第一章 绪 论
1.1 液压成形技术的发展
在近代工业发展过程中，金属塑性加工的服务对象与依赖主要是汽车工业对零部件生产技术的不断提高。而汽车工业所使用诸多零部件生产技术水平则作为一个国家钢铁工业水平的评价标志。比如汽车覆盖件使用的冷轧板性能标志着钢铁厂的技术水平，而其尺寸精度则代表了制造厂在大型冲压件生产方面的水平。随着本土汽车工业的快速发展,我国在以上两方面都取得了长足的进步,实现了国产零件代替部分进口产品。但在塑性加工新技术新工艺应用方面,国内与国外先进工业国家仍然存在较大差距，如在国外已经大量使用冲压-淬火技术和液压成形技术来生产汽车结构件，而国内大部分仍然采用的是传统工艺对钢板进行冷冲压后再焊接组装。
根据近十年来对汽车工业各方面要求的研究，预示塑性加工未来发展新方向：1，车体轻量化。通常实现轻量化的途径有三种：采用等强度新型轻质材料、通过组织改变提高材料强度、避免材料浪费实现壁厚变化或者以空代实；2，加工工艺柔性化。在不提高成本的前提下使用离散模具或者通用性设备，减少单一产品生产所需设备数量；3，低载荷、节能化。通过优化工艺和模具或者改变材料性能，如薄板连铸技术、优化模具设计减少接触摩擦、采用半固态成形技术；4，复合成形技术，实现各种成形工艺和热处理工艺的结合[2]。液压成形技术正是在塑性加工新阶段的背景发展起来的，尤其在复杂零件或者变截面板和难成形轻质材料的工艺中，液压成形体现出了显著的优越性。其发展历程大致如下。
液压成形发展初始阶段压力低于 30MPa 并且加载方式单一，主要在管材性能对胀形极限的影响方面进行基础理论的研究；后来突破 50MPa 的压力并设计出封闭型的内腔成为一个里程碑的进步；再到后来实现内压与轴向力同时控制的阶段，为液压成形的飞速发展奠定了基础；随着超高压系统和计算机控制技术的成熟，液压成形在工业生产中广泛投入使用。内压达到了 400MPa 甚至 1000MPa，内压和冲头位移控制也达到了前所未有的精度。内压控制精度已经达到 0.2-0.5MPa，冲头位置控制精度则达到 0.05mm。液压成形技术的提出可以追溯到上世纪 30 年代，那个时候称为液压胀形技术，主要用于薄壁软材料如铜制造的三通管和波纹管。由于初期的内压相对较低一般小于30MPa 而且没有设计出具有轴向补料功能的模具与工艺，使得产品成形性能相对较差。至世纪 80 年代对液压成形的基础研究在德国迎来了一个新的高潮，其主要得益于超高液压传动技术和数控技术的发展。而到 90 年代随着增压泵技术、超高压动密封技术和技术是在德国汽车工业界率先进行的新制造工艺革命，随后数年间在欧美等工业发达国家和亚洲的日本韩国等国家也得到了迅速地推广和应用。
液压成形的研究需要综合多个学科的专业知识，比如金属塑性成形理论、金属材料学、超高压技术、机械加工技术、计算机控制技术、现代数值模拟技术、模具技术、摩擦与润滑等。成形工艺涉及到诸多因素的影响使得技术难度大，制定出一套可靠的生产工艺方案不仅要求具备以上所述各领域的理论知识还必须拥有丰富的生产经验。由于液压成形过程的复杂性，为设计新产品生产工艺除通过实际实验进行外，利用现代成熟的计算机数值模拟技术对其变形过程进行细致研究不失为一种经济与合理的方法。通过数值模拟可以节省研制费用、缩短开发周期，还能够得到实验中无法获取的过程数据，为分析变形过程并预测可能出现的缺陷提供一种简捷有效的途径。
1.2 液压成形的应用设计
出液压成形工艺最初目的是为了用空心管材代替实心棒材，实现材料的充分利用。液压成形提高零件强度和刚度的原因在于该工艺属于冷加工，变形过程中材料发生加工硬化，而且变形相对均匀能够改善零件整体的力学性能。而传统的制造方式比如焊接和铸造则不具备此项功能。液压成形工艺生产的产品内部纤维组织没有受到破坏而是发生了延展，所以其组织性能得到提高。随着材料强度的不断提高和几何形状的复杂化其成形难度也不断增加，因此针对高难度成形而制定的现代工艺得到了广泛应用。
作为使用液体代替刚性凹模或者凸模的柔性制造技术，液压成形在减少模具数量方面具有很大的优势。不仅减少模具设计与制造费用的投入，还能够提供了模具的通用性，因为液体模具可以完全贴合几乎任何形状的外形。变形过程贴模性好使得成形精度高回弹量小同时能够实现多个部件的一体成形，减少了前后加工工序和装配工作量提高装配精度。作为液压成形技术要求压力较低的应用技术，板料液压成形根据液体代替的模型不同分为充液拉深（代替凹模）和高液压成形（代替凸模）。充液拉深除了需要控制和高液压成形一样的液体压力和压边力之外，还需要考虑凸模行程控制。但是高液压成形工艺中材料流动的控制很难进行，所以容易导致变薄严重。
