靜液壓制靜液壓制原理

靜液壓制工藝的物理本質(zhì)就足利用巴斯葛原理，流體基本上是不可壓縮的，給流體施加壓力，壓強(qiáng)通過(guò)流體連續(xù)的傳遞，在液體中各處的壓強(qiáng)相等。不過(guò)要注意，在高壓狀態(tài)下液體也會(huì)發(fā)生收縮，一般認(rèn)為在壓力超過(guò)50MPa時(shí)，體積會(huì)發(fā)生明顯收縮，可高達(dá)

上圖是等靜壓機(jī)的原理圖（以濕式為例）。用大型高強(qiáng)度鋼鍛件做的高壓缸是等靜壓機(jī)的主體零件，或者用鋼件做缸體內(nèi)襯，外面用鋼帶，鋼絲纏繞，提高壓缸的抗壓強(qiáng)度，保證壓缸工作時(shí)的安全性。高壓缸內(nèi)裝液體油，或者含有5%油的乳化液，也可裝純凈水，用這些液體做傳遞壓力的介質(zhì)。操作時(shí)用高壓泵向壓缸內(nèi)加添少許液體，可把缸內(nèi)的液體壓力提高到約200MPa，需要壓制的粉末裝在一個(gè)柔性的塑膠套（袋）內(nèi)，排盡膠套內(nèi)的空氣，并把膠袋密封，防止壓制過(guò)程中油進(jìn)入套內(nèi)。膠套置于高壓缸內(nèi)的液體介質(zhì)里面，在高壓液體的作用下，膠套內(nèi)的粉末被壓成壓坯。通常在柔性塑膠套的外面套一個(gè)等尺寸同形狀的鋼外套，以便保證壓坯的形狀和尺寸的準(zhǔn)確性。柔性套用天然橡膠或人造塑料制造，通常人造塑膠的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）是：聚氯乙烯樹(shù)脂100份，苯二甲酸二辛酯100份（或者苯二甲酸二丁酯），三元基硫酸鉛2～3份，再加硬脂酸0.3份，攪拌混合均勻，抽真空排氣后，用混合調(diào)好的膠體制造軟套的過(guò)程為：只把符合設(shè)計(jì)尺寸要求的芯棒放在混合好的液態(tài)膠內(nèi)，使芯棒表面沾帶有一定厚度的膠體，再把帶有膠體的芯棒放在適當(dāng)?shù)母邷睾嫦鋬?nèi)烘烤一定時(shí)間，套子定形后水冷脫模，并仔細(xì)檢查保證膠套沒(méi)有滲漏，否則，在等靜壓機(jī)的高壓缸內(nèi)加壓時(shí)，液體滲入套內(nèi)粉末變成稀的金屬泥料而不能成形。

裝有粉末的柔性套放人高壓缸的液體內(nèi)，軟模套和粉末同時(shí)受壓變形。與鋼模壓制不同，等靜壓時(shí)軟模套和被壓粉末同時(shí)變形，消除了壓模和粉末之間的摩擦壓力損失，粉末之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離很小，特別是縱向比橫向要小得多。高壓缸內(nèi)的液體各處的水靜壓力認(rèn)為都是相等的。這樣一來(lái)，等靜壓壓制的粉末壓坯各處的密度近似是相等的。

但是，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析研究后發(fā)現(xiàn)，等靜壓壓出的毛坯各點(diǎn)的密度還是有一點(diǎn)差別，特別對(duì)大直徑坯料，但總體差別不大。對(duì)于直徑80mm的鉬生坯的密度進(jìn)行了解剖分析，壓制壓力接近200MPa，用車床把鉬壓坯的外徑每次車掉10mm，分六次把壓坯的直徑車小到20mm。實(shí)際上每次車掉一個(gè)同心圓套，計(jì)算出圓套的體積和重量，就可算出每個(gè)同心圓套筒的密度，可以得出壓坯直徑方向的密度分布。壓坯的平均密度和相對(duì)密度自外向里逐漸變小，車下的套環(huán)的密度自大直徑到小直徑密度是逐漸下降，即整個(gè)壓坯的密度由里向外逐漸向上升。最外面一層環(huán)的密度比心部的密度高約5%。而等靜壓壓制的平板坯的內(nèi)外密度差比圓柱體的小約50%。板坯的內(nèi)外密度差比圓柱體的小，板坯的密度均勻。

這種密度差的根源在于粉末之間存在有內(nèi)摩擦，引起由外向內(nèi)的壓力損失。粉末壓坯的壓制密度與壓力有直接關(guān)系，這種關(guān)系可能符合巴爾申關(guān)系或者雙對(duì)數(shù)方程的關(guān)系。等靜壓壓制的壓坯密度與壓制壓力之間關(guān)系的研究表明，粉末粒度和壓坯形狀（長(zhǎng)徑比）之問(wèn)有關(guān)系，壓坯的徑向收縮和軸向收縮是不一樣的，存在有收縮的各向異性。細(xì)粉的收縮率比粗粉的高，粗粉收縮的各向異性比細(xì)粉的嚴(yán)重一點(diǎn)（粉末的粒度5.0μm、3.5μm和2.3μm）。

靜液壓制設(shè)備主要由3部分組成，即由缸體（高壓容器）、高壓泵、管道閥門(mén)組成。

靜液壓制缸體

冷等靜壓缸體也叫高壓容器。其形狀一般為厚壁圓筒形。按照材料力學(xué)關(guān)于厚壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算可知，如果將單層壁圓筒在壁厚不變的情況下改為雙層壁預(yù)應(yīng)力圓筒，則高壓容器的耐壓強(qiáng)度可以提高很多。若改成多層預(yù)應(yīng)力圓筒，則其耐壓強(qiáng)度更加提高。冷等靜壓缸體按筒壁的層數(shù)可分為下列3種

1. 單層厚壁圓筒

2. 雙層厚壁圓筒

3. 纏繞式圓筒，由高強(qiáng)度（σ_b>3000MPa）的小鋼帶多層纏繞制成。

靜液壓制高壓泵

高壓柱塞泵和（液、氣）泵，油泵可供給300 MPa壓力油，氣泵可供100 MPa壓縮氣。薄膜泵，一般用來(lái)供高壓氣（Ar，N₂），壓力小于100 MPa。

增壓器，是增壓氣泵和增壓油泵的總稱。增壓氣泵可將0～2 MPa常壓氣體增壓到5～50MPa；增壓油泵可將32MPa油液增壓到300MPa。如圖《高壓泵和增壓器結(jié)構(gòu)圖》所示。

靜液壓制管道閥門(mén)

管道一般用厚壁無(wú)縫鋼管，最好是厚壁無(wú)縫不銹鋼管。

閥門(mén)：低壓可用電液閥，高壓一般為手動(dòng)針形閥。

靜液壓制缸口密封蓋結(jié)構(gòu)

螺旋式，使用麻煩，逐漸淘汰。

活塞式，缸口由活塞與“O”形橡膠密封環(huán)（圈）或楔形橡膠聚四氟復(fù)合密封環(huán)（圈）密封。

靜液壓制模具結(jié)構(gòu)

濕袋結(jié)構(gòu)，濕袋是用橡皮、聚乙烯等軟袋，做成裝粉末的軟袋。在使用時(shí)，軟袋直接放入油液中直接與液體接觸。壓制完成后，將粉末壓坯和橡膠袋一同取出，將橡膠袋表面的油擦干再將壓坯從橡膠袋中取出即可。此法稱濕袋法。是因?yàn)槌Ｅc油膩的橡膠袋接觸，壓坯脫模時(shí)油膩粘污雙手，不易操作。

干袋結(jié)構(gòu)。干袋結(jié)構(gòu)是采用雙層橡皮袋、加壓橡皮袋固定并密封在高壓缸體口上，高壓油只局限在鋼模和加壓橡皮袋之間很小的空間內(nèi)。裝粉末的橡皮袋（也可不用）放在加壓成形橡皮袋內(nèi)，粉末受加壓橡皮袋擠壓而成形。這種結(jié)構(gòu)裝粉和取壓件都很方便。特別是生產(chǎn)時(shí)不與油液接觸，工件干凈，勞動(dòng)條件較好，因此生產(chǎn)效率很高（可達(dá)10～15件/min）。大制品（可達(dá)300件/h）。如圖《模具結(jié)構(gòu)圖》所示。

干袋法在高強(qiáng)度陶瓷硬質(zhì)合金棒材、磁性材料等在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是近年來(lái)英國(guó)希馬克公司生產(chǎn)的Monostatic系列干袋式等靜壓機(jī)生產(chǎn)效率很高壓坯表面光潔。尺寸精度高可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的陶瓷壓坯。

在金屬模成形中，復(fù)雜形狀或圓柱狀等簡(jiǎn)單形狀物體的成形，其加壓方向的厚度比加壓斷面積大時(shí)，成形密度不均勻，在燒結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形問(wèn)題。這是因?yàn)橛媒饘倌Ｍ螘r(shí)，模壁與粉體之闖發(fā)生摩擦，壓力傳導(dǎo)不能均勻地達(dá)到全系統(tǒng)所致。而用靜水壓成形時(shí)，由于通過(guò)橡膠等彈性體而在應(yīng)該成形的粉末上施以靜水壓，從而將金屬模成形中存在的粉體流動(dòng)與阻止其流動(dòng)的模壁摩擦阻力的問(wèn)題通過(guò)使用與粉體發(fā)生相似收縮的橡膠等彈性體而解決了。

靜水壓制雖在70年前就已提出，但由于超高壓技術(shù)長(zhǎng)期沒(méi)有發(fā)展而未得到工業(yè)性實(shí)用。近20年來(lái)隨著超高壓技術(shù)的進(jìn)步，已成為工業(yè)化的成形方法。從點(diǎn)火栓火花塞、球磨機(jī)用磨球等小型制品，到連續(xù)鑄造用浸漬噴嘴等均已在工業(yè)上得到應(yīng)用。正在向以成形大型制品及同時(shí)成形大量制品為目的的大型化生產(chǎn)發(fā)展。在大型設(shè)備中，高壓容器內(nèi)部尺寸為宜徑1.5m、高3.5m的超大型機(jī)器也已出現(xiàn)。

靜液壓制方法是可以獲得密度均勻的壓件的粉末成形方法之一。這種方法的實(shí)質(zhì)在于：把粉末裝在彈性模具中，經(jīng)受各個(gè)方向的液體靜壓力。過(guò)程是在密封室中進(jìn)行的，密封室裝有用來(lái)工作的液體－油、水、甘油等。液體靜壓力通常是202~404MPa或更高一些。

靜液壓制彈性模一般是用橡皮、塑料等制成的。將粉末裝人模中時(shí)，裝粉的均勻性對(duì)制品的密度和形狀有一定影響，所以，通常用振動(dòng)的方法使粉末在模具中均勻填充。在密封好的彈性模外邊還要緊套上一個(gè)帶孔的套筒，然后進(jìn)行壓制。

液靜壓制的特點(diǎn)是在這種情況下，沒(méi)有外摩擦的影響。粉末顆粒在液體靜力作用下，向壓件中心移動(dòng)。用液靜壓制各種形狀的壓件（圓柱體、球體、矩形坯條）時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有球形和圓柱形壓件，其外緣到中心的密度有很小的降低（1%～2%）。這種現(xiàn)象可能是由于拱橋效應(yīng)所引起的。矩形坯條各處的密度和硬度都相同。

液靜壓壓制是在液靜壓機(jī)中進(jìn)行的。液靜壓機(jī)的主體部分分高壓工作室和高壓泵兩部分。

靜液傳動(dòng)系統(tǒng)的容積效率是衡量其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),也是影響其在高速軍用車輛上廣泛應(yīng)用的瓶頸。找到靜液傳動(dòng)系統(tǒng)容積效率的影響因素并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的建模,是對(duì)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制的前提,是實(shí)現(xiàn)靜液傳動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)整體優(yōu)化匹配及控制的基礎(chǔ)。

影響高速靜液傳動(dòng)系統(tǒng)容積效率的3個(gè)因素:泵輸入轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)工作壓力、系統(tǒng)工作油溫對(duì)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)的影響規(guī)律。

1. 在一定工作油溫、一定泵工作轉(zhuǎn)速下,靜液傳動(dòng)系統(tǒng)容積效率隨系統(tǒng)工作壓力的升高而降低;

2. 在一定工作油溫、一定工作壓力下,靜液傳動(dòng)系統(tǒng)容積效率隨泵工作轉(zhuǎn)速的升高而升高;

3. 在一定工作壓力、一定工作轉(zhuǎn)速下,靜液傳動(dòng)系統(tǒng)容積效率隨工作油溫的升高而降低;

4. 盡管引用傳統(tǒng)計(jì)算泵容積效率的公式來(lái)計(jì)算靜液傳動(dòng)系統(tǒng)的容積效率會(huì)有所偏差,但理論值與試驗(yàn)值之間的誤差對(duì)于靜液傳動(dòng)系統(tǒng)建模研究來(lái)說(shuō),精度已經(jīng)足夠,而且,當(dāng)泵工作轉(zhuǎn)速高于2 200r/min時(shí),不管在低油溫還是在高油溫,理論值與試驗(yàn)值都有很好的一致性,高速軍用車輛靜液傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究來(lái)說(shuō),按照傳統(tǒng)柱塞泵容積效率計(jì)算公式去建立靜液傳動(dòng)系統(tǒng)容積效率模型完全可以滿足當(dāng)前研究的需要 。