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法蘭體內(nèi)高壓成型工藝加載路徑的分析研究

馮士活

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325003）

摘要：內(nèi)高壓成型是利用高壓液體使管坯達(dá)到模具型腔形狀的一種塑性變形，具有節(jié)材、節(jié)能、高效等特點(diǎn)，非常適合法蘭制造行業(yè)。但法蘭體內(nèi)高壓成形過程復(fù)雜，影響因素較多，各因素相互關(guān)聯(lián)，所有這些因素最后都集中到加載路徑上。對影響法蘭體加載路徑各因素進(jìn)行了分析，找出各因素對高壓成型內(nèi)在影響，為高壓成型過程中的加載路徑提供參考。

關(guān)鍵詞：法蘭體；內(nèi)高壓；加載路徑；影響因素

0　前言

目前，法蘭體大多采用難加工的不銹鋼材料來制造，其加工工藝復(fù)雜，加工工序較多。傳統(tǒng)的加工工藝路線為：下料→鍛壓→熱處理→檢驗(yàn)→粗車→精車→劃線→鉆孔→鉗工→檢驗(yàn)→編碼打印→包裝入庫等。在其加工過程中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，鍛壓時(shí)留給后道工序的加工余量較多，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，一般廢料所占比例在35%～40%之間，使法蘭制造成為利潤微薄、產(chǎn)品附加值較低的行業(yè)。為此，采用新技術(shù)、新工藝改進(jìn)法蘭傳統(tǒng)加工方法，提高產(chǎn)品附加值和市場競爭力勢在必行。

法蘭體內(nèi)高壓成型是以液體為介質(zhì)，利用特制的成型模具，在管坯內(nèi)施加高壓的同時(shí)，通過兩端的沖頭將材料推入型腔進(jìn)行軸向補(bǔ)料，實(shí)現(xiàn)法蘭體成型的一種全新工藝技術(shù)[1]。法蘭體內(nèi)高壓成型技術(shù)以節(jié)材、節(jié)能見長，與傳統(tǒng)法蘭體加工工藝相比，采用內(nèi)高壓成型工藝技術(shù)減少了法蘭體加工工序，降低能耗，提高了生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，特別是減少了原材料用量，材料利用率可提高30%～50%[2]，大幅度地降低了原材料所占生產(chǎn)成本的比例，對原材料依賴性強(qiáng)的法蘭制造行業(yè)能夠顯著地降低生產(chǎn)成本，但它的缺點(diǎn)也非常明顯，由于內(nèi)高壓成形過程復(fù)雜，影響因素眾多，如材料性能、摩擦、加載路徑形式、內(nèi)壓高低以及模具等工藝因素，且諸多因素并非獨(dú)立，而是相互制約，相互關(guān)聯(lián)，整個(gè)成型過程十分復(fù)雜，到目前為止，對于內(nèi)高壓成型過程在理論上還沒有完全弄清楚，其工藝參數(shù)的選取還是建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上，因此，法蘭體內(nèi)高壓成型技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待成熟，尤其是軸向補(bǔ)料量的確定一直是內(nèi)高壓成形技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)，本研究就此問題展開分析研究，為法蘭體內(nèi)高壓成型過程中的加載路徑提供參考。

1　法蘭體成型原理及工藝過程

內(nèi)高壓成型是通過在管坯內(nèi)部施加較高的液體壓力，同時(shí)在軸向施加一定載荷，使其在給定型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，讓管坯外壁與模具內(nèi)表面貼合，從而得到法蘭體所需形狀的一種材料塑性成型方法

[3,5]，內(nèi)高壓成型技術(shù)特點(diǎn)是能夠使管坯在脹形成型后其壁厚減薄量較小，滿足了法蘭體各壁厚偏差不能過大的要求。法蘭體內(nèi)高壓成形工藝過程如圖1所示，整個(gè)成型過程大致分為五步：第一，裝料。首先經(jīng)過計(jì)算，把不銹鋼管切割成管坯4，管坯4經(jīng)初步處理后裝入下模2內(nèi)；第二，合模。經(jīng)檢查后再把上模1合攏并鎖緊，然后用左沖頭3和右沖頭5分別堵住管坯4兩端進(jìn)行密封，利用高速充液系統(tǒng)往管坯4內(nèi)部注入低壓液體，使管坯4內(nèi)部全部充滿；第三，成型。接著對液壓系統(tǒng)進(jìn)行切換，使用超高壓發(fā)生裝置向管坯4內(nèi)充液，在充液的同時(shí)，左、右沖頭與充液壓力、管坯4變形量保持一定關(guān)系進(jìn)給，直到管坯4充分貼模，達(dá)到成型的目的；第四，開模。成型結(jié)束后得到合乎要求的法蘭體坯體后，上模1在主缸的回力作用下脫模，同時(shí)撤去軸向壓力，使成形液體回流，取出成形后的法蘭坯體；第五，后續(xù)加工。把成形的法蘭坯體從中間切開，再進(jìn)行少量的精加工。

