淺析管件高壓液力成形技術的發展

陳洋　劉興華

摘 要：如今市場對汽車、船舶等制造業產品的重量、零件的數量及強度剛度的要求越來越高，而且目前全球都非常注重環保工作，需要零件和產品具有節能減排、環境保護等作用，給制造企業帶來了一定的制造壓力。其中管件高壓液力成形技術能夠有效減輕產品質量、降低生產成本、滿足環境保護等，將其應用在制造工藝中，具有廣闊的發展前景。本文主要分析了管件高壓液力成形技術的原理、分類及應用，并針對管件高壓液力成形技術的發展進行了研究和探討。

關鍵詞：管件高壓液力成形技術；輕量化技術；成形原理

隨著我國現代工業的發展，汽車、船舶等制造業均取得了明顯的進步，然而傳統的沖壓、焊接工藝等難以適應當前我國制造業的快速發展。為了推動我國制造業的進一步發展，輕量化技術逐漸成為制造企業的重點研究內容。其中管件高壓液力成形技術作為一種先進的制造方法，將其應用在零件制造中，能夠有效提高零件的疲勞強度和應用剛度，并可以降低生產成本。目前國外很多制造企業都采用管件高壓液力成形技術進行產品制造，因此該技術具有明顯的發展優勢。

一、管件高壓液力成形技術的概述

隨著計算機技術和超高壓控制技術的發展，管件高壓液力成形技術的應用越來越廣泛。管件高壓液力成形技術主要是利用金屬塑性變形的原理，即首先向管件中注入液體介質，并利用相應設備增加軸向擠壓力，使毛坯管不斷發生塑性變形，制造滿足設計技術要求。一般完整的管件高壓液力成形工藝需要具備切管機、彎管機、高壓液力成形機、清洗設備等設備，其中高壓液力成形機最為重要，其價格也最為昂貴。

高壓液力成形技術相對于傳統工藝，優勢非常明顯，如性能高、安全性高、質量輕、工藝簡化、效率高、節約材料、降低成本等，因此其在汽車、航天、化工、船舶、醫療等行業中應用越來越普遍。根據零件種類分類，可以將高壓液壓成形工藝分為變徑管高壓液壓成形、彎曲軸線構件高壓液壓成形及多通道高壓液壓成形等三類。

二、管件高壓液力成形技術的發展

1.常規管件高壓液力成形工藝

管件高壓液力成形工藝中比較典型的為“T”形三通管工藝，其屬于早期研發的漲形工藝，后來隨著計算機技術和高壓密封技術的發展，管件高壓液力成形技術在“X”形和“Y”形管件接頭成形中得到應用。相關專家采用有限元軟件對“X”和“T”管接頭的高壓液力成形工藝進行了模擬，模擬結果與實驗結果一致?！癥”形三通管的初始管材較短，則可以漲出更高的支管。

2.熱態高壓液力成形工藝

輕量化技術是目前各個制造企業的重點研究方向，要想實現產品結構和零件的輕量化，首先要選擇輕量合金材料，如鋁合金和鎂合金等。由于鋁合金和鎂合金的常溫塑性較大，技術人員需要通過相關工藝體提高合金材料的成形溫度，從而使其漲出所需形狀，因此技術人員可以利用油或惰性氣體對管材進行加熱，即熱態高壓液力成形工藝。由于熱態高壓液力成形工藝增加了加熱步驟，因此其所需時間比常溫成形工藝所需時間要長，且制造技術也更加復雜。國外相關專家采用氮氣作為加熱介質，有效提高了成形溫度，達到450℃。另外我國相關專家通過對5A02鋁合金的研究后發現，5A02鋁合金管成形溫度最好選擇在200℃到230℃之間。如今我國熱態高壓液力成形工藝還處在研究階段，加熱方法、溫度分布、隔熱等都還需要進一步研究后，才能夠投入工業應用。

3.管件雙面高壓液力成形工藝

一般材料發生開裂問題主要是由于微觀裂紋在內應力作用下出現塑性變形問題，從而導致空洞的出現，而當空洞合并后，則會導致開裂。拉伸型的內應力和壓縮型的內應力分別是加速和抑制材料破裂的主要因素。相關專家根據內應力作用提出了雙面高壓液力成形工藝，即管材內外都需要注入高壓液力，其中管材外部引入的壓力要比內壓小，用以支撐管材的漲形，起到抑制管材開裂的作用。根據相關研究可知，管件角部半徑隨著外壓的升高而減少，即外壓推遲了材料漲裂問題的發生。

4.常用材料

不同制造領域采用管件高壓成形工藝制造零件所需的材料均不一樣，其中汽車、航天航空等領域一般采用鐵合金、鋁合金等，而衛浴領域一般采用黃銅、紫銅等材料。常用于工業運用的鐵合金材料主要有低碳鋼、滲碳鋼、熱處理鋼、高強度鋼等，汽車機構件的制造主要采用屈服強度在200MPa到400MPa之間的低碳鋼，發動機軸類零件制造則主要采用滲碳鋼和熱處理鋼。雖然鎂合金具有比強度高的優勢，但其常溫塑性較差，因此加工過程較為困難，需要提高溫度至200℃才能夠制造出性能良好的零件。

5.管材成形性能測試

為了確定管材成形性能，需要采用專門測量管材成形性能的試驗方法進行測量。角部填充試驗時主要用來測量管材液壓成形中的摩擦和潤滑情況。管材端部擴張試驗主要是用來評估材料的成形性能，即利用錐形沖頭擠壓管端使其拉裂，并獲得拉裂時的膨脹率。液壓漲形試驗主要是進行管材進行高壓膨脹試驗，獲取材料破裂時的漲形高度，繼而評估材料的成形性能。拉伸試驗能夠獲取材料的彈性模量、屈服強度、應力變曲線等數據，從而判斷材料成形性能。

6.工藝分析和數值模擬

管件高壓液力成形共同以參數主要有材料屬性、加載路徑、摩擦和潤滑參數、模具和零件的尺寸參數等。根據相關研究可知，材料硬化指數越高，液壓漲形所需壓力越低，另外軸向各向異性指數會對漲形壓力產生影響。加載路徑是管件高壓液力成形工藝中最重要的參數，而目前加載路徑的設計需要結合有限元模擬和試驗獲得。技術人員首先需要將高壓液力成形工藝分為成形階段和校形階段，且需要根據屈服應力和抗拉強度技術獲取兩階段曲線的需要通過的屈服點、漲裂點和校形壓力點。其次技術人員需要從模擬結構中獲取管件兩端向中間的位移值，并將其放大后作為初始加載路徑，最后采用優化法，設計優化目標，從而獲得合適的加載路徑。

三、結語

管件高壓液力成形技術因具有成本低、環保作用、產品質量輕等優勢，該技術越來越受到人們的重視，因此各個國家都非常注重對管件高壓液力成形技術的研究和應用。雖然我國管件高壓液壓技術發展較快，但其在實際應用中還存在一定的問題，因此我國制造企業需要加強對高壓液壓成形設備的研制、注重對液壓成形工藝的優化，并加強對加載路勁和規劃和成形工藝的創新，從而推動我國制造業的發展。

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