內高壓成形技術及主要影響因素的分析

張 永，吳利斌，曲 輝

（內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018）

0 引言

在制造工業中，相當一部分中空類管形件依靠鑄造或鍛壓方式加工[1]。雖然鑄造成本低，但由于毛坯中存在大量的氣孔、縮孔及雜質，導致成品率較低。而且鑄造工藝勞動強度大，工人工作環境惡劣，對環境污染嚴重；鍛造從根本上消除了鑄造工藝的缺陷，且成形件精度有所提高，對中空類零件而言，首先要鍛造出零件的毛坯，然后通過相應的機加工工序完成零件所需求的外形尺寸和精度，相對而言，成本要高出許多。

在這種背景下，同時也得益于高壓系統、計算機控制技術及密封技術的發展，內高壓成形工藝作為一種整體成形薄壁結構件的塑性加工方法，最近幾十年在德國、美國、日本及韓國的汽車制造業、航空航天業及衛生潔具業中得到了廣泛的應用[3~12]。該項工藝的英文名稱為Internal High Pressure Forming(IHPF )，由于內高壓成形工藝的初始坯料一般多為管材，該項工藝也常被稱為Tube Hydroforming (THF)。

1 管坯內高壓成形工藝介紹

管坯內高壓成形技術通常是用管坯作為原材料，通過施加液體內壓力、軸向施加喂入量，使其在給定模具型腔內發生塑性變形，管壁與模具內表面貼合，從而得到所需形狀的零件[2]，如圖1所示。其具體工藝過程為：將管坯放入下模腔內，上模按設定的速度向下移動，與下模形成模腔；然后管坯兩端的側缸在液壓力的作用下壓入而將管坯腔密封，液體介質不斷通過側缸沖頭內的液體通道流入管坯腔；通過液壓閥控制液體壓力不斷增大，配合沖頭向內推動管件，管壁變形并逐漸貼模，最終得到所需形狀的零件。當零件軸線不是直線、零件局部最小截面小于管坯截面時，需進行預彎曲、預沖壓等預成形工藝，以便管坯能放入模具中，并使管坯接近零件形狀，再充液成形。

內高壓技術成形一個產品，一般完整的工藝路線為[3]：管坯下料→預彎機加工端部→清洗→噴涂潤滑劑→預成形→液壓成形→后續加工(如激光切割、焊接、熱處理、清洗、噴漆等)。

完成上述工藝路線的具體步驟為：

1）選擇管坯的材料和尺寸

典型的內高壓成形管坯長度為1-3m，直徑為20-150mm。適用于內高壓成形技術的材料包括碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金及鎳合金等，原則上適用于冷成形的材料均適用于內高壓成形。采用的管坯有無縫鋼管、焊接鋼管、異形截面的擠壓型管等。碳鋼所成形的零件特點是壁厚較厚，成形前大都需要預成形。不銹鋼主要用于一些要求具有一定強度與防腐性能的管道，在汽車中的應用沒有碳鋼廣泛。

2）預成形部分復雜的零件再內高壓成形前，將管坯彎曲成最終成形產品的大致形狀，為內高壓成形過程做準備。

3）模具的制備。模具應根據預成形件設計和處理，將預彎曲件放置在成形模具腔內，預彎曲件在模具腔內最終成形。

4）高壓成形階段

在側缸沖頭加壓的同時，在管坯內部注入高壓流體。在管坯內部的壓力及軸向壓力的共同作用下，管坯所受的力超出了管坯的屈服極限而導致管坯的彎曲變形，材料開始進入模具型腔及模具圓角處，但由于內壓力不足，往往這階段成形件不能很好地貼模。在該階段，由于管坯和模具型腔之間的摩擦力較小，金屬材料可以持續流動到模具腔內，確保壁厚一致性和尺寸的精確性。

5）貼模階段

第一階段完成后，提高液體壓力進行校正成形，使管坯充分貼模，從而得到外形合乎要求的零件。步驟4）和步驟5）也可以經一次加壓完成。在零件成形后還可以借助模具內部的輔助油缸完成液壓沖孔，開槽等后續加工工序。

6）卸載并取出零件

液體介質卸載，左右兩側軸向活塞回程，液壓機滑塊上行，回收液體介質，取出成形后的零件。

圖1 內高壓成形過程

2 影響內高壓成形的主要因素

管坯內高壓成形件的最終質量取決于管坯初始尺寸、管坯材料參數及成形過程中的工藝參數[4]。初始尺寸主要包括管坯的長度L0、管坯的外徑d0、管坯的壁厚t0等；管坯的材料參數主要包括加工硬化指數n、硬化系數K、屈服極限s及拉伸極限b等；工藝參數主要包括成形過程中管坯和模具內表面的摩擦系數 、軸向喂入量S及內壓力Pi等。另外，成形過程中模具的尺寸和精度也對成形過程有影響。對不同結構的零件而言，這些參數的影響也不同。在制定某一零件的成形工藝之前，有必要搞清楚這些影響因素在成形過程所起的作用，分清主次，從而確定合理的工藝措施。

2.1 管坯初始尺寸與成形能力的關系

1）管坯初始長度的影響

管坯初始長度過大，在成形過程中管坯與模具型腔內表面的摩擦力加大，導致所需的軸向壓力加大，而且如果管坯的長度和直徑比值超過一定值時，會導致成形過程中的整體屈曲。所以選擇合適的管坯長度對成形件的質量及成形過程中能耗降低有重要意義。

