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內(nèi)高壓成形技術(shù)的技術(shù)特點、優(yōu)點及缺點詳解

2019-08-23
摘要:內(nèi)高壓成形技術(shù)主要的特點是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件,從管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面,本文興迪源機械帶來內(nèi)高壓成形技術(shù)的技術(shù)特點、優(yōu)點及缺點詳解。

  內(nèi)高壓成形技術(shù)主要的特點是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件,從管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面,本文興迪源機械帶來內(nèi)高壓成形技術(shù)的技術(shù)特點、優(yōu)點及缺點詳解。

  一、內(nèi)高壓成形技術(shù)的主要特點及結(jié)構(gòu)輕量化途徑:

  1)內(nèi)高壓成形主要特點:

  內(nèi)高壓成形技術(shù)主要的特點是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件,從管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面,如圖所示。傳統(tǒng)制造工藝一般為先沖壓成形兩個或兩個以上半片再焊接成整體,為了減少焊接變形,一般采用點焊,因此得到的不是封閉的截面。此外,沖壓件的截面形狀相對比較簡單,很難滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要。

  2)內(nèi)高壓成形結(jié)構(gòu)輕量化途徑:

  內(nèi)高壓成形是適應(yīng)汽車和飛機等運輸工具結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展起來的先進制造技術(shù)。結(jié)構(gòu)輕量化有兩條主要途徑:

  一是材料途徑,采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料;

  二是結(jié)構(gòu)途徑,采用空心變截面、變厚度薄壁殼體、整體等結(jié)構(gòu)。根據(jù)統(tǒng)計,對于一定的減重目標(biāo),在航天航空領(lǐng)域,采用輕質(zhì)材料減重的貢獻大約為2/3,結(jié)構(gòu)減重的貢獻大約為1/3;而在汽車行業(yè),與之相反,主要采用結(jié)構(gòu)減重的途徑。當(dāng)材料一定時,減重的主要方法是設(shè)計合理的輕體結(jié)構(gòu)。對于承受彎扭載荷為主的結(jié)構(gòu),采用空心變截面構(gòu)件,既可以減輕質(zhì)量又可以充分利用材料的強度。

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  空心異形截面零件

  (1)對于載荷大小變化的情況,在保證強度的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計合理的變截面,適應(yīng)不同的載荷,以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

  如圖所示,對于一個懸臂梁,根據(jù)彎矩載荷特點(圖(a)),有三種不同的設(shè)計方案,從強度的角度來看,三種結(jié)構(gòu)的強度均可滿足使用要求。

  圖(b)所示為等強結(jié)構(gòu)方案,各截面強度相同,材料承載效率最高,質(zhì)量最輕,但是截面變化形狀為二次曲線,加工難度最大;

  圖(c)為等截面方案,S2和S3截面強度明顯過剩,所用材料最多比等強結(jié)構(gòu)方案約多1倍,最容易加工;

  圖(d)為變截面結(jié)構(gòu)方案,本例設(shè)計了三個變截面,S2、S3與S1強度相同,該方案與等截面方案比較,節(jié)約材料1/3,比等強方案容易加工。一般情況下,等強結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,成形加工難度大因此空心變截面設(shè)計是合理結(jié)構(gòu)選擇,既保證了強度要求,又達到節(jié)約材料、減輕質(zhì)量和簡化工藝的目的。

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不同結(jié)構(gòu)的懸臂梁(a)彎矩圖;(b)等強結(jié)構(gòu);(c)等截面結(jié)構(gòu);(d)變截面結(jié)構(gòu)。

  (2)在相同質(zhì)量下,截面形狀不同時其截面模量不同,可通過選擇截面形狀提高結(jié)構(gòu)的剛度和強度。

  例如在相同質(zhì)量的前提下,將一個直徑d63.5mm壁厚2mm的圓管,成形為不同的矩形截面,其抗彎模量發(fā)生明顯變化,如下表所示。

  從表中可以看出,將圓形管材成形為正方截面時,抗彎模量提高27%;成形為長寬比為1.5:1的矩形截面時,沿y軸抗彎模量提高66%。這樣僅通過改變截面的形狀就可以提高抗彎強度。

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  不同形狀截面的抗彎模量

  (3)采用空心結(jié)構(gòu)代替實心結(jié)構(gòu)。下圖所示為一個實心梁和空心梁的比較,在保證強度相同的條件下,采用空心變截面結(jié)構(gòu),其質(zhì)量由實心結(jié)構(gòu)的46.2kg(下圖(c))減少到空心結(jié)構(gòu)的16.8kg(下圖(d)),減重64%。對于空心結(jié)構(gòu)的制造,如果采用機械加工,初始棒料的質(zhì)量為168.3kg,將有90%材料被浪費;如果采用管材通過內(nèi)高壓成形該空心變截面梁,所用管材的質(zhì)量僅17.2kg。采用內(nèi)高壓成形件制造既可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,又可以節(jié)約材料。

