先進(jìn)流體壓力成形設(shè)備的研制及應(yīng)用

文／李經(jīng)明·河南孟電集團(tuán)興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司

興迪源機(jī)械是集設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體的液壓機(jī)械智能設(shè)備制造企業(yè)，公司以流體壓力成形技術(shù)為核心，以內(nèi)高壓成形機(jī)、水脹成形機(jī)、板材充液成形機(jī)、內(nèi)高壓三通機(jī)等設(shè)備為主導(dǎo)產(chǎn)品。

公司建有液力內(nèi)高壓成形機(jī)械工程技術(shù)研究開發(fā)中心，并與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、南京航空航天大學(xué)等院校開展長(zhǎng)期的產(chǎn)學(xué)研合作，密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)，緊緊圍繞國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略規(guī)劃，根據(jù)航空航天、汽車、核電、石化以及廚電等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)雜薄壁金屬構(gòu)件(輕量化金屬結(jié)構(gòu)件)的重大需求，致力于解決液壓成形、內(nèi)高壓成形、高溫氣脹成形以及離散體輔助成形等先進(jìn)流體壓力成形在理論、工藝和模具、裝備及其智能化方面的重大關(guān)鍵共性技術(shù)與核心問題。

典型設(shè)備研發(fā)及工藝

內(nèi)高壓成形設(shè)備

內(nèi)高壓成形是超高壓穩(wěn)定密封和超高壓計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)突破的產(chǎn)物，適用于制造航空、航天、汽車、核電、石化等領(lǐng)域的復(fù)雜空心構(gòu)件以及管路配件，可生產(chǎn)航空相關(guān)的輕體構(gòu)件，有空心結(jié)構(gòu)框架、發(fā)動(dòng)機(jī)上中空軸類件、進(jìn)排氣系統(tǒng)異形管，核電及石化的三通管件及彎頭和復(fù)雜管件等?？杉庸ぽS線為曲線，截面為圓形、矩形或其他異形截面的空心構(gòu)件，雙層復(fù)合管件，還可實(shí)現(xiàn)任意的加載路徑，包括線性加載、折線加載、脈動(dòng)加載。

我公司是國(guó)內(nèi)首家向市場(chǎng)提供智能內(nèi)高壓成形設(shè)備(圖1)的生產(chǎn)商，目前已向各個(gè)領(lǐng)域的客戶提供了數(shù)十臺(tái)各種規(guī)格的內(nèi)高壓成形設(shè)備。設(shè)備合模力從230t 至10000t，成形壓力從150MPa 到500MPa；也可以根據(jù)客戶產(chǎn)品的要求設(shè)計(jì)定制合模力為30000t、脹形壓力為500MPa 的內(nèi)高壓成形設(shè)備。表1 為我公司4000t 內(nèi)高壓成形機(jī)與山本水壓和國(guó)內(nèi)其他廠商同類設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

表1 我公司設(shè)備與山本水壓和國(guó)內(nèi)其他廠商同類設(shè)備的對(duì)比

圖1 興迪內(nèi)高壓成形設(shè)備

我司內(nèi)高壓成形設(shè)備的優(yōu)勢(shì)為：

⑴電氣控制。隨動(dòng)壓力控制，高端內(nèi)高壓機(jī)采用隨動(dòng)壓力控制，最大程度適應(yīng)零件不同成形階段對(duì)成形壓力和軸向進(jìn)給的要求，避免能量浪費(fèi)。

⑵榫卯結(jié)構(gòu)、多參數(shù)聯(lián)動(dòng)控制。創(chuàng)新地采用榫卯式結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)內(nèi)高壓成形壓力機(jī)的整體式機(jī)架進(jìn)行拆分，不僅可以更好地保證裝備性能和運(yùn)行的穩(wěn)定性，并且可以大幅降低設(shè)備生產(chǎn)成本與運(yùn)輸難度；研究多參數(shù)(合模速度，左、右補(bǔ)料量，成形壓力等)聯(lián)動(dòng)內(nèi)高壓成形壓力機(jī)設(shè)計(jì)方法，探討壓力機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性及穩(wěn)定性。

