用水作為填充介質的冷擠壓金屬三通管件成型工藝

摘要：用水作為管坯內填充介質：兩端密閉后用‘超高壓增壓缸’將填充介質水增壓到超高壓狀態并保持恒定（30 mpa至300 mpa，根據需要設定），兩端同步推進力大于管坯抗拉強度加填充介質壓力時，管坯會緊貼外模型腔內壁進行塑性變形流動，達到冷擠壓成型工藝技術要求。

關鍵詞：多通管冷擠壓成型 超高壓增壓缸 超高壓水填充

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（b）-00-02

科技發展到21世紀的今天，隨著世界經濟的發展，能源消耗急劇增加，石油化工、核電等產業不斷擴大生產，以適應世界各國實現工業現代化對能源產品的需要，作為輸送能源產品的管道和管道接頭“金屬管件”需求量日益增大。在銷售市場國際化時代，國內外各公司、企業對“金屬管件”的需求量大增，對金屬管件產品的制造質量提出越來越高的要求，以滿足不同的服役環境條件，保證安全可靠生產的需要。為了提高我國“金屬管件”制品質量達到世界先進水平，根據國家提倡“科技技術創新”號召和市場需求，“科技技術創新”研制用“水作為填充介質的冷擠壓金屬三通管件成型工藝”，從而進一步提升“金屬三通管件”的產品質量，節約能耗，減少環境污染，使我國的制造業裝備上一個新臺階。

1 工藝總體技術方案

（1）用水作填充介質的內高壓成形原理。

用水作填充介質的內高壓成形原理是以管材作為坯料，通過對管材內部注入超高壓水液，在兩軸向同步推進擠壓壓力作用下，管坯內部形成密封的超高區，當兩推進力大于管坯材料抗拉強度和密封管坯內壓力時，管坯就會產生塑性變形，在內超高壓的作用下管坯緊貼著外模型腔流動，為了不使突出部位因管坯內超高壓爆破，突出部位施加一個和管坯內超高壓一樣的壓力給予支承平衡，管坯就會按兩端推進比例突出成型，使管材按模具型腔成形為所需產品。由于使用的內壓力最高達300 mpa，在德國被稱為內高壓成形IHPE（Internal High Pressure Forming）。根據使用的坯料和成形介質，在美國又被稱為管材液力成形THF（Tude Hydroforming）。早期的類似工藝稱為液壓脹管LBF（Liquid Bulge Forming）。但以水代替油作為填充介質的工藝還未發現。

（2）用水作填充介質的內高壓成形主要工藝過程。

用水作填充介質的內高壓成形基本工藝過程，管坯放入下模腔，閉合上摸鎖緊后超高壓增壓通過注水孔將水液注入管坯，管坯內水液注滿后同步推出兩側擠壓頂桿使管坯兩端密封，超高壓把管坯內壓力增至所需超高壓值，當兩推進力大于管坯材料抗拉強度和密封管坯內壓力時，管坯就會產生塑性變形，在內超高壓的作用下管坯緊貼著外模型腔流動，為了不使突出部位因管坯內超高壓爆破，突出部位由支承和頂出頂桿施加一個和管坯內超高壓一樣的壓力給予支承平衡，管坯就會按兩端推進比例突出成型，使管材按模具型腔成形為所需產品。成型后兩側擠壓頂桿退出，上模松開抬起一定高度，頂出頂桿向上頂出成型后的管坯。

（3）用水作填充介質的內高壓成形工藝的優點。

傳統的成型工藝是利用油液作為填充介質，用高壓柱塞泵在管坯內注入30 mpa壓力的油液，在兩側擠壓變形過程自增壓成型。該工藝缺點是前期變形時由于內壓力不足，主管部位壁厚會增加超厚，后期內壓力又太高，凸出部位又會管壁減薄，達不到產品質量壓力試驗要求，特別是成型三邊等長的產品時缺陷更為突出。用水作填充介質的內高壓成形工藝有如下優點。

a、產品質量提高，由于采用內超高壓恒壓裝置、支管恒壓支承和同步擠壓等工藝，使加工產品壁厚偏差小于8%，兩端長度偏差小于3%，達到GB/T 12459-90管件標準。

b、節約原材料：由于采用內超高壓技術，主管壁厚增加得到控制，原材料長度比原來縮短10%左右。

C、加工壁厚范圍擴大：原工藝由于沒有采用內超高壓恒壓裝置，起始內壓力低，管壁低于3 mm自身強度不夠，內壓力又不能把管坯貼緊外模型腔，兩側頂進后管坯就會疊皺在模腔內報廢，新工藝可使加工壁厚范圍擴大到1 mm。解決了加工食品、衛生級金屬三通管件的技術難題（1.2～2.5 mm壁厚）。

