文/冉英超，李洪波?保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司

內(nèi)高壓成形機理及主要影響因素

文/冉英超，李洪波?保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司

汽車作為社會現(xiàn)代化的象征在帶給人們出行便利的同時也給社會帶來了高污染等負(fù)面影響，日益高攀的油價也令人們對汽車望而卻步，“環(huán)保、節(jié)能”成為未來汽車的發(fā)展方向。內(nèi)高壓成形又稱液壓成形正是在這樣的背景下開發(fā)出來的一種制造空心輕體構(gòu)件的先進制造技術(shù)。

內(nèi)高壓成形技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的沖壓焊接加工技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點：減輕重量。復(fù)雜形狀的零件可一次成形，減少了結(jié)構(gòu)的零件數(shù)量與焊接重量，而且可使用更少的材料，減重效果顯著；提高產(chǎn)品質(zhì)量。零件因在成形過程中發(fā)生了加工硬化，提高了強度，而且成品的壁厚均勻，尺寸精度高，產(chǎn)品質(zhì)量明顯高于沖壓焊接件；提高生產(chǎn)效率。零件數(shù)量的減少，使焊點數(shù)量、裝配工序等顯著減少，生產(chǎn)率大幅提高；降低生產(chǎn)成本。材料利用率提高，零件數(shù)量減少，可以節(jié)省材料、模具等費用及其他輔助費用。

福特某車型的發(fā)動機架采用內(nèi)高壓成形技術(shù)，與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)越性。工件的數(shù)目由6個減少為1個；加工程序的步驟由32步減少為3步；成形件的重量由12kg降低為8kg；平均每個成形件的成本由20英磅降低為10英磅。

鑒于內(nèi)高壓成形技術(shù)的種種優(yōu)勢，在汽車技術(shù)比較發(fā)達的歐美等國家，內(nèi)高壓成形技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍；在我國伴隨技術(shù)的進步及法規(guī)的提高，國內(nèi)眾多汽車廠家都加快研究開發(fā)內(nèi)高壓成形件的步伐，內(nèi)高壓成形技術(shù)目前已成為汽車產(chǎn)業(yè)主流制造技術(shù)之一。

內(nèi)高壓成形技術(shù)介紹

內(nèi)高壓成形是一種以液體為傳壓介質(zhì)，以管材作坯料，通過向管材內(nèi)部施加高壓液體和軸向補料把管材壓入到模具型腔使其成形為特定形狀工件的現(xiàn)代塑性加工技術(shù)。由于使用乳化液（在水中添加少量的防腐劑等組成）作為傳力介質(zhì)，又稱為管材液壓成形或水壓成形。

通過液體介質(zhì)在管坯內(nèi)部產(chǎn)生超高壓，成形工作壓力通常為200～400MPa，最高可達1000MPa以上。在施加內(nèi)高壓的同時，軸向活塞對管坯的兩端施加軸向推力，進行補料。在兩種外力的共同作用下，管坯材料發(fā)生塑性變形，并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，得到形狀與精度均符合技術(shù)要求的中空零件。適用于制造沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形截面或異形截面空心構(gòu)件。常見的制件有凸輪軸、散熱器支架、副車架、排氣歧管、前擺臂、B柱、門檻梁、座椅骨架、后橋殼、懸架、儀表板支架等。

內(nèi)高壓成形工藝過程主要分為四個步驟，如圖1所示：

圖1 內(nèi)高壓成形示意圖

（1)將管坯1放在下模2內(nèi),閉合上模3；

（2)軸向活塞推進，將管的兩端用水平?jīng)_頭4和5密封，形成封閉空間并快速注入液體介質(zhì)排凈管內(nèi)空氣。

（3)按照預(yù)先設(shè)定的加載曲線，進行內(nèi)壓、軸向推力的復(fù)合加載，當(dāng)管坯內(nèi)部壓力超過管材的屈服極限時，管坯沿模具型腔產(chǎn)生變形，軸向推力幫助補充管坯變形需求的材料，隨壓力的增大，管坯外表面與模具型腔內(nèi)壁逐漸貼合最終成形，其典型截面如圖2所示；

圖2 成形截面

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

內(nèi)高壓成形的受力分析

內(nèi)高壓成形是管坯在軸向載荷及內(nèi)部高壓作用下塑性變形加工工藝，其變形過程符合Barlat等提出的平面各向異性多晶體材料屈服準(zhǔn)則。

在成形區(qū)管坯受軸向推力F、管坯內(nèi)部壓力P的復(fù)合作用，當(dāng)復(fù)合作用力超過材料的變形極限時，管坯沿型腔開始變形。根據(jù)有限元分析，作用于某一單元體上的力除主動力F和P外還包括單元體的內(nèi)力F′，其受力情況如圖3b所示。

圖3 管坯受力示意圖

從管坯單元體的受力狀態(tài)可以看出，軸向推力F將產(chǎn)生沿軸向的壓應(yīng)力σz，而作用于管坯內(nèi)部的壓力P除產(chǎn)生垂直于壁厚方向的厚向壓應(yīng)力σt外還產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力σθ，如圖3b圖所示。其中σz=F/S，σt=P，σθ=PR／t。S是軸向推力F的作用面積，P是作用于管坯的內(nèi)部高壓，R和t分別為管坯的直徑和壁厚。