充液成形設(shè)備

這是我司自主創(chuàng)新、研制開發(fā)出的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液態(tài)介質(zhì)柔性成形設(shè)備(圖2)，用于鈑金類零件的高精度成形，在國(guó)內(nèi)處于先進(jìn)水平。

圖2 板材充液成形設(shè)備

⑴創(chuàng)新型三梁板設(shè)計(jì)?；顒?dòng)梁自重控制：作用在油缸，油缸上溢流反向力等于活動(dòng)梁板滑塊質(zhì)量。

⑵主油缸+壓邊油缸的復(fù)合缸，雙作用功能，減少橫梁，減輕機(jī)器重量、節(jié)能降耗。二級(jí)油筒與一級(jí)油筒固定成一體，獨(dú)立進(jìn)出油孔，獨(dú)立控制，獨(dú)立進(jìn)退；PLC 可編程序控制比例，進(jìn)而控制兩級(jí)油路，壓邊力和拉深力可以分開獨(dú)立控制，控制精準(zhǔn)、效率高、節(jié)能。

⑶已申請(qǐng)專利：《可快速更換耐磨材料的立柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)》，專利號(hào)2013200605537；《一種復(fù)合油缸及帶復(fù)合油缸具有雙作用功能的液壓機(jī)》，專利號(hào)201320060565X。

快速液壓水脹成形設(shè)備

快速液壓水脹成形設(shè)備(圖3)采用高壓液體對(duì)空心件或者管坯向外成形，并使其逐漸貼合模具型腔，成形為指定形狀和尺寸的零件。液體通過工作臺(tái)注入豎向管坯，從上側(cè)排出多余空氣，借由主缸完成軸向進(jìn)給補(bǔ)料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開口高度大，可實(shí)現(xiàn)軸線長(zhǎng)度較大零件的成形。因增壓器流量大，充液迅速，成形速度快，效率高。

圖3 快速液壓水脹成形設(shè)備

金屬波紋管液壓成形設(shè)備

金屬波紋管液壓成形設(shè)備(圖4)通過在管材內(nèi)部增壓和軸向加力推進(jìn)補(bǔ)充材料，把管坯壓入到模具型腔實(shí)現(xiàn)一次成形整根管坯全部波紋。最大特點(diǎn)是脹形力傳遞均勻，能使材料在最有利的情況下變形，生產(chǎn)效率極高，適用于各種型號(hào)的金屬波紋管件產(chǎn)品的成形。

圖4 金屬波紋管液壓成形設(shè)備

沖擊液壓成形設(shè)備

中國(guó)科學(xué)院金屬所與興迪源機(jī)械聯(lián)合研發(fā)制造出國(guó)內(nèi)首臺(tái)沖擊液壓成形設(shè)備(圖5)，主要用于難變形薄壁材料及局部特征的成形，表2 為傳統(tǒng)液壓成形與沖擊液壓成形的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

表2 傳統(tǒng)液壓成形與沖擊液壓成形的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

圖5 沖擊液壓成形設(shè)備示意圖

熱態(tài)氣脹成形設(shè)備

我公司進(jìn)行了熱態(tài)氣脹成形設(shè)備的探索，試制了主體設(shè)備與零件、模具加熱設(shè)備(圖6)，相關(guān)試驗(yàn)正在進(jìn)行中。主要用于鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋁、鋁鎂合金等室溫下難變形材料。

圖6 主體設(shè)備和零件、模具加熱裝置

自動(dòng)化輔助設(shè)備

⑴上下料裝置。自動(dòng)上、下料是進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的自動(dòng)化精密內(nèi)高壓成形，須保證每件的下料尺寸精度以及上料位置精度，因此，研發(fā)高精度自動(dòng)化上下料裝置是我司研發(fā)工作的重要內(nèi)容之一。

⑵潤(rùn)滑裝置。潤(rùn)滑是內(nèi)高壓成形過程不可缺少的工序，我司研發(fā)的自動(dòng)潤(rùn)滑裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)高壓成形坯料自動(dòng)化、均勻噴涂水溶性潤(rùn)滑劑，更好地保證零件表面質(zhì)量。

⑶抓手。抓手是機(jī)器人能夠用于工業(yè)應(yīng)用的必備核心部件之一，需要根據(jù)其所抓工件的不同形狀和不同工作環(huán)境，單獨(dú)設(shè)計(jì)。我司研發(fā)的專用抓手具有靈活、可靠，壽命高的特點(diǎn)，在抓取零件過程中能夠保證較高的重復(fù)定位精度，確保零件在內(nèi)高壓成形過程中密封良好、成形精度高。

液壓成形工藝開發(fā)

⑴新能源電池隔板充脹成形工藝開發(fā)：利用我司自主研發(fā)的5000t 板材充脹成形設(shè)備完成了對(duì)新能源電池隔板的工藝研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)小批量打樣，滿足客戶對(duì)零件精度的所有要求，產(chǎn)品見圖7。

圖7 充脹成形新能源電池隔板

⑵轉(zhuǎn)接頭內(nèi)高壓成形工藝開發(fā)：充液彎曲+脹形的復(fù)合工藝，一模多件(可成形10 件，見圖8)，效率高；獲發(fā)明專利(ZL20181040445.X)。

圖8 轉(zhuǎn)接頭一模十件工藝

⑶進(jìn)、排氣管液壓成形模具及工藝開發(fā)：替代原有多段焊接；零件一致性好，精度高；具有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，零件強(qiáng)度提高；成形產(chǎn)品見圖9。

圖9 進(jìn)、排氣管一體成形

⑷發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼：充液成形后內(nèi)壓脹形，一體成形代替?zhèn)鹘y(tǒng)拉深后再焊接的工藝，零件一致性好，強(qiáng)度提高。傳統(tǒng)拉深和液壓成形的產(chǎn)品對(duì)比見圖10。

圖10 傳統(tǒng)拉深和液壓成形的產(chǎn)品對(duì)比

⑸滑動(dòng)模高壓成形技術(shù)，解決了空心件局部大膨脹量破裂難題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜截面空心構(gòu)件的整體成形。傳統(tǒng)工藝與內(nèi)高壓生產(chǎn)的產(chǎn)品對(duì)比見圖11。

圖11 傳統(tǒng)工藝與內(nèi)高壓生產(chǎn)的產(chǎn)品對(duì)比

⑹其他脹形產(chǎn)品(圖12)。

圖12 部分脹形產(chǎn)品

⑺排氣系統(tǒng)異形管件，副車架總成，底盤構(gòu)件、車身框架、座椅框架及散熱器支架，前軸、后軸及驅(qū)動(dòng)軸，安全構(gòu)件等，見圖13。

圖13 汽車上使用液壓成形的零部件

⑻汽車?yán)錈岫斯芗?圖14、圖15)。

圖14 汽車三元凈化器

圖15 汽車用波紋管件

⑼其他產(chǎn)品，見圖16、圖17。

圖16 鋁合金的內(nèi)高壓成形

圖17 多通件的內(nèi)高壓成形

結(jié)束語

針對(duì)鈦合金、鋁鋰合金、鎂合金、高溫合金等難變形材料、復(fù)雜三維形狀整體成形構(gòu)件進(jìn)行了內(nèi)高壓及板材充液成形新工藝、新方法、新設(shè)備研究，完成了板材充液拉深成形、管材內(nèi)高壓精密成形和細(xì)微結(jié)構(gòu)復(fù)雜形狀管板零件高速?zèng)_擊成形成套技術(shù)及成套裝備的開發(fā)與應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：飛行器及運(yùn)載火箭各艙段、貯箱、尾翼、管路系統(tǒng)、換熱器、燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)唇口等新材料、復(fù)雜形狀零部件精密成形；汽車整體車身框架、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、油底殼、電池包、后橋等零部件的免焊整體成形；帶有細(xì)微結(jié)構(gòu)的減振、散熱、強(qiáng)化零件的高效、精密成形。采用充液拉深成形和內(nèi)高壓成形的零件具有尺寸精度高、回彈小、壁厚分布均勻、表面質(zhì)量好、輕量化程度高等優(yōu)勢(shì)。