程 曉 王渭平 田 晨 羅 旭 李 力 張志偉

薄壁大直徑管路充液壓彎成型技術(shù)研究

程 曉王渭平田 晨羅 旭李 力張志偉

（1. 四川航天長(zhǎng)征裝備制造有限公司，成都 636371；2. 火箭軍裝備部駐成都地區(qū)第一軍事代表室，成都 610100）

傳統(tǒng)“沖壓+拼焊”工藝存在質(zhì)量穩(wěn)定性差、合格率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，成為薄壁鋁合金、不銹鋼管路廣泛應(yīng)用的制約因素。提出了充液壓彎整體成型技術(shù)，搭建了工業(yè)化制造系統(tǒng)，利用外部壓力驅(qū)動(dòng)“乳化液體”可實(shí)現(xiàn)大曲率、徑厚比大于100及非圓變曲率管材的一次整體成型，消除了傳統(tǒng)制造沖壓工藝中對(duì)模具的依賴，降低了生產(chǎn)成本；消除了焊縫，提升了彎管成型質(zhì)量、生產(chǎn)效率和服役可靠性。

充液壓彎；薄壁；大徑厚比

1 引言

薄壁鋁合金、不銹鋼等材質(zhì)彎曲管件在機(jī)械裝備、化工容器、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。相對(duì)于常規(guī)壁厚管件，薄壁（徑厚比＞50）管件在數(shù)控彎曲成型中易產(chǎn)生彎曲內(nèi)側(cè)管壁起皺及彎曲外側(cè)壁厚減薄甚至開(kāi)裂等。如圖1所示，目前該類零件主要采用“沖壓+拼焊”工藝方法，但存在產(chǎn)品成型合格率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。

圖1 “沖壓+拼焊”工藝

a. 產(chǎn)品一次性成型合格率較低。沖壓成型易起皺且褶皺剛度高，人工平皺困難；同時(shí)零件成型去除余量后變形嚴(yán)重，需手工修正，對(duì)人員技能水平和經(jīng)驗(yàn)要求高，且修正易造成成型質(zhì)量不穩(wěn)定。

b. 焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。彎管彎曲縱縫焊接技術(shù)難度大，焊接過(guò)程易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，同時(shí)缺陷排除會(huì)導(dǎo)致變形或應(yīng)力增大，不滿足產(chǎn)品高可靠性、高質(zhì)量要求，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)件報(bào)廢率高，彎管產(chǎn)品最終一次合格率不足40%，往往以數(shù)量保質(zhì)量。

c. 生產(chǎn)周期長(zhǎng)。“沖壓+拼焊”工藝方法機(jī)械化程度低、流程繁雜，影響結(jié)構(gòu)件成型質(zhì)量因素多、產(chǎn)品質(zhì)量控制難度大、結(jié)構(gòu)件加工周期長(zhǎng)，一般需要1個(gè)月左右才能完成一個(gè)彎管成型加工制造。

為提高管路系統(tǒng)彎管結(jié)構(gòu)件整體性能，提出了“充液壓彎成型技術(shù)”實(shí)現(xiàn)零件整體成型。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝對(duì)比

管路系統(tǒng)中，常見(jiàn)大徑厚比薄壁管材彎曲成型零件直徑＞90mm、壁厚0.8～2mm、徑厚比＞50、材料為0Cr18Ni9/1Cr21Ni5Ti等不銹鋼以及2A14/2219鋁合金。本文選用徑厚比62、材料厚度1.5mm、彎曲半徑90mm、彎曲角度為90°的0Cr18Ni9不銹鋼產(chǎn)品為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖2，材料成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

圖2 不銹鋼彎管零件示意圖

表1 0Cr18Ni9化學(xué)成分

表2 0Cr18Ni9不銹鋼材料性能

2.1 “沖壓+拼焊”工藝

“沖壓+拼焊”工藝流程：下料→落錘落壓成型→手工或機(jī)加去余量（壁厚≥1.5mm采用機(jī)加）→手工修正、配對(duì)→酸洗→拼焊成彎管→校形→檢測(cè)。結(jié)合沖壓成型工藝特點(diǎn)，為確保成型零件減薄率滿足設(shè)計(jì)要求，須引入壓邊余量、拉伸圓角余量、修整調(diào)整余量等工藝余量，如圖3所示。

圖3 彎管拉伸成型后零件示意圖

實(shí)際生產(chǎn)中，沖壓成型合格的半邊管去除工藝余量后會(huì)再次發(fā)生變形，需對(duì)成型零件再次修整、校形，但修整校形質(zhì)量不穩(wěn)定（修整反復(fù)性大、人為因素占比高，影響修整校形質(zhì)量穩(wěn)定性），修整后實(shí)物見(jiàn)圖4；同時(shí)受沖壓設(shè)備精度、工藝余量控制程度等影響，傳統(tǒng)“沖壓+拼焊”工藝材料利用率不高，生產(chǎn)成本高。

圖4 半邊管沖壓成型示意圖

另外，半邊管彎曲焊縫為手工焊接，焊接控制難度大，焊接熱輸入易造成薄壁管件變形；同時(shí)因存在焊接熱影響區(qū)，校形過(guò)程中易出現(xiàn)“校裂”現(xiàn)象，造成零件報(bào)廢，校形敲擊易造成焊縫產(chǎn)生變形以及內(nèi)部組織損傷等影響，增加質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 充液壓彎成型工藝