2）管坯的壁厚對成形過程的影響

同一材料不同厚度的管坯在相同內高壓成形條件下成形性能也是不同的。當管壁太薄時，容易使局部的單元超出破裂極限，成形失效。但如果管壁太厚，由公式可知，管壁越厚，所需的成形壓力越大[5]。因此，選擇合適的管坯壁厚，也是成形成功與否的重要因素。

3）管坯的外徑選擇

一般選擇該成形件各截面最小直徑作為管坯的外徑，以保證成形中管坯能順利地放入模具型腔內。但如果零件結構復雜，且截面直徑差距較大，則需要考慮采用較大管徑的材料進行預彎成形，以便抑制內高壓成形過程中管坯最大鼓脹部分的過度減薄甚至破裂。

2.2 管坯材料參數對成形性能的影響

材料性能參數包括屈服極限、拉伸極限、加工硬化指數及硬化系數等。其中，加工硬化指數及硬化系數在流動應力方程中體現，該方程可用冪次式近似表示為，材料的應力應變流動方程往往由單向拉伸獲得[6]。

在內高壓成形工藝當中，加工硬化指數n反映了變形應變均化能力，對成形性能的影響是明顯的。n值越大，材料的成形性能越好。隨著n值的增大，在成形極限圖中，單元在安全區域的數量越多，這說明成形性能越好。在內高壓成形過程中，為了使成形性能良好，應該選擇加工硬化指數大的材料為佳。同時，獲得能準確反映材料流動特性曲線的應力應變方程也是理論分析的基礎。

2.3 工藝參數對成形過程的影響

1）摩擦系數

摩擦力對內高壓成形過程有著至關重要的影響[7]。管坯與成型模腔有較大面積接觸，且隨內壓力的加大，管坯與模腔之間的壓力越來越大，使管坯兩端材料很難流入。這樣不但使中間脹形部分變薄、易脹裂、廢品率高，而且需要兩端的軸向力更大，即需要更高噸位的壓力機才能進行脹形，增加了生產成本。

減小摩擦力改善潤滑環境不僅可以提高產品質量，降低成形時所需的軸向力，還可以降低模具的磨損，延長模具使用壽命。為減小摩擦，管坯外表面及成型模腔要盡可能光滑，應在管坯和模腔之間添加合適的潤滑劑。

2）內壓力及軸向喂入之間的匹配關系對成形性能的影響

當實際生產中軸向推力大小變化不容易控制時，為了方便實際生產，可以選擇液壓力和軸向進給量作為內高壓成形過程中的 控制變量。如果內壓力增加太快，而軸向喂入不能及時跟進，則鼓脹部分主要是由進入模具型腔內的材料延伸得到，材料易出現減薄甚至破裂，導致成形失??；相反，如果喂入量大而內壓力比較低時，容易造成材料在模具型腔內的堆積，形成死皺。因此，管材內高壓成形過程中內壓力與軸向進給的匹配，對成形質量起著決定性的作用，如果匹配不合理可能引起破裂、起皺等失穩缺陷[7]。

3 結論

近年來，雖然世界各國和地區的企業、研究所及大學實驗室對內高壓成形工藝的探索和研究促使該項技術發展迅速，成為大批量生產各種管類零件的重要方法，但與傳統的沖壓技術相比，內高壓成形工藝還是一個比較新的技術。該工藝所涉及的每個方面都需要更深入、更細致的研究，成形過程中還存在一些關鍵的技術問題有待于突破。從本文的分析中可以看出，對不同的成形件而言，有的因素對成形件的最終質量影響很大，而有的因素可以忽略不計，因此識別出顯著影響因素，并在設計過程加以重點考慮是成形的關鍵步驟；在成形過程中，內壓和軸向喂入量之間如何匹配，以保證成形過程中管坯既不過度減薄甚至脹裂，也不會產生屈曲失穩、起皺，從而提高成形極限，是成形工藝主要考慮的問題；同樣在成形過程中，可行的失效判別準則如何和有限元模擬結合起來在生產中合理的用運，也是必不可少的。

[1] Castro G, Fernández-Vicente A and Cid J. Influence of the nitriding time in the wear behaviour of an AISI H13 steel during a crankshaft forging process [J]. Wear, 2007, 263(7-12): 1375-1385.

[2] 李海國. 發動機曲軸制造技術新動向[J]. 中國汽車制造,2006, (1): 27-29.

[3] 苑世劍, 王小松. 內高壓成形技術研究與應用新進展[J].塑性工程學報, 2008, 15(2):22-30.

[4] 李洪洋, 劉海軍, 呂海源, 等. 管材內高壓成形國內研究進展及發展趨勢[J]. 中國機械工程, 2006, (S1):54-59.

[5] 林俊峰, 苑世劍. 管件液壓成形技術應用進展[J]. 機械工人(熱加工), 2006, (3):26-29.

[6] 王仲仁, 苑世劍. 塑性加工領域的新進展[J]. 金屬成形工藝, 2003, 21(5):1-5.

[7] Koc M,Altan T.An overall review of the tube hydroforming(THF) technology[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 108 (3): 384-393.