第二章 液压成形原理及过程分析
2.1 液压成形基础理论
管件液压成形是以金属管材为毛坯，借助专用设备向密封的管坯内注入液体介质产生高压，同时还在管坯的两端施加轴向推力进行补料，在内压与轴向力的综合作用下管坯发生塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空零件。液压成形工艺的过程为封闭截面薄壳通过内压的胀形作用发生塑性变形由圆柱壳变为复杂截面形状的壳体。其工艺过程如图 2.1 所示。由于过程形状变化和接触顺序与摩擦因素的影响使得内高压成形过程很复杂。
第三章 有限元理论与薄壳理论........................... 30-34
3.1 引言.......................... 30-32
3.2 薄壳理论.......................... 32-33
3.3 本章小结.......................... 33-34
第四章 变径管液压成形有限元模拟.......................... 34-58
4.1 有限元模型的建立.......................... 34-35
4.2 模型参数的设定 ..........................35-36
4.3 网格划分及边界条件的设置 ..........................36-37
4.3.1 网格划分 ..........................36-37
4.3.2 边界条件的设置.......................... 37
4.4 接触的处理 ..........................37
4.5 模拟结果与讨论 ..........................37-56
4.5.1 无摩擦自由胀形 ..........................37-43
4.5.2 有摩擦自由胀形.......................... 43-44
4.5.3 无摩擦皱纹预成形.......................... 44-56
4.5.4 有摩擦皱纹预成形.......................... 56
4.6 本章小结 ..........................56-58
第五章 变径管液压成形模具优化.......................... 58-62
5.1 液压成形中的摩擦问题.......................... 58-59
5.3 模具优化.......................... 59-60
5.4 模拟结果对比分析.......................... 60-61
5.5 本章小结.......................... 61-62
结论
本文通过对变径管液压成形过程的自由胀形工艺进行模拟，深入研究内压与管坯半径增加的关系及壁厚变化规律。利用内压对壁厚的变化影响规律，提出在成形区域减缓内压增大速度以提高变形时间在总时间中的比例，同时减少增压过程与整形过程在总体中的比例，提高了整个工艺过程的效率。对有无摩擦两种情况进行比较，明确摩擦条件对液压成形过程的影响，尤其是对最小壁厚的影响。轴向补料作为现代液压成形工艺中不可缺少的部分，其加载路径需要相适应的内压加载曲线进行匹配才能够避免变形过程发生缺陷，如破裂、皱纹等。变径管的变形过程在有轴向进给的情况下，其受力状态非常复杂，如果发生皱纹等非稳定状态的变形，则无法利用静力进行分析。所以，通过既定的轴向进给路径，然后调节内压给予匹配是明确的方法。
本文依次对不同的补料压力下，采用同一轴向进给曲线，评估其最终产品的壁厚分布情况。同时对比了有无摩擦的结果，得出摩擦在不同补料压力情况下体现出的影响程度。最终认为不管是理想状态的无摩擦还是施加摩擦系数之后，1.2 倍的初始屈服强度作为补料压力是最为理想的。最小壁厚最大，壁厚的分布均匀性也最好。最后为了解决传统模具成形方式不可避免的摩擦问题，对模具进行了优化。把传统模具中的过渡区和补料区分割出来与变形区形成组合模具，按照同样的加载方式进行成形，结果与传统模具与无摩擦理想状态进行了比较，证明优化后的模具能有效减少摩擦的影响。
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