圖1　法蘭體內(nèi)高壓成型過程示意圖

從法蘭體內(nèi)高壓成型過程看出，從管坯到法蘭體坯體幾乎沒有一點(diǎn)廢料產(chǎn)生，原材料的利用率近乎100%，唯一有廢料產(chǎn)生的是從法蘭坯體到成品件這一工序，但廢料也較少，法蘭體內(nèi)高壓成型是一種對材料近乎零損失的塑性成形技術(shù)，具有綠色加工特點(diǎn)，非常適合對原材料依賴性強(qiáng)的法蘭行業(yè)。

2　加載路徑影響因素分析研究

在法蘭體內(nèi)高壓成形中，通常把軸向補(bǔ)料量與內(nèi)高壓大小之間的數(shù)學(xué)關(guān)系稱為加載路徑，加載路徑是內(nèi)高壓成型的關(guān)鍵，在實(shí)際生產(chǎn)中必須合理地設(shè)計(jì)加載路徑才能保證法蘭體能夠成型，同時(shí)避免各種缺陷的產(chǎn)生，盡可能地提高成型后法蘭體的品質(zhì)。但是，法蘭體成型是一個(gè)復(fù)雜的過程，在設(shè)計(jì)加載路徑時(shí)除了考慮內(nèi)壓高低因素之外，還必須考慮法蘭體形狀、材料性能、摩擦、軸向進(jìn)給速度、模具結(jié)構(gòu)等因素，只有設(shè)計(jì)合理的加載路徑，才可以改善零件的成型條件，提高成型質(zhì)量，相反如加載路徑的工藝參數(shù)控制不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致所成型的法蘭體易出現(xiàn)屈曲、起皺、折疊、破裂等缺陷。

2.1軸向推進(jìn)位移為零時(shí)的加載路徑分析

在法蘭體內(nèi)高壓成型之前，首先需要保證軸向沖頭與管坯端面的絕對密封，否則管腔內(nèi)的液體將發(fā)生泄漏，在此情況下繼續(xù)增加軸向推力，管坯會(huì)因無法建立高壓環(huán)境而被迅速壓潰，成型過程就會(huì)失敗。要做到絕對的軸向密封，除了從沖頭結(jié)構(gòu)上給予滿足外，還必須合理地控制軸向沖頭對管坯端部施加的推力，密封時(shí)受力如圖2所示，管坯在進(jìn)入塑性變形之前或者在變形過程中的某一時(shí)刻，都會(huì)存在著軸向推進(jìn)位移為零的情況，此時(shí)，為了保證管坯內(nèi)高壓液體不發(fā)生泄漏，作用于沖頭的軸向推力Ft等于液體作用于沖頭反向作用力Fp，即有：式中：Ft為作用于沖頭的軸向推力；Fp為液體作用于沖頭反向作用力；pi為不同時(shí)刻管內(nèi)的液體壓力；D為管壞外徑；t為管壞厚度。

Ft=Fp是軸向沖頭與管坯端面之間保持絕對密封的理論臨界點(diǎn)，是法蘭體內(nèi)高壓成型的必要條件，在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到各種突發(fā)因素，沖頭的軸向推力Ft略微大一些，一般取Ft=（1.2～1.3）Fp。

