金屬材料固-液成形理論與技術(shù)

與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比，液壓成形工藝在減輕重量、減少零件數(shù)量和模具數(shù)量、提高剛度與強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本等方面具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域尤其是汽車工業(yè)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

在汽車工業(yè)及航空、航天等領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量以節(jié)約運(yùn)行中的能量是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，也是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。液壓成形(hydroforming)就是為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的一種先進(jìn)制造技術(shù)。

液壓成形也被稱為"內(nèi)高壓成形"，它的基本原理是以管材作為坯料，在管材內(nèi)部施加超高壓液體同時(shí)，對(duì)管坯的兩端施加軸向推力，進(jìn)行補(bǔ)料。在兩種外力的共同作用下，管坯材料發(fā)生塑性變形，并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，得到形狀與精度均符合技術(shù)要求的中空零件。

對(duì)于空心變截面結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)的制造工藝是先沖壓成形兩個(gè)半片，然后再焊接成整體，而液壓成形則可以一次整體成形沿構(gòu)件截面有變化的空心結(jié)構(gòu)件。與沖壓焊接工藝相比，液壓成形技術(shù)和工藝有以下主要優(yōu)點(diǎn):

1. 減輕質(zhì)量，節(jié)約材料。對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)托架、散熱器支架等典型零件，液壓成形件比沖壓件減輕20%~40%;對(duì)于空心階梯軸類零件，可以減輕40%~50%的重量。

2.減少零件和模具數(shù)量，降低模具費(fèi)用。液壓成形件通常只需要1套模具，而沖壓件大多需要多套模具。液壓成形的發(fā)動(dòng)機(jī)托架零件由6個(gè)減少到1個(gè)，散熱器支架零件由17個(gè)減少到10個(gè)。

3. 可減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝的焊接量。以散熱器支架為例，散熱面積增加43%，焊點(diǎn)由174個(gè)減少到20個(gè)，工序由13道減少到6道，生產(chǎn)率提高66%。

4. 提高強(qiáng)度與剛度，尤其是疲勞強(qiáng)度，如液壓成形的散熱器支架，其剛度在垂直方向可提高39%，水平方向可提高50%。

5. 降低生產(chǎn)成本。根據(jù)對(duì)已應(yīng)用液壓成形零件的統(tǒng)計(jì)分析，液壓成形件的生產(chǎn)成本比沖壓件平均降低15%~20%,模具費(fèi)用降低20%~30%。

第1章概論

1.1引言

1.2板材充液成形技術(shù)介紹

1.2.1板材充液成形技術(shù)發(fā)展歷史概況

1.2.2板材充液成形技術(shù)分類及成形原理

1.2.3板材充液成形技術(shù)特點(diǎn)

1.2.4板材熱介質(zhì)成形技術(shù)優(yōu)勢(shì)及影響因素

1.2.5世界上部分著名的充液成形研究機(jī)構(gòu)

1.3板材充液成形技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1.3.1橡皮囊液壓成形階段

1.3.2充液成形技術(shù)階段

1.3.3充液成形技術(shù)的應(yīng)用

1.4板材熱介質(zhì)充液成形技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.4.1板材熱介質(zhì)充液成形技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

1.4.2板材熱介質(zhì)成形技術(shù)設(shè)備國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.4.3板材熱介質(zhì)成形材料性能測(cè)試研究現(xiàn)狀

1.5發(fā)展趨勢(shì)

參考文獻(xiàn)

第2章本構(gòu)方程、屈服準(zhǔn)則及斷裂準(zhǔn)則

2.1本構(gòu)方程

2.1.1本構(gòu)方程定義與分類

2.1.2經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)模型及建模方法

2.1.3基于內(nèi)變量的物理本構(gòu)模型

2.2屈服準(zhǔn)則

2.2.1屈服準(zhǔn)則定義

2.2.2穩(wěn)定塑性材料屈服面外凸性和塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄏ蛞?guī)則

2.2.3Barlat系列各向異性屈服準(zhǔn)則簡(jiǎn)介

2.2.4Barlat2000屈服準(zhǔn)則各向異性系數(shù)的計(jì)算

2.3斷裂準(zhǔn)則

2.3.1基于應(yīng)力三軸度的斷裂準(zhǔn)則

2.3.2基于應(yīng)變能或損傷閾值判斷的斷裂準(zhǔn)則

參考文獻(xiàn)

第3章基于單動(dòng)液壓機(jī)通用模架的充液拉深裝備及實(shí)例

3.1總體方案

3.2充液拉深通用模架的研制

3.2.1方案的確定

3.2.2超高壓液室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度的有限元分析

3.2.3節(jié)能高效壓邊缸的設(shè)計(jì)

3.3液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.3.1方案的選擇

3.3.2充液拉深液壓控制系統(tǒng)工作原理

3.3.3超高壓減壓裝置的特點(diǎn)

3.3.4減壓裝置超高壓密封形式的選擇

3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.4.1原理分析及方案的選擇

3.4.2計(jì)算機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)

