液压成形设备中复合液压缸的设计及有限元分析

　　利用液压成形技术生产异型截面管是国际上正在研究和开发的新技术.在美国、欧洲等发达国家,已被广泛应用于生产各种汽车的框架结构、主梁、后车轴等部件(图1、图2);用它生产的汽车不仅具有较高的强度、刚度,车身结构牢固,安全性能好,对人体有较好的保护作用等优点,而且可减轻车体重量,节约金属,降低人力、物力消耗.

　　液压成形的原理是将欲加工的管坯置于模具中,在管坯中加入高压油,由于管内壁受均匀压力的作用而产生塑性变形.为了使塑性变形更容易实现,在实际的工艺过程中,管的两端还需加轴向推进力,如图3所示.

　　目前根据工件摆放位置的不同,液压成形工艺过程可分为卧式和立式两种.对于这两种情况的选择,目前主要是根据工件的形状及设备条件而定,关于在哪种情况下有更好的成形能力,有更简单的控制过程,有待进一步研究.本文着重介绍卧式液压成形设备的组成及有关设计.

　　1　卧式液压成形设备的组成

　　卧式液压成形设备如图4所示.其工作原理为:首先,次高压泵通过复合液压缸中的低压腔推动活塞锁紧管坯的两端;其次,高压泵通过复合液压缸中的高压腔向管坯中注高压油,实现图3所描述的工艺过程.

　　2　复合式液压缸的设计

　　2.1　结构设计

　　复合式液压缸具有锁紧管坯且向管坯中注高压油的双重功能,其结构示意图见图5.次高压腔中有进油口和出油口,它与普通的双作用缸动作原理相同,可带动活塞往返运动,保压时可锁紧管坯的两端,活塞杆端面的锥形可实现与管坯的密封.缸体最高承压可达63MPa(德州液压机具厂CL100/50系列).高压腔中的油压是通过高压腔进油口与高压泵直接连接得到的;当高压腔充满油液时,就会顺活塞杆的空腔流入管坯,这样使管坯—高压腔—高压泵的压力基本相同;高压腔的另外一个作用在于,它平衡了管坯中高压油对活塞杆端面的反作用力;高压腔部分的缸体最高承压设计参数为80MPa.

　　2.2　理论校核

　　按照传统的理论公式对以上的液压缸进行校核,参数如下:设外径为D1,取内径D2=100mm(CL100/50系列),缸筒材料选用ZG340-640铸钢,=340 MPa,=640 MPa.

　　2.2.1　缸筒壁厚的确定

　　由于液压缸是高压容器,应按厚壁缸公式(1)进行计算,预设=30mm,/D=30/100=0.3<10,有:

　　式(1)中,D=100mm,pmax=100 MPa,n=1.5,代入数据,得:

　　2.2.2　缸筒壁厚的验算

　　材料力学中用厚壁圆筒来计算分析公式,此问题在力学上为轴对称问题(图6),利用极坐标可建立以下方程组(2):