[科普中國(guó)]-液壓成型法

液壓成型法是指采用液態(tài)的水、油或黏性物質(zhì)作傳力介質(zhì)，代替剛性的凹?；蛲鼓?，使材料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凸模或凹模而成型，它是一種柔性成型技術(shù)。根據(jù)成型對(duì)象的不同，液壓成型技術(shù)可以分為殼液壓成型、板液壓成型和管液壓成型三類。1

液壓成型法簡(jiǎn)介近年來(lái)，由于汽車和航空工業(yè)的快速發(fā)展，大量冷成型性能差的新材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，這為板液壓成型技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。板液壓成型作為一種先進(jìn)的加工工藝，具有模具成本低、模具制造周期短、成型極限高等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)工藝相比，液壓成型適應(yīng)了當(dāng)今產(chǎn)品的小批量、多晶種的柔性發(fā)展方向，受到世界各國(guó)學(xué)者的一致關(guān)注。

與傳統(tǒng)板料成型工藝不同的是，板液壓成型中用液體來(lái)代替或用液體輔助成型。下圖為其中較為典型的一種方法，即液壓拉深成型。此種方法是利用在凹模中充以液體，凸模下行時(shí)，凹模液壓室中的液體被壓縮產(chǎn)生相對(duì)壓力將毛坯緊緊地貼于凸模，形成有效的摩擦保持效果，使工件完全按凸模形狀成型。另外，在凹模與板料下表面之問(wèn)產(chǎn)生流體潤(rùn)滑，減少有害的摩擦阻力，這樣不僅使板料的成型極限大大提高，而且可以減少傳統(tǒng)拉深時(shí)可能產(chǎn)生的局部缺陷，從而成型出精度高、表面質(zhì)量最好的零件。

在液壓成型中常使用液壓成對(duì)成型方式，液壓成對(duì)成型（見(jiàn)下圖）足德國(guó)20世紀(jì)90年代后期提出的一種板料成型新工藝。因成型液壓力較高，又稱為板材內(nèi)高壓成型，簡(jiǎn)稱HBU。板件成對(duì)液壓成型時(shí)，首先將疊放的兩塊平板毛坯放置在上下凹模中間。壓邊后充液預(yù)成型，邊緣切割，對(duì)邊緣采用激光焊接，然后，在兩板間充入高壓液體，使其貼模成型。這種成型屬于內(nèi)高壓成型，適用于成型腔體零件。

這種成型是靠板料變薄來(lái)成型的，對(duì)于上下型腔不一致的成型，上下板料的變薄情況也不一樣，因此可以考慮采用非焊接的形式，但若兩塊板料直接接觸，由于摩擦的作用，兩塊板料成型時(shí)會(huì)相互影響，鑒于這種情況，德國(guó)學(xué)者提出改進(jìn)，在板料間加了一塊隔板以減小相互作用。這種成型技術(shù)是一種軟凸模成型技術(shù)，與一般的成型工藝相比可減少模具數(shù)量。因采用液壓加載，模具不易損壞，壽命提高，板件與模具貼合程度好，零件凍結(jié)性好，殘余應(yīng)力通過(guò)高壓塑性變形接近完全消除，彈復(fù)小，板材成型極限可明顯超過(guò)拉深工藝和純液壓脹形工藝。這種工藝技術(shù)尤其適用于形狀復(fù)雜、尺寸多變的大型板料零件的生產(chǎn)。

與傳統(tǒng)工藝相比液壓成型的優(yōu)越性如下：

成型極限提高。減少了工件的成型次數(shù)和退火次數(shù)，以及配套模具數(shù)量和成本。

成型零件的回彈性小，工件的表面質(zhì)量和尺寸精度得到提高。

模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度要求較低。非常適合于現(xiàn)代小批最、多品種的柔性加工的要求。

由于液體的應(yīng)用，可以成型室溫下一些難成型的材料，如鎂合金、鋁合金、鈦合金以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)拼焊板等。

可以加工形狀復(fù)雜的零件。

盡管板液壓成型有著一些明顯的優(yōu)勢(shì)，但也有其缺點(diǎn)：

凹模型腔內(nèi)的液壓壓力會(huì)對(duì)凸模下行產(chǎn)生阻抗作用，因此所需成型設(shè)備的噸位要比傳統(tǒng)成型的噸位高。

由于液體的應(yīng)用，密封問(wèn)題必須考慮，板件的壓邊密封面要單獨(dú)改進(jìn)。

因工件成型后還需要液體補(bǔ)充等工序，因此生產(chǎn)效率不如傳統(tǒng)工藝高。1

液壓成型法原理板材的液壓成型就是在凹模中充滿液體，利用凸模（帶動(dòng)板料）進(jìn)入凹模時(shí)建立反向液壓的成型方法。由于反向液壓的作用，使板料與凸模緊緊貼合，保證板料與凸模之間的摩擦力，緩和了板料在凸模圓角處的徑向應(yīng)力，預(yù)防了拉裂缺陷的產(chǎn)生，提高了傳力區(qū)的承載能力；在板料與凹模表面間形成的流體潤(rùn)滑，摩擦減小，油液保護(hù)作用使得成型零件表面無(wú)劃傷，同時(shí)使法蘭變形所需的徑向應(yīng)力減小。這種工藝改善了板料成型過(guò)程中的受力狀態(tài)，可顯著提高零件的極限變形程度，因此可以用來(lái)成型深筒、深盒以及復(fù)雜曲面零件。2

