液壓成形

液壓成形（hydroforming）是指利用液體或模具使工件成形的一種塑形加工技術，也稱液力成形。僅需要凹模或凸模，液體介質相應地作為凸模或凹模，省去一般模具費用和加工時間，而且液體作為凸模可以成形很多剛性模具無法成形的複雜零件。

基本介紹

• 中文名：液壓成形
• 外文名：hydroforming
• 別稱：液力成形
• 屬性：塑性加工技術
• 分類：內高壓、板料液壓和殼體液壓成形
• 套用領域：飛機、汽車和拖拉機等工業

液壓成形簡介

液壓成形是指用液體的壓力代替剛性的凸模或凹模對板料進行衝壓加工的方法。它可進行衝壓的工序很多，如彎曲、拉深、平板毛坯的脹形、空間毛坯形狀的脹形等。它可成形各種複雜製件，如波紋管。並具有得到製件表面質量好、減少工序、簡化模具和不需特殊的衝壓設備等優點。由於液體直接作用於製件，密封比較困難，操作工藝較一般用鋼模及橡皮模複雜得多，因此，在大量生產中使用還不十分廣泛。

分類

按使用的液體介質不同，可將液壓成形分為水壓成形和油壓成形。水壓成形使用的介質為純水或由水添加一定比例乳化油組成的乳化液；油壓成形使用的介質為液壓傳動油或機油。按使用的坯料不同，液壓成形可以分為三種類型：管材液壓成形、板料液壓成形和殼體液壓成形。

板料和殼體液壓成形使用的成形壓力較低，而管材液壓成形使用的壓力較高，又稱為內高壓成形，又稱管材液壓成形。板料液壓成形使用的介質多為液壓油，最大成形壓力一般不超過100MPa。殼體液壓成形使用的介質為純水，最大成形壓力一般不超過50MPa。內高壓成形使用的介質多為乳化液，工業生產中使用的最大成形壓力一般不超過400MPa。

從20世紀80年代中期發展起來的現代液壓成形技術的主要特點表現在兩個方面：一是僅需要凹模或凸模，液體介質相應地作為凸模或凹模，省去一半模具費用和加工時間，而且液體作為凸模可以成形很多剛性凸模無法成形的複雜零件。而殼體液壓成形不使用任何模具，因此又稱為無模液壓成形。二是液體作為傳力介質具有實時可控性，通過液壓閉環伺服系統和計算機控制系統可以按給定的曲線精確控制壓力，確保工藝參數在設定的數值內，並且隨時間可變可調，大大提高了工藝柔性。除了這些特點外，內高壓成形、板料液壓成形和殼體液壓成形三種不同液壓成形技術又具有各自的特點，下面分別進行介紹。

內高壓成形

內高壓成形技術主要的特點是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，從管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面，如圖所示。傳統製造工藝一般為先衝壓成形兩個或兩個以上半片再焊接成整體，為了減少焊接變形，一般採用點焊，因此得到的不是封閉的截面。此外，衝壓件的截面形狀相對比較簡單，很難滿足結構設計的需要。

空心異型截面零件

內高壓成形是適應汽車和飛機等運輸工具結構輕量化發展起來的先進制造技術。結構輕量化有兩條主要途徑：一是材料途徑，採用鋁合金、鎂合金、鈦合金和複合材料等輕質材料；二是結構途徑，採用空心變截面、變厚度薄壁殼體、整體等結構。根據統計，對於一定的減重目標，在航天航空領域，採用輕質材料減重的貢獻大約為2/3，結構減重的貢獻大約為1/3；而在汽車行業，與之相反，主要採用結構減重的途徑。當材料一定時，減重的主要方法是設計合理的輕體結構。對於承受彎扭載荷為主的結構，採用空心變截面構件，既可以減輕質量又可以充分利用材料的強度。