在內(nèi)高壓成形過程中，軸向補料力F及內(nèi)部高壓P都是動態(tài)變量，在不同的成形階段其應(yīng)力狀態(tài)不同。在成形的初始階段，由于只有軸向推力F作用于管坯端部，因此管坯處于單向壓應(yīng)力狀態(tài)，即內(nèi)部高壓P所產(chǎn)生的σt和σθ全部為零；經(jīng)密封階段后，隨成形過程的發(fā)展，管坯開始充液加壓，在軸向推力和內(nèi)部高壓的共同作用下，管坯的應(yīng)力狀態(tài)開始滿足Barlat屈服準(zhǔn)則的變形條件，管坯進入塑性變形階段；隨著壓力的不斷加大與變形過程的發(fā)展，管坯最終進入高壓成形階段，此時作用于管坯端頭的軸向力已經(jīng)很難直接傳遞到貼模成形區(qū)的材料上，因此對于成形區(qū)的材料來說，其作用力完全來自作用于管坯內(nèi)部的高壓液體。這種應(yīng)力變化狀態(tài)決定了內(nèi)高壓成形工藝后期的失穩(wěn)以破裂為主。

內(nèi)高壓成形的主要缺陷及影響因素

內(nèi)高壓成形是在軸向推力F和內(nèi)部高壓P的聯(lián)合作用下的復(fù)雜成形過程，成形件的質(zhì)量也受多種參數(shù)的影響，如產(chǎn)品設(shè)計、模具質(zhì)量、加載曲線、管坯材料性能及初始尺寸等。出現(xiàn)任何問題，將導(dǎo)致減薄過度、開裂、屈曲、起皺、精度不足等質(zhì)量缺陷。

產(chǎn)品設(shè)計對成形件的影響

合理的產(chǎn)品設(shè)計是得到高質(zhì)量的內(nèi)高壓成形件的前提，產(chǎn)品的成形性能受產(chǎn)品本身的圓角半徑影響較大，圓角半徑越小，所需的整形壓力越高，導(dǎo)致合模力增大、密封困難、功率增大等，甚至不能完全成形。一般情況下圓角半徑r與管坯壁厚t存在如下關(guān)系：

在滿足使用要求的前提下，過渡圓角半徑應(yīng)該盡量增大。另外，產(chǎn)品的截面形狀及彎曲形狀都對內(nèi)高壓成形件的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。

模具質(zhì)量對成形件的影響

由于管件在液壓成形時要承受很高的內(nèi)部壓力和軸向推力，使管件能夠充分脹形得到所需形狀，管坯內(nèi)的強大壓力通過管壁作用于模具上，模具密封不嚴(yán)，則無法建立成形壓力；模具剛度或合模力強度不足則導(dǎo)致模具薄弱環(huán)節(jié)變形等影響管件成形的幾何形狀和尺寸精度，因此模具制造時要重點關(guān)注。

管坯性能對成形件的影響

管坯具有良好的力學(xué)性能（n值即加工硬化指數(shù)；r值即厚向異性指數(shù)）是提高成形件質(zhì)量的前提條件。加工硬化指數(shù)n反映了材料變形應(yīng)變均化的能力，n值越大，材料的成形性能越好；厚向異性指數(shù)r表明在同樣受力條件下板料厚度方向上的變形性能。當(dāng)r＞1時，r值越大表示板料越不易在厚度方向變形,也就是越不易變薄或增厚，則可減少起皺、拉裂等，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

管坯初始尺寸對成形件的影響

初始尺寸主要包括管坯的初始長度、管坯的外徑、管坯的壁厚等。管坯初始長度過長，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)致所需的軸向推力加大，而且如果管坯的長度和直徑比值超過一定值時，會導(dǎo)致成形過程中的整體屈曲。

管坯的外徑選擇對成形件有巨大影響。管坯外徑過大，不能順利地放入模具型腔內(nèi)，導(dǎo)致管坯初期受壓變形，無法得到所需成形件。管坯外徑太小，易導(dǎo)致管坯的過度減薄甚至破裂。

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，容易使局部的單元超出破裂極限，成形失效。如果管壁太厚，所需的成形壓力越大。

加載曲線對成形件的影響

加載曲線是內(nèi)高壓成形最重要的工藝參數(shù)之一。在生產(chǎn)過程中，若加載路徑設(shè)計不當(dāng)，則會出現(xiàn)起皺或破裂等缺陷。在成形的初始階段，若軸向推力過大，內(nèi)壓不足，管坯會出現(xiàn)失穩(wěn)起皺；反之則會出現(xiàn)壁厚過度減薄，甚至破裂。實際生產(chǎn)中，應(yīng)避免以上缺陷，零件壁厚應(yīng)力求均勻一致，這就要求內(nèi)壓和軸向推力的合理匹配。隨著計算機控制技術(shù)和超高壓液壓技術(shù)的不斷進步，使得合理控制內(nèi)壓、軸向推力的匹配關(guān)系已成為可能。因此，加載曲線的匹配就成為內(nèi)高壓成形的關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)束語

內(nèi)高壓成形是現(xiàn)代先進制造技術(shù)之一，可以減少模具數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，提高車輛性能，具有獨特的工藝特點和技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢，在汽車行業(yè)比較發(fā)達的國家已經(jīng)得到普及應(yīng)用。內(nèi)高壓成形在我國還是一項較新的制造技術(shù)，包括產(chǎn)品設(shè)計到成形工藝需要更深入、更細(xì)致的研究，突破國外的技術(shù)壟斷。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展與對汽車減重結(jié)構(gòu)不斷增長的需求，在我國內(nèi)高壓成形必將獲得快速發(fā)展與應(yīng)用。