板材液压成形是采用液体作为传力介质以代替刚性的凸模或凹模来传递载荷，使坯料在液体压力作用下贴靠凹模或凸模实现金属板材零件的成形。

我国的板材液压成形技术起步较晚，上世纪70年代才开始对这项技术的应用进行研究。国内有像哈工大，中科院金属研究所等少数科研单位对其有系统性的研究，近年来，也有兴迪这样的民营企业加入进来。

工作中，根据液体介质取代凹模或凸模可将板材液压成形进一步分为充液拉深(用液体介质代替凹模)和液体凸模拉深(以液体介质作为凸模)两个类型。

充液拉深成形技术

用液体介质代替凹模传递载荷，液压则作为辅助成形的手段，可减小普通拉深成形中凸、凹模之间坯料的悬空区，使该部分坯料紧贴凸模，零件形状尺寸最终靠凸模来保证。具体工艺流程分四个阶段，首先开动液压泵将液体介质充满液室至凹模表面，在凹模表面上放好坯料;施加压力，然后凸模开始压入凹模，通过自然增压或者液压系统使充液室的液体介质建立起压力，将板材紧贴凸模上，同时流体沿法兰下表面向外流出，形成流体润滑，直至成形结束。如下图所示。

充液拉深成形技术

(a)充液阶段(b)施加压力阶段

(c)成形阶段(d)成形结束

充液拉深成形中的液压作用形成了坯料与凸模之间的摩擦保持效果，提高了凸模圆角区板料的承载能力，抑制坯料减薄和开裂可有效提高成形极限、减少成形道次。同时，液体从坯料与凹模上表面间溢出可形成流体润滑，促进外围板材进入凹模，缓解了零件表面的划伤。目前，应用充液拉深成形技术制造的零件类型有筒形件、锥形件、抛物线形件、盒形件以及复杂型面件等，涉及材料包括碳钢、高强钢、不锈钢和铝合金等。

1、工艺参数

充液拉深成形工艺的主要技术参数有临界液室压力、拉深力、压边力等。

临界液室压力，是指在充液成形过程中使坯料脱离凹模圆角的最小液室压力。液室压力在成形过程中不仅能够增强坯料与凸模之间的有益摩擦，而且达到临界液室压力还能够避免坯料与凹模圆角的接触，消除坯料与凹模圆角之间的不利摩擦，有利于成形极限的提高。

拉深力，由普通拉深的拉深力和液室压力的反向作用力组成。对于变形程度大的拉深零件或者高强板材零件，液室压力会比较大，所以设备的吨位也比普通拉深设备高很多。

压边力，充液拉深时发生流溢后，在坯料法兰区下表面形成的流体压力分布为：凹模圆角附近压力基本与液室压力相同，法兰区由内到外压力逐渐减小，法兰外缘处压力为零。

2、缺陷形式

充液拉深成形的缺陷形式主要有破裂和起皱。

普通拉深产生的破裂通常发生在拉深成形初期的凸模圆角处，充液拉深产生的缺陷，受液室压力等因素影响，破裂会在不同位置、不同阶段产生。

凸模圆角区的破裂主要发生在成形初期，通常由于液室压力过低，不能建立有效的有益摩擦和流体润滑，或者液室压力出现较大波动使凸模圆角区坯料的拉应力超过材料的强度极限导致初期的破裂;凸模圆角过小也是破裂的原因。避免凸模圆角处坯料破裂的办法是在成形初期通过液压泵或者增压器强制增加液室压力，避免压力过低;加装溢流阀实时控制液室压力，防止产生较大波动;适当增大凸模圆角半径，减小拉应力。

凹模圆角附近的破裂主要发生在中后期，其原因主要是液室压力过高使凹模圆角附近坯料反胀减薄；另外，凹模圆角过小也易在成形后期发生破裂。解决凹模圆角处坯料破裂的办法是适当降低液室压力，减小凹模圆角附近坯料反胀减薄量及适当增大凹模圆角半径。

对于不同拉深比的板材零件(拉深比是衡量成形极限的重要指标，是指坯料尺寸与零件直径或边长的比值)，为了克服两种破裂形式，液室压力的大小存在一个合理的范围，关系下图所示。

另外，压边力也会通过影响液室压力的建立而造成成形缺陷。压边力过小，会产生破裂，过大会导致材料在凹模圆角处出现反向胀裂。

充液拉深成形的另一种缺陷形式起皱，是拉深成形的一种普遍缺陷形式，主要是压边力过低所致，可以通过增大压边力来避免。典型的起皱形式有法兰区起皱、悬空起皱和棱边拐角起皱等。

3、成形精度

充液拉深成形，液体介质代替了凹模传递载荷，板材在压力作用下贴靠凸模，无需较小的模具间隙也可以得到尺寸精度很高的零件，尤其对锥形等曲面零件的成形更为有效。

充液拉深成形中，液室压力影响零件的侧壁形状精度，表征成形精度的贴模度与液室压力的关系如图所示。

压力越高，毛坯与凸模的贴模性越好，成形精度也就越高。

4、充液拉深成形设备

充液拉深成形设备由主机和充液拉深装置两大系统构成，实现液室压力、拉深位移、压边力和液体流量等工艺参数的实时控制。

图为佛山兴迪自主研发的板材充液成形设备，该设备将压边油缸和拉深油缸复合在同一个活动梁板上，并且两个油缸可以实现独立动作，控制更加方便，从而使产品加工更加精确、高效；工作台下面配备有副液压缸，与主缸进行配合实现压边力动态变化，可满足不同压边力要求，避免成形缺陷，而且还配备了全伺服控制系统，大幅提升设备工作精度和稳定性。