板料液壓成形

板料液壓成形是一種先進的金屬成形加工工藝，這種工藝具有模具成本低、模具製造周期短、成形極限高、成形質量高等特點，是板料柔性成形的主要工藝技術之一。適用於航空航天領域中變形程度高、需要多道次拉深才能完成的零件，比如整流罩等帶有複雜型面的筒形件、錐形件等；同時也適用於汽車領域帶有複雜型面、局部需要凹模與凸模壓靠才能成形的零件，如汽車燈反光罩等；常規成形不容易調試模具以及易產生起皺、破裂缺陷的零件，如翼子板等。此外，液壓成形還適用於加工許多廚房用品，如不鏽鋼餐具、容器、手盆等較深的零件產品。該工藝技術主要採用信息技術支持工具，用柔性模具代替傳統的剛性凸模或凹模，如圖所示。

板料液壓成形示意圖

板料的液壓成形技術經過二十年來的發展。受到各個領域的普遍重視，在國外工業已開發國家已經大量套用到航空、航天、汽車以及家用電器製造中，這與此項技術所具有的優點是分不開的，這些優點包括：

①在摩擦保持效果壓力作用下，板料與凸模之間形成摩擦保持效果，這樣可增強凸模圓角區板料的承載能力，提高成形極限，從而減少成形次數。

②流體潤滑效果液室中液體壓力作用使得板料緊貼在凸模上，液體在凹模上表面和板料下表面之間形成流體潤滑，這樣可減少零件表面劃傷，使零件質量好，尺寸精度高，壁厚分布均勻。

③抑制曲面零件起皺，由於成形板料下面的反向液壓作用消除了曲面零件等在凹模孔內的懸空區．使坯料緊貼凸模，並形成“凸梗”，減小了半球、錐形等複雜件拉深時的“懸空段”，有效控制了材料內皺等缺陷的發生。

④可以在減少模具和無模具的情況下。加工出複雜曲面的汽車板料成形工件，把傳統剛性成形工藝的多次拉伸成形工藝改變成為一次性的柔性成形，提高成形件的表面精度和內在強度，能夠節約大量的模具設計、製造、調試的人力、物力和時間，尤其在多品種小批量的大型板材成形生產中，能克服費用和時間的限制．使產品更新換代越來越快。

殼體液壓成形技術

殼體液壓成形是採用一定形狀的封閉多面殼體作為預成形坯，在封閉多面殼體充滿液體後，通過液體介質在封閉多面殼體內加壓，在內壓作用下殼體產生塑性變形而逐漸趨向於最終的殼體形狀。最終殼體形狀可以是球形、橢球形、環殼和其他形狀殼體。

殼體液壓成形主要優點：①不需要模具和壓力機。從力學角度看，該技術的原理是利用整體封閉殼體內壓作用時自身平衡力系，即整體封閉殼體本身既是變形體又是實現力系平衡的載體，從而實現了不用壓力機和模具成形大型殼體。②容易變更殼體壁厚和直徑。由於不需要模具和壓力機，對於所需要的直徑和厚度的殼體，只要設計了合理的預成形坯封閉多面殼體，就可以直接加壓成形。而傳統的模壓成形技術，一種直徑球殼需要一套模具，一種規格的橢球殼體需要幾套模具。③產品精度高。由於把殼體製造工藝由傳統的“先成形後焊接”變為“先焊接後成形”，成形過程是對前期焊接變形的校形，最終產品的尺寸精度高。④降低成本，縮短製造周期。由於不使用模具和壓力機，節省了壓型時間和模具費用。

殼體液壓成形主要缺點：①由於該技術為“先焊接後成形”，封閉多面殼體的焊縫在成形過程中承受一定的塑性變形，如果焊縫質量存在問題，會引起開裂，造成整個殼體報廢。對於厚板和低合金鋼這種問題更嚴重。因此，控制焊接質量是關鍵所在。②對於大型殼體，成形過程的支撐基礎難度大、費用高。例如，直徑12.3m的球殼，容積為1000m³，需要解決支撐1000t水及殼體自重的基礎。

