內(nèi)高壓成形技術(shù)及主要影響因素的分析

張 永，吳利斌，曲 輝

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

0 引言

在制造工業(yè)中，相當(dāng)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(zhì)，導(dǎo)致成品率較低。而且鑄造工藝勞動(dòng)強(qiáng)度大，工人工作環(huán)境惡劣，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)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(duì)中空類零件而言，首先要鍛造出零件的毛坯，然后通過相應(yīng)的機(jī)加工工序完成零件所需求的外形尺寸和精度，相對(duì)而言，成本要高出許多。

在這種背景下，同時(shí)也得益于高壓系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及密封技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)高壓成形工藝作為一種整體成形薄壁結(jié)構(gòu)件的塑性加工方法，最近幾十年在德國(guó)、美國(guó)、日本及韓國(guó)的汽車制造業(yè)、航空航天業(yè)及衛(wèi)生潔具業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3~12]。該項(xiàng)工藝的英文名稱為Internal High Pressure Forming(IHPF )，由于內(nèi)高壓成形工藝的初始坯料一般多為管材，該項(xiàng)工藝也常被稱為Tube Hydroforming (THF)。

1 管坯內(nèi)高壓成形工藝介紹

管坯內(nèi)高壓成形技術(shù)通常是用管坯作為原材料，通過施加液體內(nèi)壓力、軸向施加喂入量，使其在給定模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，管壁與模具內(nèi)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(nèi)，上模按設(shè)定的速度向下移動(dòng)，與下模形成模腔；然后管坯兩端的側(cè)缸在液壓力的作用下壓入而將管坯腔密封，液體介質(zhì)不斷通過側(cè)缸沖頭內(nèi)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(nèi)推動(dòng)管件，管壁變形并逐漸貼模，最終得到所需形狀的零件。當(dāng)零件軸線不是直線、零件局部最小截面小于管坯截面時(shí)，需進(jìn)行預(yù)彎曲、預(yù)沖壓等預(yù)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(nèi)高壓技術(shù)成形一個(gè)產(chǎn)品，一般完整的工藝路線為[3]：管坯下料→預(yù)彎?rùn)C(jī)加工端部→清洗→噴涂潤(rùn)滑劑→預(yù)成形→液壓成形→后續(xù)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(nèi)高壓成形管坯長(zhǎng)度為1-3m，直徑為20-150mm。適用于內(nèi)高壓成形技術(shù)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(nèi)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(diǎn)是壁厚較厚，成形前大都需要預(yù)成形。不銹鋼主要用于一些要求具有一定強(qiáng)度與防腐性能的管道，在汽車中的應(yīng)用沒有碳鋼廣泛。

2）預(yù)成形部分復(fù)雜的零件再內(nèi)高壓成形前，將管坯彎曲成最終成形產(chǎn)品的大致形狀，為內(nèi)高壓成形過程做準(zhǔn)備。

3）模具的制備。模具應(yīng)根據(jù)預(yù)成形件設(shè)計(jì)和處理，將預(yù)彎曲件放置在成形模具腔內(nèi)，預(yù)彎曲件在模具腔內(nèi)最終成形。

4）高壓成形階段

在側(cè)缸沖頭加壓的同時(shí)，在管坯內(nèi)部注入高壓流體。在管坯內(nèi)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(dǎo)致管坯的彎曲變形，材料開始進(jìn)入模具型腔及模具圓角處，但由于內(nèi)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(xù)流動(dòng)到模具腔內(nèi)，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(jìn)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(jīng)一次加壓完成。在零件成形后還可以借助模具內(nèi)部的輔助油缸完成液壓沖孔，開槽等后續(xù)加工工序。

6）卸載并取出零件

液體介質(zhì)卸載，左右兩側(cè)軸向活塞回程，液壓機(jī)滑塊上行，回收液體介質(zhì)，取出成形后的零件。

圖1 內(nèi)高壓成形過程

2 影響內(nèi)高壓成形的主要因素

管坯內(nèi)高壓成形件的最終質(zhì)量取決于管坯初始尺寸、管坯材料參數(shù)及成形過程中的工藝參數(shù)[4]。初始尺寸主要包括管坯的長(zhǎng)度L0、管坯的外徑d0、管坯的壁厚t0等；管坯的材料參數(shù)主要包括加工硬化指數(shù)n、硬化系數(shù)K、屈服極限s及拉伸極限b等；工藝參數(shù)主要包括成形過程中管坯和模具內(nèi)表面的摩擦系數(shù) 、軸向喂入量S及內(nèi)壓力Pi等。另外，成形過程中模具的尺寸和精度也對(duì)成形過程有影響。對(duì)不同結(jié)構(gòu)的零件而言，這些參數(shù)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(guān)系