工藝過(guò)程及技術(shù)特點(diǎn)板料的液壓成型工藝過(guò)程如下圖所示，先在液壓室（凹模）內(nèi)充滿液體，放上拉深坯料，施加一定的壓邊力，凸模下行進(jìn)行拉深，同時(shí)開動(dòng)液壓泵使液體保持一定的壓力，直到拉深結(jié)束，然后抬起凸模、壓邊圈，取出成型零件。

（1）由于液壓壓力的作用，板料與凸模之間的摩擦力得以保持，增強(qiáng)了凸模圓角區(qū)板料的承載能力，提高了成型極限，減少了成型次數(shù)。

（2）液壓室中的液體壓力作用使得板料緊緊貼在凸模上，液體在凹模上表面和板料下表面之間形成流體潤(rùn)滑，減少零件表面劃傷，零件質(zhì)量好，尺寸精度高，壁厚分布均勻。

（3）在曲面零件成型時(shí)，由于成型板料下面的反向液壓作用消除了曲面零件等在凹?？變?nèi)的懸空區(qū)，使坯料緊貼在凸模上，有效控制了材料內(nèi)皺等缺陷的發(fā)生。

（4）帶有內(nèi)凹的復(fù)雜曲面零件，只需尺寸精度高的凸模和內(nèi)口輪廓簡(jiǎn)單的凹模，因此減少了模具加工量，降低了模具的費(fèi)用。2

液壓成型的摩擦問(wèn)題除了材料的可成型性以及工件的幾何形狀方面外，對(duì)液壓成型工藝而言，工件和工具之間的摩擦條件是最重要的。

但是對(duì)摩擦條件和影響摩擦的因素研究得都不充分。在薄金屬板成型中，摩擦系數(shù)和不同參數(shù)有關(guān)，例如接觸正常應(yīng)力，工具、工件表面結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑劑黏度及成分，滑動(dòng)速度以及溫度等。在液壓成型中情況甚至更復(fù)雜。例如，可能還要受到內(nèi)部壓力和軸向力的影響。在液壓成型工藝中，這些參數(shù)在不斷改變。在簡(jiǎn)化的條件和安排清晰明了的條件下對(duì)摩擦系數(shù)影響的不同方向的研究課題已經(jīng)啟動(dòng)。3

液壓成型用的潤(rùn)滑劑在液壓成型之前，例如彎曲管道以及預(yù)成型工件需要用潤(rùn)滑劑，剩余部分潤(rùn)滑劑有時(shí)用于液壓成型。在許多情況下還要附加潤(rùn)滑（有時(shí)稱為外部潤(rùn)滑），這常常取決于工件的形狀以及幾何特性，尤其是加工那些曲率小、難于成型的材料時(shí)。因此潤(rùn)滑劑使用范圍廣，但是錯(cuò)綜復(fù)雜。這包括沖壓成型油以及石蠟薄膜、固體薄膜潤(rùn)滑劑所構(gòu)成的混合物。至于壓力條件需要用高極性抗磨損性潤(rùn)滑劑或者EP添加劑。根據(jù)應(yīng)用條件優(yōu)先進(jìn)行這種選擇。非常明顯，殘余部分潤(rùn)滑劑的可脫除性越來(lái)越重要。因?yàn)檫@是總工藝兼容性的相關(guān)參數(shù)。

另一個(gè)重要參數(shù)是二級(jí)液壓流體。當(dāng)初始液壓流體用于床及滑板以驅(qū)動(dòng)密封栓塞和反壓力缸時(shí)這種功能性流體在液壓成型中作為壓力介質(zhì)。作為二級(jí)液壓流體常用水溶液或者乳液。在液壓成型工藝中二級(jí)液壓流體中所加的液壓成型潤(rùn)滑劑的可溶性是基本操作之一。

確的選擇。這取決于油箱設(shè)備結(jié)構(gòu)狀況以及液壓成型后的脫脂性。使用溶解性相當(dāng)好的潤(rùn)滑劑，但更多使用不溶性（破乳性）的潤(rùn)滑劑。

在工業(yè)生產(chǎn)中潤(rùn)滑油作為外部潤(rùn)滑劑時(shí)成功地從兩種選擇中做出了一種正當(dāng)使用固體薄膜潤(rùn)滑劑時(shí)需另加操作步驟。同時(shí)必須充分考慮該類型潤(rùn)滑劑的應(yīng)用特性以及相應(yīng)的脫脂可能性。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所