管材内高压成形技术

目录第一章绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2管材内高压成形基本原理 (1)1.3管材内高压成形的适用领域 (3)第二章管材内高压成形的影响因素 (4)2.1轴向应力的影响 (4)2.2内压力大小的影响 (4)2.3摩擦系数的影响 (5)2.4起皱的影响 (6)第三章管材内高压成形的设备关键技术 (7)第五章管材内高压成形的工程研发案例 (9)第六章管材内高压成形的展望 (11)第一章绪论1.1研究背景近年来，汽车轻量化是汽车制造业的重要发展趋势。

由于世界能源的紧张和环保问题的日趋严重，汽车工业面临着严峻的挑战：减轻汽车自身重量，提高行驶速度，降低能耗。

除了采用轻体材料以外，汽车轻量化的另一个主要途径是以“空代实”。

这就求促使人们不得不改进传统工艺，创造出适应新经济时代要求的新工艺。

通过合理的结构设计，许多零部件都能采用标准的管材，通过液压成形技术成形结构很复杂的单一整体结构件，代替承受弯曲和扭转载荷的构件，既节省了材料，又发挥了材料的最大效能。

在汽车工业中管材液压成形作为一个非常重要的成形技术已得到了广泛应用，主要用于生产汽车动力系统、排气系统、汽车底盘以及一些结构件。

汽车用排气管件大多为形状比较复杂、轴线有很大变化的零件。

传统成形工艺除铸造成形外，主要采用冲压两个半壳而后组焊成形，或采用管坯进行数控弯曲、扩管、缩管加工而后组焊成形。

这样制造的零件模具费用高、生产周期长、成本高，不适应当前汽车行业在减轻自重、降低成本、提高市场竞争力等方面的要求。

而采用内高压技术制造排气管件可以较精确地控制零件的尺寸精度，便于在后续工序中与其他零件进行装配，且能够进一步减轻系统重量，减少焊缝数量，内表面光滑，排气阻力小，使成形后的产品质量和寿命得到进一步提高。

1.2管材内高压成形基本原理内高压成形(Internal High Pressure Forming)是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件。

而对于轴线为曲线的零件，先在数控弯管机上弯曲到要求的形状，经过预成形后再放到模具内加压成形出零件，这种工艺适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件，截面形状可以为圆形、矩形或异型截面。

由于所使用的压力高达400MPa~ 600MPa，在德国称为内高压成形IHPF ( Internal High Pressure Forming) ；根据使用的坯料和成形介质，在美国又称为管材液力成形THF (Tube Hydroforming) 。

按成形零件的种类，内高压成形分为三类：（1）变径管内高压成形；（2）弯曲轴线构件内高压成形；（3）多通管内高压成形。

图1.1为内高压成形技术生产的汽车零部件。

（a）发动机支架（b）汽车排气管图1.1 内高压成形的典型零部件内高压技术成形（图 2.1）一个产品，一般完整的工艺路线为:管坯下料→叶预弯机加工端部→清清洗→喷涂润滑剂→预成形→分液压成形→后续加工(如激光切割、焊接、热处理、清洗、喷漆等)。

图2.1 内高压成形过程1.3管材内高压成形的适用领域管材内高压成形的优点：减轻质量，节约材料；减少零件和模具数量，降低模具费用；可减少后续机械加工和组装焊接量；提高强度与刚度，尤其是疲劳强度；降低生产成本。

而其工艺方面的不足是：成形过程中坯料变形不均匀，金属流动情况复杂，变形规律较难掌握；内高压成形专用设备的设计尚无标准可言，工艺设计及参数的正确选取比较困难；成形过程中容易产生破裂、起皱、折叠、弯曲等缺陷。

管料的内高压成形适用于汽车等行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形或异型截面空心构件，如汽车的排气系统异型管件、非圆截面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架(约占汽车总重量的11%～15%)、空心轴类件和复杂管件等。

适用材料包括碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金及镍合金等，原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。

