液压成形

用液体作为传力介质的加工技术

液压成形（hydroforming）是指利用液体或模具使工件成形的一种塑形加工技术，也称液力成形。仅需要凹模或凸模，液体介质相应地作为凸模或凹模，省去一半模具费用和加工时间，而且液体作为凸模可以成形很多刚性模具无法成形的复杂零件。

液压成形简介

液压成形是指用液体的压力代替刚性的凸模或凹模对板料进行冲压加工的方法。它可进行冲压的工序很多，如弯曲、拉深、平板毛坯的胀形、空间毛坯形状的胀形等。它可成形各种复杂制件，如波纹管。并具有得到制件表面质量好、减少工序、简化模具和不需特殊的冲压设备等优点。由于液体直接作用于制件，密封比较困难，操作工艺较一般用钢模及橡皮模复杂得多，因此，在大量生产中使用还不十分广泛。

分类

按使用的液体介质不同，可将液压成形分为水压成形和油压成形。水压成形使用的介质为纯水或由水添加一定比例乳化油组成的乳化液；油压成形使用的介质为液压传动油或机油。按使用的坯料不同，液压成形可以分为三种类型：管材液压成形、板料液压成形和壳体液压成形。

板料和壳体液压成形使用的成形压力较低，而管材液压成形使用的压力较高，又称为内高压成形，又称管材液压成形。板料液压成形使用的介质多为液压油，最大成形压力一般不超过100MPa。壳体液压成形使用的介质为纯水，最大成形压力一般不超过50MPa。内高压成形使用的介质多为乳化液，工业生产中使用的最大成形压力一般不超过400MPa。

从20世纪80年代中期发展起来的现代液压成形技术的主要特点表现在两个方面：一是仅需要凹模或凸模，液体介质相应地作为凸模或凹模，省去一半模具费用和加工时间，而且液体作为凸模可以成形很多刚性凸模无法成形的复杂零件。而壳体液压成形不使用任何模具，因此又称为无模液压成形。二是液体作为传力介质具有实时可控性，通过液压闭环伺服系统和计算机控制系统可以按给定的曲线精确控制压力，确保工艺参数在设定的数值内，并且随时间可变可调，大大提高了工艺柔性。除了这些特点外，内高压成形、板料液压成形和壳体液压成形三种不同液压成形技术又具有各自的特点，下面分别进行介绍。

内高压成形

内高压成形技术主要的特点是可以整体成形轴线为二维或三维曲线的异型截面空心零件，从管材的初始圆截面可以成形为矩形、梯形、椭圆形或其他异型的封闭截面，如图1所示。传统制造工艺一般为先冲压成形两个或两个以上半片再焊接成整体，为了减少焊接变形，一般采用点焊，因此得到的不是封闭的截面。此外，冲压件的截面形状相对比较简单，很难满足结构设计的需要。

内高压成形是适应汽车和飞机等运输工具结构轻量化发展起来的先进制造技术。结构轻量化有两条主要途径：一是材料途径，采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料；二是结构途径，采用空心变截面、变厚度薄壁壳体、整体等结构。根据统计，对于一定的减重目标，在航天航空领域，采用轻质材料减重的贡献大约为2/3，结构减重的贡献大约为1/3；而在汽车行业，与之相反，主要采用结构减重的途径。当材料一定时，减重的主要方法是设计合理的轻体结构。对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面构件，既可以减轻质量又可以充分利用材料的强度。

板料液压成形

板料液压成形是一种先进的金属成形加工工艺，这种工艺具有模具成本低、模具制造周期短、成形极限高、成形质量高等特点，是板料柔性成形的主要工艺技术之一。适用于航空航天领域中变形程度高、需要多道次拉深才能完成的零件，比如整流罩等带有复杂型面的筒形件、锥形件等；同时也适用于汽车领域带有复杂型面、局部需要凹模与凸模压靠才能成形的零件，如汽车灯反光罩等；常规成形不容易调试模具以及易产生起皱、破裂缺陷的零件，如翼子板等。此外，液压成形还适用于加工许多厨房用品，如不锈钢餐具、容器、手盆等较深的零件产品。该工艺技术主要采用信息技术支持工具，用柔性模具代替传统的刚性凸模或凹模，如图2所示。

板料的液压成形技术经过二十年来的发展。受到各个领域的普遍重视，在国外工业发达国家已经大量应用到航空、航天、汽车以及家用电器制造中，这与此项技术所具有的优点是分不开的，这些优点包括：

①在摩擦保持效果压力作用下，板料与凸模之间形成摩擦保持效果，这样可增强凸模圆角区板料的承载能力，提高成形极限，从而减少成形次数。

②流体润滑效果液室中液体压力作用使得板料紧贴在凸模上，液体在凹模上表面和板料下表面之间形成流体润滑，这样可减少零件表面划伤，使零件质量好，尺寸精度高，壁厚分布均匀。

③抑制曲面零件起皱，由于成形板料下面的反向液压作用消除了曲面零件等在凹模孔内的悬空区．使坯料紧贴凸模，并形成“凸梗”，减小了半球、锥形等复杂件拉深时的“悬空段”，有效控制了材料内皱等缺陷的发生。

④可以在减少模具和无模具的情况下。加工出复杂曲面的汽车板料成形工件，把传统刚性成形工艺的多次拉伸成形工艺改变成为一次性的柔性成形，提高成形件的表面精度和内在强度，能够节约大量的模具设计、制造、调试的人力、物力和时间，尤其在多品种小批量的大型板材成形生产中，能克服费用和时间的限制．使产品更新换代越来越快。

壳体液压成形技术

壳体液压成形是采用一定形状的封闭多面壳体作为预成形坯，在封闭多面壳体充满液体后，通过液体介质在封闭多面壳体内加压，在内压作用下壳体产生塑性变形而逐渐趋向于最终的壳体形状。最终壳体形状可以是球形、椭球形、环壳和其他形状壳体。

壳体液压成形主要优点：①不需要模具和压力机。从力学角度看，该技术的原理是利用整体封闭壳体内压作用时自身平衡力系，即整体封闭壳体本身既是变形体又是实现力系平衡的载体，从而实现了不用压力机和模具成形大型壳体。②容易变更壳体壁厚和直径。由于不需要模具和压力机，对于所需要的直径和厚度的壳体，只要设计了合理的预成形坯封闭多面壳体，就可以直接加压成形。而传统的模压成形技术，一种直径球壳需要一套模具，一种规格的椭球壳体需要几套模具。③产品精度高。由于把壳体制造工艺由传统的“先成形后焊接”变为“先焊接后成形”，成形过程是对前期焊接变形的校形，最终产品的尺寸精度高。④降低成本，缩短制造周期。由于不使用模具和压力机，节省了压型时间和模具费用。

壳体液压成形主要缺点：①由于该技术为“先焊接后成形”，封闭多面壳体的焊缝在成形过程中承受一定的塑性变形，如果焊缝质量存在问题，会引起开裂，造成整个壳体报废。对于厚板和低合金钢这种问题更严重。因此，控制焊接质量是关键所在。②对于大型壳体，成形过程的支撑基础难度大、费用高。例如，直径12.3m的球壳，容积为1000m3，需要解决支撑1000t水及壳体自重的基础。

与普通拉深一样。压力过大，在凸坎与直壁相接处容易成形爆破。

模具设计禁忌

对向液压成形不应忽视密封问题

对向液压成彤时，油压非常高，高的可达100MPa，因此，为了防止液压油泄漏，必须注意液压密封问题。

图3所示的对向液压成形，在压边阁与凹模之间放置密封圈，以防止液压油外泻，当液压室油压升高时，液压油可由溢流阀溢出降压，维持溢流阀设定的压力。若不设置密封圈，液压室内压力油外泄造成压力油压力下降，对向拉深时液压油就不起作用。因此，一般应在压边圈设置密封圈。

也有利用液压室中压出的液体，不喷出去，再作用于凸缘外周，使扳料外缘受到液压油的径向推力，从而减小拉深力，则有利于成形，这种方法称为液压住向推力法。由于压出的液体在板料两面充当了润滑剂的作用，降低了摩擦阻力，即降低了拉深力，更重要的是，对凸缘的径向压力大大抵消了危险断而的径向拉力，因而显著提高了拉深的极限变形程度（极限拉深比高达4.92，一般极限拉深比为2.72），特别适合拉深筒件的一次成形。

不应忽视对向液压成形的液压增压方式

对向液压成形，液压室中液压的增压方式有两种：一种是自然增压，一种是强制增压。自然增压是用金属凸模冲入充满液压油（油压为0）的凹模内，随着凸模的下降，密闭在液压室的液体压力升高，同时反作用在板料上，使板料紧贴凸模成形。强制增压是在加了压边力之后，用泵向液压室加油增压，然后再在凸模压入，这样就增大了初始阶段的液压压力，改善了工件的成形质量。

对向液压成形时，液压增压过程需注意若液压油瓜力增大过大、过快，则在工件的凸坎与直壁相接处容易成形局部爆裂。反之，若压力上升过慢，也会在直壁上部接近凸缘处产生拉裂。

温差拉深成形的加热部位不应是凸模的侧壁

温差拉深成形是在拉深过程中，将压边圈和凹模之间的毛坯变形区加热到一定的温度，使变形区的变形抗力降低，在凹模圆角区与凸模圆角区通冷却水，使传力区保持原有的强度。这种借助变形区局部加热和传力区局部冷却的办法，一方面可减少变形区（凸缘区）材料的变形抗力，另一方面提高了传力区的承载能力。因此，用这种方法可以使极限拉深系数降低到0.3~0.35，即工件能获得较大的一次拉深变形程度。所以，对塑性较差的材料（如杜拉铝、镍合金等）的拉深成形和深筒件的拉深比较合适。

由于加热温度受到模具钢耐热能力和高温强度的限制，所以温差拉深主要用于铝、镁、钛等有色金属的冲压成彤．加热温度为300～500℃，对钢板、合金板应用的不多。

液压成形设备

液压成形装备是材料成形装备的一大类，是飞机、汽车和拖拉机等工业部门不可缺少的加工设备，因此在机器制造业中占有重要地位。液压成形装备具有一系列特点：易于获得很大的工作力；可以长时间进行保压，容易得到长行程，滑块能在全行程的任意位置上发挥出全部力，并且能够停留或返回；力、速度和行程可在一定范围内进行任意调节，传动平稳，安全可靠，等等，因此它能适应不同工艺要求。随着电子技术和液压技术的发展，液压成形装备的技术水平也正在迅速地提高。

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