與普通拉深一樣。壓力過大，在凸坎與直壁相接處容易成形爆破。

模具設計禁忌

對向液壓成形不應忽視密封問題

對向液壓成彤時，油壓非常高，高的可達100MPa，因此，為了防止液壓油泄漏，必須注意液壓密封問題。

下圖所示的對向液壓成形，在壓邊閣與凹模之間放置密封圈，以防止液壓油外瀉，當液壓室油壓升高時，液壓油可由溢流閥溢出降壓，維持溢流閥設定的壓力。若不設定密封圈，液壓室內壓力油外泄造成壓力油壓力下降，對向拉深時液壓油就不起作用。因此，一般應在壓邊圈設定密封圈。

對向液壓成形中的密封

也有利用液壓室中壓出的液體，不噴出去，再作用於凸緣外周，使扳料外緣受到液壓油的徑向推力，從而減小拉深力，則有利於成形，這種方法稱為液壓住向推力法。由於壓出的液體在板料兩面充當了潤滑劑的作用，降低了摩擦阻力，即降低了拉深力，更重要的是，對凸緣的徑向壓力大大抵消了危險斷而的徑向拉力，因而顯著提高了拉深的極限變形程度（極限拉深比高達4.92，一般極限拉深比為2.72），特別適合拉深筒件的一次成形。

不應忽視對向液壓成形的液壓增壓方式

對向液壓成形，液壓室中液壓的增壓方式有兩種：一種是自然增壓，一種是強制增壓。自然增壓是用金屬凸模沖入充滿液壓油（油壓為0）的凹模內，隨著凸模的下降，密閉在液壓室的液體壓力升高，同時反作用在板料上，使板料緊貼凸模成形。強制增壓是在加了壓邊力之後，用泵向液壓室加油增壓，然後再在凸模壓入，這樣就增大了初始階段的液壓壓力，改善了工件的成形質量。

對向液壓成形時，液壓增壓過程需注意若液壓油瓜力增大過大、過快，則在工件的凸坎與直壁相接處容易成形局部爆裂。反之，若壓力上升過慢，也會在直壁上部接近凸緣處產生拉裂。

溫差拉深成形的加熱部位不應是凸模的側壁

溫差拉深成形是在拉深過程中，將壓邊圈和凹模之間的毛坯變形區加熱到一定的溫度，使變形區的變形抗力降低，在凹模圓角區與凸模圓角區通冷卻水，使傳力區保持原有的強度。這種藉助變形區局部加熱和傳力區局部冷卻的辦法，一方面可減少變形區（凸緣區）材料的變形抗力，另一方面提高了傳力區的承載能力。因此，用這種方法可以使極限拉深係數降低到0.3~0.35，即工件能獲得較大的一次拉深變形程度。所以，對塑性較差的材料（如杜拉鋁、鎳合金等）的拉深成形和深筒件的拉深比較合適。

由於加熱溫度受到模具鋼耐熱能力和高溫強度的限制，所以溫差拉深主要用於鋁、鎂、鈦等有色金屬的衝壓成彤．加熱溫度為300～500℃，對鋼板、合金板套用的不多。

液壓成形設備

液壓成形裝備是材料成形裝備的一大類，是飛機、汽車和拖拉機等工業部門不可缺少的加工設備，因此在機器製造業中占有重要地位。液壓成形裝備具有一系列特點：易於獲得很大的工作力；可以長時間進行保壓，容易得到長行程，滑塊能在全行程的任意位置上發揮出全部力，並且能夠停留或返回；力、速度和行程可在一定範圍內進行任意調節，傳動平穩，安全可靠，等等，因此它能適應不同工藝要求。隨著電子技術和液壓技術的發展，液壓成形裝備的技術水平也正在迅速地提高。