3.4.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)性能分析

3.5板材充液成形設(shè)備實(shí)例

3.5.1HFS-300型充液拉深設(shè)備

3.5.2模架型式的充液成形裝備改造

3.5.3基于通用雙動(dòng)液壓機(jī)的充液成形裝備改造

第4章板材充液拉深溢流壓力模型及反向建模技術(shù)

4.1充液拉深溢流臨界壓力

4.1.1筒形件充液拉深液室溢流壓力模型

4.1.2筒形件充液拉深溢流后流體壓力模型

4.1.3方盒形件充液拉深液室溢流壓力模型

4.1.4方盒形件充液拉深溢流后流體壓力模型

4.2液體流動(dòng)計(jì)算模型的離散格式

4.2.1筒形件充液拉深液體流動(dòng)模型離散格式

4.2.2方盒形件充液拉深液體流動(dòng)模型離散格式

4.3充液室液體壓力的功能研究

4.3.1摩擦保持及溢流潤(rùn)滑效果

4.3.2液室壓力對(duì)零件成形性的影響

4.3.3液室最高壓力與板材成形極限的關(guān)系

4.4軟拉延筋的功能分析

4.4.1筒形件充液拉深軟拉延筋

4.4.2方錐盒形件充液成形直邊與拐角處軟拉深筋的功能分析

4.5基于反向建模的精確材料模型優(yōu)化策略

4.5.1材料和模具工裝

4.5.2優(yōu)化方法

4.5.3確定目標(biāo)函數(shù)和變量

4.5.4使用優(yōu)化材料參數(shù)分析過(guò)程成形參數(shù)的作用

第5章基于先進(jìn)板材充液成形技術(shù)的衍生工藝措施

5.1方盒零件圓形凹模局部約束成形

5.1.1工具及材料

5.1.2模擬中的網(wǎng)格模型

5.1.3成形的盒形零件以及失效形式

5.1.4壁厚分布

5.1.5成形極限分析

5.1.6考慮軋制方向的坯料不同定位

5.2多層板充液成形:基于中間鋁箔成形的實(shí)驗(yàn)分析及數(shù)值模擬

5.2.1主要參數(shù)和數(shù)值模擬模型

5.2.2筒形件成形

5.2.3厚度分布

5.2.4討論分析

5.2.5起皺和破裂的防止

5.2.6成形極限的提高

5.2.7凹模型腔壓力變化的影響

5.3徑向加壓輔助充液拉深

5.3.1材料及有限元模型

5.3.2壓力邊界

5.3.3壓邊間隙

5.3.4凸模力

5.3.5預(yù)脹形

5.3.6工藝窗口

5.3.7精度分析

5.3.8壁厚分布

5.3.9成形極限預(yù)測(cè)

5.3.10失效模式

5.3.11摩擦因數(shù)的影響

5.3.12起皺預(yù)測(cè)

5.3.13平面各向異性

參考文獻(xiàn)

第6章典型復(fù)雜薄壁構(gòu)件充液成形分析

6.1小錐形件充液成形分析

6.1.1小錐形件充液成形過(guò)程有限元模型

6.1.2基本工藝條件及材料設(shè)定

6.1.3初始反脹壓力對(duì)成形的影響

6.1.4初始反脹高度對(duì)成形的影響

6.1.5液室壓力變化對(duì)成形的影響

6.1.6凸模與板材的摩擦因數(shù)對(duì)成形的影響

6.1.7小錐形件二次充液拉深過(guò)程數(shù)值模擬

6.1.8小錐形件初次拉深實(shí)驗(yàn)

6.1.9小錐形件二次拉深實(shí)驗(yàn)

6.2復(fù)雜微小w環(huán)成形工藝及其數(shù)值模擬

6.2.1W環(huán)基本特征描述

6.2.2W環(huán)成形工藝及模具結(jié)構(gòu)

6.2.3有限元模型的建立

6.2.4成形模擬實(shí)驗(yàn)方案

6.2.5上(下)模A與坯料的摩擦因數(shù)對(duì)初始成形的影響

6.2.6芯模與坯料的摩擦因數(shù)對(duì)初始成形的影響

6.2.7中模B與坯料的摩擦因數(shù)對(duì)初始成形的影響

6.2.8上模A與下模A的開模間距對(duì)初始成形的影響

6.2.9成形工藝參數(shù)優(yōu)化

6.2.10液室壓力加載曲線對(duì)初始成形的影響

6.3鋁合金方盒異型件充液成形

6.3.1零件特征及材料參數(shù)

6.3.2失穩(wěn)控制有限元分析

6.3.3實(shí)驗(yàn)研究

6.4飛機(jī)大型復(fù)雜雙曲度蒙皮充液成形數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

6.4.1零件概述

6.4.2零件成形工藝設(shè)計(jì)

6.4.3數(shù)值模擬

6.4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及零件缺陷分析

第7章板材熱介質(zhì)充液成形設(shè)備

7.1總體方案確定

7.2加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.2.1加熱室主體加熱設(shè)計(jì)

7.2.2底加熱板設(shè)計(jì)

7.2.3模具加熱塊設(shè)計(jì)

7.2.4隔熱保溫設(shè)計(jì)