2.2軸向推進(jìn)位移不為零時(shí)的加載路徑分析

圖2　軸向密封受力圖

在成型過程中，成型后的管坯出現(xiàn)屈曲、起皺、折疊、破裂等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生影響了成型產(chǎn)品的質(zhì)量，造成這些缺陷的主要原因是軸向推進(jìn)位移與內(nèi)高壓之間沒有很好的匹配，即加載路徑不合理所致，因此，設(shè)計(jì)出合理的加載路徑是提高成型產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在。從圖1的法蘭體成型工藝過程以及圖2的管坯成型過程中受力狀況可知，在管坯塑性變形過程中，管坯中部不斷變形脹大，而管坯的長度卻不斷縮短，沖頭上所施加的軸向推力Ft除了需要抵消管坯內(nèi)液體反推壓力作用的同時(shí)，還需要克服管坯端向內(nèi)移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力，以保證沖頭移動(dòng)速度跟上管件長度縮短的速度，其中摩擦力的大小為：假設(shè)ΔL=L1-L2,則有：作用于沖頭的軸向推力理論上要求滿足：結(jié)合式（1）、（3）、（4）可得：

其中：Fμ為摩擦力；μ為管坯與模具內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)；L1為管坯長度；L2為管坯沒有與內(nèi)壁接觸部分的長度；ΔL為管坯與模具內(nèi)壁之間實(shí)際接觸的長度。

由式（5）可知，法蘭體在內(nèi)高壓成型過程中，管坯直徑D、摩察系數(shù)μ都是常數(shù)，而管坯厚度t變化量不大，管內(nèi)不同時(shí)刻的液體壓力pi可以設(shè)定為恒定值，于是，作用于沖頭的軸向推力Ft主要取決于ΔL ,隨著管坯不斷變形，ΔL不斷減小，F(xiàn)t需要不斷地增大，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)際施加給沖頭的軸向推力是（1.3～1.4）Fp比較合理，當(dāng)軸向推力偏大，而內(nèi)高壓力偏小時(shí)，則容易使管坯出現(xiàn)明顯無法恢復(fù)的起皺；當(dāng)軸向推力偏小，內(nèi)高壓力偏大，管壁脹形過程中會(huì)因軸向補(bǔ)料不足而周向被迅速拉伸變薄發(fā)生破裂；由此可見，加載路徑對管件液壓成形的影響非常明顯，加載路徑設(shè)計(jì)的目的首先是保證零件能夠成形，避免或減少屈曲、起皺、折疊、破裂等缺陷的產(chǎn)生，盡可能地提高成型產(chǎn)品的質(zhì)量。

3　結(jié)論

內(nèi)高壓成型是一種節(jié)材、節(jié)能、綠色的機(jī)械加工工藝技術(shù)，該技術(shù)對原材料依賴性較強(qiáng)的法蘭制造行業(yè)非常適合，但內(nèi)高壓成形過程卻十分復(fù)雜，影響因素眾多，而且各種影響因素又相互制約，到目前位置仍然無法從理論上進(jìn)行分析。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，所有這些因素最后都集中到加載路徑上，沖頭的軸向推力與內(nèi)高壓力之間的匹配關(guān)系上，而這種匹配關(guān)系是一種動(dòng)態(tài)過程，不同時(shí)刻，匹配關(guān)系是不一樣的。在實(shí)際生產(chǎn)中排除各因素的不利影響，設(shè)計(jì)出合理的加載路徑，改善法蘭體的成型條件，避免出現(xiàn)屈曲、起皺、折疊、破裂等缺陷的出現(xiàn)，提高法蘭體的成型質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王文深）

The Research on Loading Path Analysis of High-pressure Forming Process on Flange

FENG Shi-huo

(Zhejiang Industry & Trade Vocational College, Wenzhou, 325003, China)

Abstract:Internal high-pressure forming is a kind of forming parts by using hydraulic pressure to make tube shaped, which is material saving, energy saving and high efficiency so as to suit in flange manufacture industry. However, the process of forming flange is very complicated with a number of influenced factors, what’s more, these factors are correlated with each other, thus, and it will focus on the loading path. This paper will make analysis of loading path and find out their inner relationship for flange forming in order to provide references for loading path of high-press forming process on flange.

Key Words:flange; inner high press; loading path; influenced factors

作者簡介：馮士活，碩士，講師，研究方向：機(jī)械制造。

基金項(xiàng)目：2014年度浙江省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（Y201432298）

收稿日期：2015-04-15

Doi:10.3969/j.issn.1672-0105.2015.02.012

文章編號(hào)：1672-0105（2015）02-0046-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG394