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材料成型理论-内高压成形.doc

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1特种塑性成形—内高压成形(塑性成形工艺大作业)内高压成形 1目 录1 内高压成形工艺简介及应用实例 11.1 内高压成形技术 .11.2 应用实例 .21.2.1 汽车工业 .21.2.2 航空航天 .32 应力、应变特点及变形规律分析 32.1 内高压成形工艺流程 32.2 应力、应变特点 .42.2.1 充形阶段 .52.2.2 成形阶段 .52.2.3 整形阶段 .62.3 成形区间及加载路线 63 成形设备 .84 常见缺陷形式及预防措施 .94.1 屈曲 94.2 起皱 94.3 开裂 104.3.1 弯曲管壁厚分布规律 104.3.2 过渡区开裂的应力分析 .115 内高压成形的特点 126. 研究现状、发展趋势及主要研究机构 136.1 研究现状 136.2 发展趋势 146.3 国内主要研究机构 .14参考文献 15内高压成形 11 内高压成形工艺简介及应用实例在节能减排的大形势下,汽车和飞机等运输工具结构轻量化设计的概念应运而生。实现结构轻量化有两条主要途径,即材料和结构途径。材料途径:采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料;结构途径:采用空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体等结构。根据统计,对于一定的减重目标,在航天航空领域,采用轻质材料减重的贡献大约为 2/3,结构减重的贡献大约为 1/3;而在汽车领域,则主要采用结构减重的途径。然而,内高压成形是适应结构轻量化发展起来的一种先进制造技术。1.1 内高压成形技术内高压成形(Internal High Pressure Forming)是以管材作坯料,通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。由于使用乳化液(在水中添加少量的防腐剂等组成)作为水传力介质,又称为管材液压成形(Tube Hydroforming)或水压成形。按成形零件的种类,内高压成形分为三类:(1)变径管内高压成形;(2)弯曲轴线构件内高压成形;(3)多通管内高压成形。(1)变径管内高压成形:变径管是指管件中间一处或几处的管径或周长大于二端管径。其中,如图 1.1 所示的非对称大截面差管件成形困难,通过轴向进给和内压匹配,以及贴模顺序控制,实现截面差 120%构件内高压成形,突破100%膨胀率的极限值。图 1.1 大膨胀率双锥管件内高压成形 2(2)弯曲轴线异型截面管件内高压成形:图 1.2 所示管件具有 18 个不同形状和尺寸截面,轴线为三维曲线。图 1.2 轿车副车架内高压件(3)多通管内高压成形:铝合金薄壁整体三通管内高压成形,消除传统工艺纵向焊缝,大幅提高构件可靠性。 图 1.3 整体三通管1.2 应用实例1.2.1 汽车工业德国于 20 世纪 70 年代末开始内高压液力成形基础研究,并于 90 年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制造汽车轻体构件。目前在汽车上应用有①排气系统异型管件; ②副车架总成;③底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架;④前轴、后轴及驱动轴; ⑤安全构件等。内高压成形 31.2.2 航空航天用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有结构空心框梁、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管接件等。用内高压成形制造的飞机发动机空心双拐曲轴,与原零件相比减重 48%。2 应力、应变特点及变形规律分析2.1 内高压成形工艺流程以变径管为例其成形工艺过程可以分为三个阶段,如图 2.1 所示。初始充填阶段(图 2.1a)模具闭合后,将管的两端用水平冲头密封,使管坯内充满液体,并排出气体,实现管端冲头密封;成形阶段(图 2.1b),对管内液体加压胀形的同时,两端的冲头按照设定的加载曲线向内推进补料,在内压和轴向补料的联合作用下使管坯基本贴靠模具,这时除了过渡区圆角以外的大部分区域已经成形;整形阶段(图 2.1c),提高压力使过渡区圆角完全贴靠模具而成形为所需的工件。a.充填阶段b. 成形阶段c. 整形阶段内高压成形 4图 2.1 变径管件内高压成形工艺过程成形过程中涉及主要工艺参数:初始屈服压力 Ps:管材开始发生塑性变形时所需要的内压;开裂压力 Pb:贴模前内压应小于开裂压力;整形压力(成形压力)Pc:用于成形截面过渡圆角,并保证尺寸精度;轴向进给力 Fa:实现轴向补料;合模力 Fc:使模具闭合不产生缝隙;补料量 △l:减少成形区壁厚减薄,并提高膨胀率
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