1）管坯初始長(zhǎng)度的影響

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

2）管坯的壁厚對(duì)成形過程的影響

同一材料不同厚度的管坯在相同內(nèi)高壓成形條件下成形性能也是不同的。當(dāng)管壁太薄時(shí)，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(nèi)。但如果零件結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)行預(yù)彎成形，以便抑制內(nèi)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(shù)對(duì)成形性能的影響

材料性能參數(shù)包括屈服極限、拉伸極限、加工硬化指數(shù)及硬化系數(shù)等。其中，加工硬化指數(shù)及硬化系數(shù)在流動(dòng)應(yīng)力方程中體現(xiàn)，該方程可用冪次式近似表示為，材料的應(yīng)力應(yīng)變流動(dòng)方程往往由單向拉伸獲得[6]。

在內(nèi)高壓成形工藝當(dāng)中，加工硬化指數(shù)n反映了變形應(yīng)變均化能力，對(duì)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(qū)域的數(shù)量越多，這說明成形性能越好。在內(nèi)高壓成形過程中，為了使成形性能良好，應(yīng)該選擇加工硬化指數(shù)大的材料為佳。同時(shí)，獲得能準(zhǔn)確反映材料流動(dòng)特性曲線的應(yīng)力應(yīng)變方程也是理論分析的基礎(chǔ)。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)成形過程的影響

1）摩擦系數(shù)

摩擦力對(duì)內(nèi)高壓成形過程有著至關(guān)重要的影響[7]。管坯與成型模腔有較大面積接觸，且隨內(nèi)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(jī)才能進(jìn)行脹形，增加了生產(chǎn)成本。

減小摩擦力改善潤(rùn)滑環(huán)境不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成形時(shí)所需的軸向力，還可以降低模具的磨損，延長(zhǎng)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(yīng)在管坯和模腔之間添加合適的潤(rùn)滑劑。

2）內(nèi)壓力及軸向喂入之間的匹配關(guān)系對(duì)成形性能的影響

當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)中軸向推力大小變化不容易控制時(shí)，為了方便實(shí)際生產(chǎn)，可以選擇液壓力和軸向進(jìn)給量作為內(nèi)高壓成形過程中的 控制變量。如果內(nèi)壓力增加太快，而軸向喂入不能及時(shí)跟進(jìn)，則鼓脹部分主要是由進(jìn)入模具型腔內(nèi)的材料延伸得到，材料易出現(xiàn)減薄甚至破裂，導(dǎo)致成形失敗；相反，如果喂入量大而內(nèi)壓力比較低時(shí)，容易造成材料在模具型腔內(nèi)的堆積，形成死皺。因此，管材內(nèi)高壓成形過程中內(nèi)壓力與軸向進(jìn)給的匹配，對(duì)成形質(zhì)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(wěn)缺陷[7]。

3 結(jié)論

近年來，雖然世界各國(guó)和地區(qū)的企業(yè)、研究所及大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)內(nèi)高壓成形工藝的探索和研究促使該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速，成為大批量生產(chǎn)各種管類零件的重要方法，但與傳統(tǒng)的沖壓技術(shù)相比，內(nèi)高壓成形工藝還是一個(gè)比較新的技術(shù)。該工藝所涉及的每個(gè)方面都需要更深入、更細(xì)致的研究，成形過程中還存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題有待于突破。從本文的分析中可以看出，對(duì)不同的成形件而言，有的因素對(duì)成形件的最終質(zhì)量影響很大，而有的因素可以忽略不計(jì)，因此識(shí)別出顯著影響因素，并在設(shè)計(jì)過程加以重點(diǎn)考慮是成形的關(guān)鍵步驟；在成形過程中，內(nèi)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(huì)產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)、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(zhǔn)則如何和有限元模擬結(jié)合起來在生產(chǎn)中合理的用運(yùn)，也是必不可少的。

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