两个孔 ，左边装上压力传感器以便 对液压力进行测量 ，右边装上压力安全阀以便对液压 力进行控制 ；设计不同模具直径 D和半锥角 o t 以便对 管件进行各种试验从 而得出试验数据 ，最后利用塑性 破坏性准则预测管材液压胀形中破裂的产生。第二个 特点是不需要外控液压 ，而是通过密封 凸模的挤压产 生管端轴向位移和内部液压力。在实验时 ， 该装置只能 提供单 向轴 向进给 ．试验过程中管件与模具产生巨大 的摩擦力 ， 对管材成形性能的评估产生巨大的影响。 l I ～ - ＼ 1 一 一 啻 6模 具 结 构 图 西安交通大学的郭成与杨连发[ 8 1 于 2 0 0 4年 自主开 发了一套管材性能测试设备 ， 即内补液增压式管材液压 胀形性能测试装置 ． 如图 7所示。该装置可对不同材料 及尺寸的管件进行不 同约束条件下 自然与轴向压缩胀 形试验 ， 以评估管件 的胀形性能 。其工作原理是 实验 前 ， 首先将管材置入模具密封 、 安装好 ， 然后向管材及缸 体注入足够 的液体 ， 再装入挤压活塞 ； 其次挤压活塞向 下运动 ， 挤压补液腔里的液体 ， 使液体不断流向管材内 部以增大液压力， 最后得到成形管材。 该装置的特征 端 盖和下定位圈之间的空隙与空心螺钉相连 ， 用于向管材 内部补充液体 ； 限位圈的存在和去除使该装置可以进行 自然和轴 向压缩胀形试验。与 T ． S o k o l o w s k i 密封装置 相似 ，其密封装置是利用密封圈的膨胀对管件进行 密 封 ， 不同之处在于， 实验前要选择不 同厚度的密封圈， 用 螺钉对管件进行初始密封。 和 F l i i c装置类似， 该装置不 需要借助外部液压系统 ， 仅靠密封冲头的轴向移动产生 内压力。 相比之下， 该装置可实现四种工作方式 轴 向收 缩的 自然胀形 、 轴 向不收缩的 自然胀形 、 两端 自由的轴 向压缩胀形以及两端固定 的轴向压缩胀形。 但是在每一 次实验时， 都要进行管件的密封， 其密封过程复杂麻烦 ， 而且巨大摩擦力导致密封圈损耗严重。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 2 ． 2 01 2 l 一 压 块2 一 实 心 螺 钉3 一 上 定 位 尉4 一 限 位 圈 5 一 下定位圈 6 一 密封圈 7 一 端盖8 一 容腔9 一 空心螺钉 l O 一 压圈 1 l - 变形管材 1 2 一 密封圈 l 3 一 后垫圈 图 7内补液增压式胀形试验装置 桂林 电子科技大学的吴从强等于 2 0 0 8年设 计开 发了一种新型的管材液压胀形装置闭， 其结构如图 8所 示 。该装置可以进行 自由胀形试验 、 轴压胀形试验以及 研究加载路径对成形性能影响的试验。其工作原理是 将管材放置于型芯 ，然后用装有 。型密封圈的上压块 及下压块 固定管材 将压头插入管材的一段后将管材 内部及增压缸体内腔充满液体 ；然后安装有 Y型密封 圈的增压活塞在外载荷力 S的作用下 ，挤压增压缸体 容腔的液体 ， 使其液压力逐渐升高直至最后成形。该装 置的技术特点 相对其他管材液压胀形试验装置的密 封方式 ， 该装置设计 了管端外密封 ， 使管端密封的实现 更容易 ； 另外设计了压头的形状 ， 既可以对管材进行轴 向给力， 又能防止管端的起皱。该装置采用 了内补液增 压式的原理 ， 不需要外部液压控制系统。但是该装置只 能对管材一端进行轴向给力 ，对管件的成形性能有一 定影 响 。 1 一 增压活塞2 一 增压缸体3 一 Y型密封圈4 一 压头 5 一 增压缸体内腔6 - 0型密封圈7 一 上压板8 一 管材 9 一 定距圈 l O 一 下压板 1 1 - 型芯 1 2 一 螺钉1 3 一 底座 图 8 新型管材液压胀形装置结构图 3 结束语 综上所述 ，外控液压增压式试验装置是利用外部 可控制的液压系统对管材 内部进行加压 ，从而得到管 材成形所需 的内液压力 ；内补液增压式试验装置是利 用压缩管材 内部 的液体来实现 内液压力的增大。上述 大部分试验装置都是采用密封 圈密封的方式 ，即密封 圈在内液压力的作用下产生膨胀 ，使管材与模具 内表 面贴近 ， 从而实现对管材的密封 ； 另一种装置密封方式 是通过密封 冲头挤压管端使其发生塑形变形 ，与密封 冲头和模具紧密结合来实现。作为一门比较新的工艺 ， 管材液压胀形试验装置的开发一直都是热点 ，研发结 构简单 、 操作方便 、 可现实多种类型试验的装置成了管 材液压胀形技术领域的一个发展趋势 。 参 考 文 献 [ 1 】 D o h m a n F ，H a r t l C h ． Hy d r o - f o r m i n g a p p l i c a t i o n s o f c o h e r e n t F E s i mu l a t i o n s t o t h e d e v e l o p me n t o f p r o d u c t s a n d p r o c e s s [ J ] ． M a t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，1 5 0 1 2 1 8 - 2 4 ． 【 2 】 吴丛强， 杨连发． 一种新型管 材液压胀形装 置的设计[ J ] ． 锻压 技术， 2 0 0 9 1 ． [ 3 】 T ． S o k o l o w s k i ， K ． G e r k e ， M． A h m e t o g l u ，T ． A h a n ．E v a l u a t i o n o f t u b e f o r ma b i l i t y a n d ma t e ri a l c h a r a c t e ri s t i c s h y d r a u l i c b u l g e t e s t i n g o f t u b e s ，J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g Te c h no l o g y ， 2 00 0， 98 3 4 4 0． 【 4 ] 李泷呆． 金属 薄壁管液压成形应用基础研究【 D 】 ． 南京航空航 天大学博士论文。 2 0 0 7 ． 【 5 】 苑世剑， 何祝斌， 孙毅， 林艳 丽． 一种管材胀形性能测试 的装置， 中国 2 0 0 9 1 0 0 7 1 6 9 9 ． X 【 P ] ． 2 0 0 5 [ 6 ] L ． F I l i c e ， L ． F r a t i n i ， F ． Mi e a fi ． A s i m p l e e x p e ri m e n t t o c h a r a c t e riz e ma t e ria l f o rm a b i l i t y i n t u b e h y d r o f o rm i n g ， A n n a l s o f t h e C I R P ，2 0 0 1 ，5 0 1 1 8 1 - 1 8 【 7 】 郭成， 杨 连发． 内补液增 压式 T H F性能 测试装置开 发及试验 研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 5 9 ． 【 8 】 陈奉军， 杨连发， 毛献 昌． 管材径压 胀形试验 与测试 装置的开 发[ J 】 ． 模具工业， 2 0 0 8 1 2 ． 4 3