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机械工程学报:管材胀形中的圆角成形

2022-12-26

【作 者】赵长财;肖宏;张庆

在飞机、航天器和汽车等领域,节约材料、减小质量和运行中的能量一直是人们长期追求的目标,也是现代先进制造技术发展的趋势之一。为实现轻量化的目标,除了采用轻质材料外,减轻质量的另一个重要途经就是在结构上采用“以空代实”和变断面等强构件,即对承受以弯曲或扭转载荷为主的构件,采用内高压成形的空心结构,这样既可以减轻质量、节约材料,又可以充分利用强化效应增加材料的强度和刚度。内高压成形正是在这样的背景下开发出来的一种制造空心轻质构件的先进制造技术。因此管材内高压成形在当代工业生产中占有十分重要的地位。

空心零件的塑性成形技术是以管料或圆筒为加工对象,综合运用弯曲、局部成形和胀形等工序,从而获得复杂的空心零件(图1)。目前,由于轻量化的需求,液压胀形工艺已经广泛应用于各领域,用于制造零件,如汽车、航空、航天和船舶制造业。然而与传统的工艺相比,该工艺还是相对新的,因而对于管材的液压成形理论和工艺设计而言,还处于研究之中。

在管材胀形的实际生产应用中,经常遇到具有局部小圆角的工件。为成形局部圆角,往往需要很高的成形压力。此类管材变形可以分为两个阶段,即自由变形阶段和局部变形阶段。在进入局部变形阶段后,由于管坯受到模具刚性限制,材料只能沿模具表面切线方向滑动伸长。但往往由于摩擦的影响,滑动伸长也很困难,故变形需要的内压力迅速升高。由于局部圆角贴模压力决定了最终成形压力,因此研究圆角成形对内高压成形工艺具有重要意义。

提出考虑管材和模具间滑动摩擦的力学模型,来考察在方形模具中的管子液压胀形的塑性变形行为。该模型可用于预测圆管坯在方形断面模具中胀形的成形压力和产品的壁厚分布。采用自行设计的装置进行管材在方形模具中的胀形试验。成形压力与试验测量结果校验后,表明新力学模型正确。

【结 论】

(1)采用滑动模型方法研究方形断面模具中的薄壁管胀形。根据薄壁管局部变形时圆角部分成形特性,提出两种滑动模型,即无摩擦条件下的滑动模型和摩擦条件下的滑动模型来描述小圆角成形规律。采用提出的方法对成形工件的成形压力进行了研究,并进行了试验验证。所提出的滑动模型对确定管材成形的最终成形压力具有重要理论意义。

(2)通过对无摩擦条件下的滑动模型的研究,在理论上首次证明圆管在方形模具内胀形时,成形圆角半径存在最小极限值,并给出理论计算公式。

以下是正文:

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