7.2.5各加熱部分功率設(shè)計(jì)

7.3冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.3.1液壓機(jī)機(jī)架部分冷卻

7.3.2增壓缸部分冷卻

7.4液室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度分析

7.5增壓裝置設(shè)計(jì)

7.6關(guān)鍵部位高溫高壓密封設(shè)計(jì)

7.6.1液室上的靜密封

7.6.2增壓缸筒上的動(dòng)密封

7.7液壓控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

7.7.1液壓控制系統(tǒng)

7.7.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

7.2.3模具加熱塊設(shè)計(jì)201

7.2.4隔熱保溫設(shè)計(jì)201

7.2.5各加熱部分功率設(shè)計(jì)202

7.3冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)203

7.3.1液壓機(jī)機(jī)架部分冷卻203

7.3.2增壓缸部分冷卻204

7.4液室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度分析205

7.5增壓裝置設(shè)計(jì)206

7.6關(guān)鍵部位高溫高壓密封設(shè)計(jì)207

7.6.1液室上的靜密封207

7.6.2增壓缸筒上的動(dòng)密封208

7.7液壓控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)209

7.7.1液壓控制系統(tǒng)209

7.7.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)209

第8章板材熱介質(zhì)成形力學(xué)解析211

8.1主應(yīng)力法力學(xué)解析基本方程211

8.1.1任意薄壁件回轉(zhuǎn)體平衡方程211

8.1.2塑性方程214

8.1.3應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系215

8.2筒形件充液拉深成形厚度法向應(yīng)力215

8.3筒形件溫?zé)峤橘|(zhì)拉深典型區(qū)域應(yīng)力解析217

8.3.1基本參數(shù)及有限元建模217

8.3.2法蘭應(yīng)力分析219

8.3.3凹模圓角應(yīng)力分析224

8.3.4筒壁處應(yīng)力分析232

參考文獻(xiàn)235

第9章三向應(yīng)力狀態(tài)板材充液成形應(yīng)力狀態(tài)及成形性分析236

9.1厚度法向應(yīng)力對(duì)屈服軌跡的影響236

9.1.1筒形件充液拉深在屈服軌跡上的應(yīng)力分布236

9.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)下屈服軌跡變化238

9.2板材充液熱成形力學(xué)特征239

9.2.1(βav,ε)及(η,ω)坐標(biāo)空間239

9.2.2斷裂韌性與βav及η關(guān)系定性分析240

9.2.3流體壓力對(duì)板材充液成形應(yīng)力狀態(tài)的影響242

9.2.4有限元結(jié)果分析245

9.3(η，ω)空間Mohr-Coulomb斷裂軌跡實(shí)驗(yàn)確定248

9.4考慮厚度法向應(yīng)力的Smith模型251

9.4.1Smith模型應(yīng)力應(yīng)變分量251

9.4.2平面應(yīng)力條件下極限應(yīng)變確定252

9.4.3(βav,ε)及(η,ω)坐標(biāo)空間253

9.4.4理論預(yù)測(cè)結(jié)果分析254

9.5考慮厚度法向應(yīng)力的M-K修正模型257

9.5.1M-K模型及理論基礎(chǔ)257

9.5.2M-K模型求解258

9.5.3計(jì)算過(guò)程分析260

9.5.4結(jié)果及成形性改善分析261

第10章鋁合金板材脹形熱塑性變形行為及本構(gòu)模型研究268

10.1脹形實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線的考慮269

10.1.1脹形實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線原理269

10.1.2脹形中壓力率控制的考慮269

10.2脹形實(shí)驗(yàn)270

10.2.1脹形實(shí)驗(yàn)機(jī)及裝置270

10.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果272

10.3流動(dòng)應(yīng)力計(jì)算274

10.3.1脹形試樣球形度評(píng)估274

10.3.2脹形流動(dòng)應(yīng)力典型計(jì)算模型比較及流動(dòng)應(yīng)力計(jì)算276

10.3.3壓力率與應(yīng)變率的關(guān)系283

10.4板材熱介質(zhì)成形本構(gòu)模型285

10.4.1流動(dòng)應(yīng)力方程286

10.4.2硬化準(zhǔn)則287

10.4.3位錯(cuò)密度演化288

10.4.4基于微觀機(jī)制的熱脹形本構(gòu)方程289

10.5本構(gòu)方程參數(shù)確定290

10.5.1本構(gòu)方程離散數(shù)值格式290

10.5.2本構(gòu)模型中材料常數(shù)的確定291

10.6本構(gòu)方程的隱式積分法293

10.6.1徑向返回算法293

10.6.2切線剛度矩陣更新297

10.6.3有限元實(shí)現(xiàn)步驟301

參考文獻(xiàn)303

第11章筒形件熱油介質(zhì)拉深成形過(guò)程分析及回彈控制305

11.1充液熱成形與熱成形及常溫充液成形的對(duì)比307

11.2充液熱成形可控溫度場(chǎng)研究313

11.2.1等溫溫度場(chǎng)對(duì)材料性能的影響313

11.2.2差溫溫度場(chǎng)對(duì)材料性能的影響316