什么是壳体液压成形？建议收藏

本期，我们来了解下液压成形的最后一种类型–壳体液压成形。什么是变径管内高压成形技术？ 和板材液压成形，你想知道的都在这里 可回看之前文章。

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，椭圆，环壳等。

壳体液压成形的优缺点及未来发展趋势，可看往期文章《液压成形，一种新的先进制造技术》。

本期我们将通过介绍几种典型的壳体液压成形技术，让大家对其有更加完整的了解。

球形容器无模液压成形技术

工艺过程

球形容器无模液压成形工艺的基本过程为：先由平板或经过辊弯的单曲率壳板组焊成封闭多面壳体，然后在封闭多面壳体内充满液体介质(通常为水)，并通过一个加压系统向封闭多面壳体内施加内压，在内压作用下，壳体产生塑性变形而逐渐趋向于球壳。

对于单曲率壳体，该工艺的主要工序为：下料→弯卷→组装焊接-→液压成形。

理论上的基本依据有两点：

1、在趋球力矩的作用下壳体将随着成形压力的增加而逐渐变为球壳，在壳体的任一部位如果曲率半径相对大一些，则该处在加载时就先变形，相应地曲率半径就会变小而停止变形，原曲率半径相对小的部位此时就会相对大些而开始变形，如此循环，最终各处的曲率半径相等就变成了球壳;

2、金属材料塑性变形的自动调节性，在成形过程中，先满足屈服条件的部位首先开始塑性变形，随着变形量的增加而发生强化，使塑性变形向其他相对较弱的区域转移，而原来相对较强的区域变为相对较弱的区域并发生塑性变形，如此循环调节，最终成形的球壳厚度分布较为均匀。

球形容器无模液压成形技术主要优点：

1、不需要大型的模具和压力机，可降低生产成本;

2、因为不需要模具，生产周期缩短;

3、经过超载胀形，有效地降低了焊接残余应力。

成形压力计算

球形容器无模液压成形压力P介于初始屈服压力Ps和开裂压力Pmax之间。

r–球壳半径，t–壁厚，σs–材料屈服强度，n–硬化指数，k–强度指数。

壳体结构

胀前多面壳体结构有两大类，一类是平板结构，如32面体(足球形式)、20面体、12面体、排球等形式;另一类是单曲率结构，如篮球形式和 球形式。涉及到的主要参数有最小二面角、焊缝长度、容积变化率、多面体面积、平均减薄率等。具体比较如下图：

胀前多面壳体结构的选择是球形容器内压成形的关键。工业上常用的结构形式为足球和篮球形式。足球形式的优点是下料简单，组装容易，篮球形式的优点是二面角和减薄率小。

椭球壳体内压成形技术

工艺流程

椭球形容器具有重心低、容积大受风面积小和外观优美等特点，适合于作为大型水塔、压力容器封头和运载火箭储箱箱底等结构。但是椭球壳模压成形工艺比球壳更加复杂，因为一种直径的球壳需要一套模具，而椭球壳体从赤道带到南北极带曲率是变化的，需要多套模具。而无模内压成形工艺解决了传统工艺存在的相关问题。

其基本工艺过程：先由板材下料出若干侧瓣和两块极板，侧瓣经过辊弯成为单曲率壳板，然后把这些单曲率壳板组装焊接成封闭多面壳体，向封闭多面壳体内充满水介质后，再通过一个加压系统向封闭多面壳体内施加内压，在内压作用下，壳体产生塑性变形而逐渐趋向于设计要求的椭球壳体。

a)下料 b)弯卷 c)组装焊接 d)液压成形

椭球无模内压成形技术主要优点：不需要模具和压力机，可降低成本;因为不需要模具，生产周期缩短，产品变更容易;经过超载胀形和整形，降低了焊接残余应力，尺寸精度高。

椭球壳胀形压力

椭球壳胀形压力计算公式为：

t–壳体壁厚，a–赤道半径

大量理论分析和实验研究表明，椭球壳液压成形过程的轴长比

为一个临界值。当轴长比

时，变形过程在赤道带存在纬向压应力，当该压应力超过材料的临界起皱应力时，会产生起皱缺陷，当轴长比

时，可以顺利成形出椭球壳。

针对轴长比

的扁椭球壳内压成形过程中的起皱问题，我们再来了解下双母线椭球壳体内高压成形方法。其基本思想是：为了使壳体整体处于双拉应力状态，用一段轴长比

的椭球壳代替存在压应力的赤道带，从而形成了双母线椭球结构。该壳体有两个轴长比，即赤道带的椭球壳轴长比为

，另一段椭球壳轴长比为

，如图所示。

双母线椭球壳结构图

环壳无模液压成形技术

工艺流程

环壳无模液压成形技术制作弯头的基本工艺流程是，首先焊接一个横截面为多边形的多棱环壳，内部充满压力介质后施加内压，在内压作用下横截面由多边形逐渐变成圆，最终成为一个圆形环壳。

该工艺的主要优点为：不用管材作为原料，可节约制管设备及模具费用，且可得到任意大直径且壁厚相对较薄的弯头;坯料为平板或可展曲面，下料简单，精度容易保证，组装焊接方便;制造周期短，生产成本低.因不需要任何专用设备，尤其适合于现场加工大型弯头。

成形压力及起皱

计算式为

r–管壳半径，Rb–弯曲中径，t–壁厚，σs–材料屈服应力。

环壳胀形过程中，由于组成多棱壳体的内侧部分子壳体受外压作用，当环向应力大于临界应力时，壳体发生起皱，但可以通过局部加热和冷却的方法予以消除。另外，也可以通过改变胀形前多棱环壳的结构或是其他一些工艺方法来防止起皱发生。

研究表明，平顶八边形环壳成形好于平顶六边形环壳，说明通过选择合适的胀前结构，能获得较好的成形。对于大管径环壳，增加内侧壳体数，完全可以避免内侧起皱。