第二章管材内高压成形的影响因素2.1轴向应力的影响内高压成形是在内压和轴向力联合作用下的复杂成形过程。

当轴向力过大，管坯将发生塑性失稳起皱；当内压过高，管坯将发生破裂；轴向力和内压都过大，起皱和开裂同时发生。

无内压作用时，管坯产生塑性失稳起皱的条件可以用经典欧拉公式。

当管坯有内压作用时，稳定性提高，起皱的轴向应力增大。

图2.1所示为一个非线性弹塑性稳定性理论分析计算实例。

由图2.1看出，随着内压力增加，起皱临界轴向力逐渐提高。

图2.1塑性失稳临界轴向力与内压的关系2.2内压力大小的影响内压力是能否成形符合需求产品的重要因素。

内高压成形开裂压力可以用下式估算:式中：p i B————开裂压力 (MPa)b————材料的抗拉强度d————管材开裂前的直径t ————管材开裂前的瞬时厚度通过不同材料和不同壁厚管材实验获得的开裂压力与上式计算值吻合较好。

2.3摩擦系数的影响摩擦力对内高压成形过程有着至关重要的影响。

管坯与成型模腔有较大面积接触，且随内压力的加大，管坯与模腔之间的压力越来越大，使管坯两端材料很难流入。

这样不但使中间胀形部分变薄、易胀裂、废品率高，而且需要两端的轴向力更大，即需要更高吨位的压力机才能进行胀形，增加了生产成本。

减小摩擦力改善润滑环境不仅可以提高产品质量，降低成形时所需的轴向力，还可以降低模具的磨损，延长模具使用寿命。

为减小摩擦，管坯外表面及成型模腔要尽可能光滑，应在管坯和模腔之间添加合适的润滑剂。

2.4起皱的影响以往的研究者大多认为起皱是一种缺陷，应避免皱纹的产生。

通过大量试验研究和数值模拟表明并非所有的皱纹都是缺陷，可以利用起皱先在变形区聚料，然后再加压使皱纹胀平。

关键问题是控制加载路径产生可以后续加压胀平的皱纹，称这类皱纹为有益皱纹（图2.2），不能加压展开的皱纹为死皱，利用有益皱纹可以扩大成形区间范围。

对于铝合金管件，利用有益皱纹聚料膨胀量达到35%，最大减薄量小于10%；对于低碳钢管件，利用有益皱纹聚料膨胀量高达75%，而该管材延伸率仅为30%。

（a）有益皱纹（b）零件图2.2 利用有益皱纹成形的铝合金件第三章管材内高压成形的设备关键技术内高压成形设备由合模液压机、水平推缸、高压源、液压系统、水压系统及计算机控制系统组成。

各系统主要功能为:合模液压机提供合模力，在加压成形期间将上下模具闭合锁死。

对于直径65mm，长度为2m的零件，当成形压力达到250MPa时，需要合模力为32500kN；水平推缸用于轴向进给补料和管端密封。

高压源产生和控制高压液体，核心部件是增压器，规格有 200MPa、400MPa和600MPa；液压动力系统提供水平缸、增压器和合模液压机驱动动力；水压系统提供工件成形乳化液快速充填、增压器高压腔补液、乳化液循环过滤；计算机控制系统控制水平缸进给与增压器内压，形成内压与位移加载曲线。

目前合模液压机有长行程和两种短行程典型结构。

长行程合模液压机是在现有拉深用液压机结构基础上进行改进，技术成熟、可靠。

缺点是模具提升闭合使用主油缸，行程较长，模具开闭时间长，在合模期间内需要大流量泵和蓄能器维持压力，浪费大，成本高。

短行程合模液压机合模系统由提升油缸(小油缸) ，机械垫块与液压垫组成，模具提升闭合由小油缸完成，时间短，液压垫( 大油缸) 仅在合模阶段提供压力，结构紧凑，成本低。