圖5 充液壓彎原理圖

充液壓彎成型技術(shù)，是在兩端密封的管坯中充入一定壓力液體，然后在模具中壓彎成型的一種彎管成型方法，如圖5所示。充液壓彎過(guò)程分為兩個(gè)階段：一是彎曲階段：在兩端密封的管內(nèi)充填液體介質(zhì)，同時(shí)施加一定內(nèi)壓作為軟模支撐，然后在模具內(nèi)壓彎成型；二是整形階段：提高彎管內(nèi)高壓液體的壓力，把橢圓形截面整形為圓形。

管材彎曲主要流程為：制管坯→充液壓彎→整形→成品。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a. 可成型相對(duì)彎曲半徑較大、徑厚比/大于100的超薄高性能鋁合金及高強(qiáng)鋼管件。

b. 采用乳化液作為內(nèi)部充填介質(zhì)，可以對(duì)內(nèi)部液體壓力實(shí)時(shí)調(diào)整，控制管材彎曲時(shí)的受力狀態(tài)，減小管材彎曲時(shí)的內(nèi)側(cè)起皺傾向，零件表面質(zhì)量好。

c. 可用彎曲模具實(shí)現(xiàn)非圓變曲率管材彎曲，成型后可在模具內(nèi)加壓整形，提高彎曲成型精度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

成型設(shè)備為1500T充液壓彎成型設(shè)備，如圖6a。本次試驗(yàn)采用獨(dú)特的密封結(jié)構(gòu)裝夾于管材兩端，同時(shí)加設(shè)簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)對(duì)管坯兩端形成約束，如圖6b。

圖6 充液壓彎成型工藝

試驗(yàn)流程：首先對(duì)管坯內(nèi)部充液形成內(nèi)壓，下壓上模至剛好接觸管坯；將內(nèi)壓增加并保持壓力，繼續(xù)下壓上模，直至成型完畢。隨著上模不斷下壓，管端有翹起趨勢(shì)，如不加管端約束，即自由充液壓彎成型，造成管坯彎曲部分的內(nèi)側(cè)承受擠壓變形以及管坯兩端補(bǔ)料速度快，導(dǎo)致褶皺產(chǎn)生，如圖7a；增加管端約束裝置可限制兩端補(bǔ)料，能夠極大減輕管材彎曲內(nèi)側(cè)起皺程度，如圖7b。

圖7 管端約束影響

通過(guò)試驗(yàn)，最終獲得最優(yōu)充液壓彎成型工藝參數(shù)為內(nèi)壓8～10MPa、成型半徑50mm、采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。試驗(yàn)件經(jīng)測(cè)量，其彎曲半徑、各部位截面畸變率、厚度分布以及整體成型質(zhì)量均滿足要求，試驗(yàn)件及其典型形位尺寸檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

與原工藝相比，采用充液成型的彎管，管材壁厚減薄程度小，最小壁厚由原工藝1.275mm提高到1.303mm，提高了零件承載能力，也提高了表面質(zhì)量；同時(shí)零件實(shí)現(xiàn)了整體成型，減少了修正工序、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，避免了原工藝焊縫結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不確定因素，減少了管路系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大徑厚比薄壁管材彎曲成型，深入研究“沖壓+拼焊”及“充液壓彎”兩種工藝：

a. 搭建了大徑厚比薄壁管材充液壓彎成型系統(tǒng)，驗(yàn)證了某管路系統(tǒng)彎管零件充液壓彎成型的可行性。

b. 利用充液壓彎成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了0Cr18Ni9不銹鋼彎管零件（材料厚度1.5mm、彎曲半徑90mm、彎曲角度為90°）的整體成型。

c. 通過(guò)試驗(yàn)，獲得該零件最優(yōu)充液壓彎成型工藝參數(shù)，內(nèi)壓為8～10MPa，成型半徑50mm，并采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。

e. 充液壓彎成型可廣泛應(yīng)用于管路系統(tǒng)彎管零件整體成型，消除焊縫，提升產(chǎn)品成型質(zhì)量和服役可靠性，提高加工效率。

1 宋鵬. 5A02鋁合金彎曲軸線超薄異型管內(nèi)高壓成型研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011

2 莊茁，由小川，廖劍暉，等. 基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009

3 宋鵬，王小松，徐永超，等. 內(nèi)壓對(duì)薄壁鋁合金管材充液壓彎過(guò)程的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21(2)：311～317

4 劉澤宇，滕步剛，苑世劍. 內(nèi)壓對(duì)薄壁管充液壓彎時(shí)的影響[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16(4)：35～38

5 苑世劍. 輕量化成型技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010

Research on Hydro-bending Forming Technology in the Thin-walled and Large Diameter Tube

Cheng XiaoWang WeipingTian ChenLuo XuLi LiZhang Zhiwe

(1. Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co., Ltd., Chengdu 636371; 2. First Military Representative Office of Rocket Force in Chengdu Area, Chengdu 610100)

The traditional process of stamping and tailor-welding has many problems, such as poor quality stability, low pass rate and long production cycle, etc., which is becoming the limiting factor for the wide application of thin-walled aluminum alloy and stainless steel pipeline. In this paper, an integral forming technology with hydraulic pressure filling was proposed, and an industrial manufacturing system was set up. The emulsified liquid driven by external pressure can be used to realize the integral forming of pipes with large curvature, diameter-thickness ratio greater than 100 and non-circular variable curvature, which eliminates the dependence on the die in the traditional manufacturing stamping process and reduces the production cost; the welding seam was eliminated, and the forming quality, production efficiency and service reliability of the elbow were improved.

hydro-bending；thin-walled；large diameter-thick ratio

TB31；TG146.2；TG306

B

程曉（1987），碩士，焊接專業(yè)；研究方向：鋁合金、異種材料及特種材料連接工藝。

2020-04-15