d、節約資源：由于液體填充介質冷擠壓成型工藝液體循環系統是開放式的，加工后的工件會粘帶部分油液，超高壓下形成的高溫也會蒸發部分油液，油液消耗很大，用水代替油可以節約能源消耗。

e、清潔環保：用油液加工的產品在進入下道工序前要進行除油清洗，會用到酸、清洗劑和水，直徑排放對環境污染很大，進行污水處理又會增加成本。用水作填充介質的內高壓成形工藝加工的產品只需晾干就能進入下道工序，不會對環境造成污染。

2 主要科技創新內容

2.1 超高壓增壓缸

超高壓增壓缸采用雙向或往復式增壓器，高壓筒缸體和超高壓缸體的材料選用高強度合金鋼。輸出液體壓力的大小取決于液壓泵的輸出油壓和增壓比。液壓泵輸出壓力的范圍為10～30 mPa，增壓比范圍為10：1。液壓油推動油缸柱塞運動，經單位面積比例轉換壓縮被隔離的水到超高壓狀態（30～300 mpa），以達到內高壓成形的需求。輸出的超高壓液體通過高壓管路、兩側擠壓頂桿中的內孔，與管坯內腔聯通。

超高壓增壓缸最主要技術難點有以下幾點。

（1）超高壓密封組件，由于目前用于水的超高壓密封件沒有成熟的技術，公司研發一種“銅塑合金”材料，經多次測試改進，修改銅和塑料的配比，生產出高性能耐磨、耐高壓、耐腐蝕的組合式密封件，達到使用技術要求。

（2）超高壓缸體和超高壓柱塞的防腐蝕和耐磨處理，通過對缸體內表面和柱塞外表面進行噴涂防腐耐磨合金，經拋光研磨處理，耐磨度和防腐都達到技術要求。

2.2 超高壓溢流閥

溢流閥是液壓系統中常用壓力控制元件，在液壓設備中主要起調壓和安全保護作用。現有的應用于高壓液壓系統中的高壓調節溢流閥工作介質為液壓油，工作最高壓力40 mpa。而用在水工作介質和超高壓系統中的超高壓溢流閥還沒有，為了使超高壓水系統壓力穩定在所需內高壓值，水為介質的超高壓溢流閥是必須攻克的難題。由于水的粘度低，且水的彈性模量較礦物油大，“水擊”現象嚴重，容易產生脈動沖擊，而且水還會對閥口處帶來腐蝕和氣蝕問題，影響產品的使用壽命。通過結構的改進減少高壓水直接對閥芯頭端的直接沖擊，使得高壓水壓均勻作用在整個閥芯的錐形面上，受力面積大，將高壓水壓的作用力均勻分布在整個閥芯的錐形面上，起到有效地減震和緩沖作用，減少“水擊”現象，提高了產品的使用壽命。

2.3 成型用模具

使用水作填充介質的內高壓成形工藝，模具型腔內壓力是傳統工藝的幾十倍，普通材質和熱處理工藝無法達到力學性能要求，模具材料和熱處理工藝要從新研發設計，既要高的強度和韌性，又要有高的硬度、耐磨和低的摩擦系數。經力學強度韌性計算，選用高韌性高彈性模量的彈簧鋼作為母材，整體處理后進行表面真空氮化化學熱處理，即保證了母材的高韌性和高強度，又提高了模具表面的硬度、耐磨性、抗蝕性和疲勞強度，模具性能達到技術

要求。

3 工藝實施取得成果

通過對水作填充介質的內高壓成形工藝科技創新研發，取得專利三項：‘多通管擠壓成型機’專利號ZL2009 2 0195713.2；‘超高壓增壓缸’專利號ZL2009 2 0190677.0；‘超高壓調壓溢流閥’ ZL2009 2 0189905.2，榮獲國家科技創新基金證書，批準文號：國科發技字[2010]280號。

經常州市武進宏達管件有限公司、江陰市東發機械設備制造有限公司、江蘇華陽金屬管件有限公司、山東晨鳴紙業集團股份有限公司等使用，普遍反映‘水作填充介質內超高壓成型工藝’高壓自動液壓三通管件冷擠壓成型機操作過程方便靈活，工作性能穩定可靠，生產的三通管件壁厚均勻，產品的成品率由75%提高到99.8%，對降低生產成本提高經濟效益起到積極作用。

參考文獻

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