第四章管材内高压成形的发展现状目前，世界范围内内高压成形工艺的研究与发展还很不平衡，在欧美发达国家，内高压成形工艺发展得比较成熟，已经进入了生产阶段。

其中以德国的研究最为深人，德国的Paderborn大学是最早对内高压成形技术进行系统研究的。

F.Dohmann教授在内高压成形过程影响因素、失效形式以及有限元模拟方面做了大量工作.系统阐述了内高压成形过程及其过程参数控制的基本原理，用实例说明了零件形状、模具结构设计、成形过程方案确定及实验结果之间的相互关系。

美国的研究也比较深入，俄亥俄州立大学的工程研究中心设有专门的部门，研究内高压成形工艺方向，并与企业合作成立了内高压成形工艺研究协会，向会员定期提供内高压成形工艺方面的技术资料及最新发展动态信息，并实时举办专门的液压成形技术会议。

俄亥俄州立大学T．Altan教授等同人利用有限元模拟方法确定了不同管状结构件液压成形的最佳加载路径，并用实验验证了用有限元法得出的加载路径不仅能够减少实验量和实验中的误差，且能够明显提高生产率，增加了液压成形复杂管件工艺可能性。

密歇根州迪尔伯恩大学G．T．Kridli等人对无缝钢管在方形模具型腔中的液压成形进行了研究，讨论了应变硬化指数、管坯原始壁厚、模具填充处圆角半径以及管材壁厚分布对成形的影响。

瑞典沃尔沃汽车零部件公司工程研究中心的N．Asnafi等人在板材、管材液压成形上作了许多研究工作。

重点从理论上分析了不锈钢厚板在V型模具弯曲过程中起皱及开裂的产生机理，并在实验上得到了很好的验证；从实验和理论两个方向上讨论了铝板拉伸时的破裂极限、成形法兰时的起皱极限。

同时通过理论分析模型探讨了管材液压成形时的成形极限、不同材料和工艺参数对加载路径和成形结果的影响等一系列问题。

韩国也在液压成形方面做了一些研究，Kyungpook国际大学金英锡等人从理论上分析了加载路径、材料参数(如应变硬化指数n、各向异性指数r)对成形结果的影响，并将理论成形极限与实验结果进行了比较。

国内在此领域的研究，以哈尔滨工业大学王仲仁教授为代表的研究人员开展了管件高内压液压成形技术的成形理论、工艺和设备关键技术的研究，研制了国内首台150MPa内高压成形机，填补了国内管材液压成形机的空白。

内高压成形机采用计算机控制，可以按照给定的液压加载路径严格控制内压和轴向进给，利于管件成形工艺参数匹配控制，工艺稳定性好，已经加工出一些飞机实用的铝合金变径管、不锈钢Ω接头、组合式凸轮轴等典型样件。

同时，通过数值模拟进行预测分析，并对管件成形过程中各种缺陷形式及其与工艺参数之间的关系进行了系统研究，为推进汽车轻量化进程，促进内高压成形技术在我国航空航天的应用奠定良好的基础。

北京科技大学苏岚等旧人应用动态显示有限元法，建立了T型管液压成形分析模型，对不同加载路径条件下模拟结果进行了对比分析，探讨了最佳载荷曲线确立原则。

华大学雷丽萍等人对汽车副架液压胀形预成形工艺设计进行了数值模拟研究，应用Hydro FORM一3D软件与Oyane延性断裂准则相结合的数值模拟方法，确定了适合预成形工艺条件的管材初始尺寸。

第五章管材内高压成形的工程研发案例（1）Ω接头管件（图5.1），Ω接头为运载火箭动力系统中构成补偿管的重要零件之一。

采用内高压成形方法，解决了此类零件传统的先压半环、再焊接成整圆的工艺中存在的焊后变形严重、可靠性差和合格率低等问题。

图5.1 Ω接头管件Ω接头管件内高压成形难点有三，一是径厚比（管材直径与厚度之比）达107，超薄管端密封困难；二是成形区与送料区之间无过渡区，送料时容易引起内凹；三是壁厚均匀性要求高，轴向进给控制难度大。