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實心梁和空心梁比較(mm)(a)簡支梁;(b)彎矩圖;(c)實心梁;(d)空心梁。

  (4)采用封閉截面結(jié)構(gòu)代替焊接截面結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的點焊或搭焊截面結(jié)構(gòu)中,存在著焊接的法蘭邊,質(zhì)量增加,同時由于焊點的存在,結(jié)構(gòu)的疲勞性能低。

  例如,對于同一個76.2mm×63.5mm的截面,分別采用三種不同的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計,如下圖所示,其中圖(a)為氬弧焊搭接結(jié)構(gòu),圖(b)為法蘭點焊結(jié)構(gòu),圖(c)為整體封閉截面結(jié)構(gòu)。

  從減重效果來看,采用封閉截面結(jié)構(gòu)代替搭接結(jié)構(gòu),可以減重9%;代替法蘭點焊結(jié)構(gòu)減重效果更明顯,可以減重21%。

  二、內(nèi)高壓成形優(yōu)點:

  由于內(nèi)高壓成形能加工沿著構(gòu)件軸線截面形狀和尺寸不同的封閉空心截面零件,可以綜合上述四種輕體結(jié)構(gòu)設(shè)計途徑,達到減輕質(zhì)量、節(jié)約材料和簡化工藝的目的。從工藝技術(shù)角度,內(nèi)高壓成形與沖壓焊接工藝相比的主要優(yōu)點有:

  (1)減輕質(zhì)量,節(jié)約材料。

  前面舉例詳細介紹了內(nèi)高壓成形件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的方法。下表是汽車上采用沖壓焊接件與內(nèi)高壓成形件的產(chǎn)品質(zhì)量對比總體來說,對于框、梁類結(jié)構(gòu)件,內(nèi)高壓成形件比沖壓件減輕20%~40%;對于空心軸類件可以減輕40%~50%。

  (2)減少零件和模具數(shù)量,降低模具費用。

  內(nèi)高壓成形件通常僅需要一套模具,而沖壓件大多需要多套模具。副車架零件由6個減少到1個;散熱器支架零件由17個減少到10個。

  (3)可減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量。

  以散熱器支架為例,散熱面積增加43%,焊點由174個減少到20個,裝配工序由13道減少到6道,生產(chǎn)率提高66%。

  (4)提高強度與剛度,尤其提高疲勞強度。

  仍以散熱器支架為例,垂直方向提高39%,水平方向提高50%。

  (5)材料利用率高。

  內(nèi)高壓成形件的材料利用率為90%-95%,而沖壓件材料利用率僅為60%~70%。

  (6)降低生產(chǎn)成本。

  根據(jù)德國某公司對已應(yīng)用零件統(tǒng)計分析,內(nèi)高壓成形件比沖壓件平均降低15%-20%,模具費用降低20%-30%。

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  封閉截面和搭焊截面結(jié)構(gòu)(mm)(a)MIG焊搭接結(jié)構(gòu);(b)點焊搭接結(jié)構(gòu);(c)整體封閉截面結(jié)構(gòu);

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  沖壓件與內(nèi)高壓成形件的質(zhì)量對比

  三、內(nèi)高壓成形的主要缺點:

 ?、儆捎趦?nèi)壓高,需要大噸位液壓機作為合模壓力機。例如,對于內(nèi)徑100m和長度2.5m的管材,當(dāng)成形壓力100MPa時,合模力25000KN;當(dāng)成形壓力200MPa時,合模力50000KN

 ?、诟邏涸醇伴]環(huán)實時控制系統(tǒng)復(fù)雜,造價高。

 ?、塾捎诔尚稳毕莺捅诤穹植寂c加載路徑密切相關(guān),零件試制研發(fā)費用高,必須充分利用數(shù)值模擬進行工藝參數(shù)優(yōu)化。

  【興迪源機械內(nèi)高壓設(shè)備優(yōu)勢】

  興迪源機械是以內(nèi)高壓成形技術(shù)為核心,以內(nèi)高壓成形機、內(nèi)高壓水脹成形機、內(nèi)高壓板材充液成形機、內(nèi)高壓三通機等設(shè)備為主導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家。公司建立有液力內(nèi)高壓成形機械工程技術(shù)研究開發(fā)中心,并與中國科學(xué)院金屬研究所、南京航天航空大學(xué)等院校開展長期的科研課題開發(fā)合作。

XD-THF系列內(nèi)高壓成形設(shè)備

  自2007年創(chuàng)立以來,興迪源機械一直致力于內(nèi)高壓成形的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)。主營產(chǎn)品范圍從生產(chǎn)普通液壓設(shè)備,現(xiàn)今發(fā)展至生產(chǎn)、研發(fā)國內(nèi)頂尖流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備。