对于大型复杂曲面零件的充液拉深成形，需要数控系统对大型压力机拉深位移、拉深速度、压边力大小及液压系统驱动的压力转换器的压力、活塞位移、流量及同步性进行匹配控制。由于设备吨位大、工艺流程连续性高、控制参数多，而且成形条件苛刻，过程控制难度大。如果工作介质流量及压力得不到合理控制，压力将继续增加，板材坯料下表面溢流产生的平均压力过高，将迫使大型压力机压边滑块抬起，导致成形失败，或者压力过低导致充液拉深成形件减薄、破裂。因此，必须通过数控系统对包括高压大流量流体压力建立、工作介质流量精确控制以及对大型压力机力学参数进行一体控制。

液体凸模拉深成形技术

液体凸模拉深成形是以液体介质代替凸模传递载荷，液压作为主驱动力使坯料变形，坯料逐渐流入凹模，最终在高压作用下使坯料贴靠凹模型腔，零件形状尺寸靠凹模来保证。

液体凸模拉深成形技术

其主要工艺特点是合模力随内压实时变化，在成形初期，内压较低时，合模力较小，以利于板料拉入模具;在成形后期，当板料全部拉到模具内时，提高合模力保证密封，这时增加内压对零件进行整形，整形最高压力可达MPa，因此可以获得深度较大、形状复杂、尤其局部具有小过渡圆角的零件。过去类似的工艺，由于合模力实时控制困难，为了保证密封，初期施加的合模力较大，使得板料拉入模具内困难，实际上成为了纯胀形，因此深度小、壁厚减薄不均匀且形状简单。而液体凸模拉深成形通过合理控制压边力可使坯料产生拉-胀成形，应变硬化可提高曲面薄壳零件的刚性、压曲抗力和抗冲击能力。

以厚度为1mm的不锈钢头罩的液体凸模拉深成形为例。

该零件原来采用传统的加工方法(如上图2所示)，平板毛坯通过与零件内部尺寸一致的刚性凸模及与之匹配的凹模进行拉深成形，零件中间形成工艺凸台。由于变形过程中拉深与反拉深同时进行，凸模与坯料之间的不利摩擦使工艺凸台圆角附近的A点处拉应力过大而易破裂，零件难以成形。

同样，若采用充液拉深成形工艺，由于液室压力作用下刚性凸模与坯料之间摩擦效果的加强，也不利于坯料的法兰区向中间流动以形成工艺凸台。因此，充液拉深也不适合该零件的成形。

采用液体凸模拉深成形技术可以克服传统拉深成形过程中刚性凸模与板材之间的不利摩擦，使变形坯料在液压作用下经过平板毛坯变形为球冠，再进一步贴模成形为半环壳零件，如下图所示。通过控制法兰区压边力，在胀形成形的同时，法兰流入凹模，整个变形的实质是拉深-胀形复合成形。

该零件成形的关键在于成形模具结构中工艺凸台圆角大小及成形过程中压边力控制。工艺凸台圆角过小，弯曲产生拉应力增大而易导致破裂;增大圆角则必须以增加工艺凸台高度为前提。合模力的施加应该与成形过程液压大小相匹配，否则会导致破裂或者无法建立液压。

合理的液室压力随时间变化曲线如下图所示。液压加载曲线的变化过程可分为三个阶段。第1阶段，成形液压较小，曲线的斜率较小，法兰区坯料在液压作用下向凹模口内流人，平板逐渐成形为曲率半径较大的球冠。第2阶段，球冠的顶部与模具的平底凸台接触，开始形成近似的半环壳.在该阶段，由于材料硬化以及由单曲率零件成形变为双曲率零件成形，所需的压力大幅增加。第3阶段，完整的半环壳基本形成，为保证半环壳的完全贴模以及半环壳直壁处阶梯的完全成形，必须施以较大的液压以达到整形的目的。

板材液压成形发展趋势

结合板材液压成形技术的优缺点，长期看，板材液压成形技术有以下几个趋势：

1、提高成形极限和零件质量的成形新技术。充液拉深目前向着主动径向加压充液拉深、正反加压充液拉深、预胀充液拉深、热态充液拉深技术方向发展。

2、低塑性材料的拉深成形。高性能铝合金、镁合金和超高强度钢等材料的强度高、塑性低，易产生破裂和起皱的倾向，普通冲压工艺往往需要多到工序，工艺复杂，充液拉深技术可以弥补成形方面的不足，且节省工序，提高效率。

3、大型复杂型面零件成形。大型复杂型面零件普通冲压成形往往需要与零件形状尺寸一致的凸模及与型腔相配的凹模，模具成本高、试模周期长。充液拉深成形只需凹模，液室压力起到软凹模的作用使板材贴模，显著降低模具成本，模具调试简单。

4、与普通拉深工艺复合，提高效率。

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