水龍頭內高壓水脹成形工藝分析及生產實踐

阮宗龍

（廣東思豪內高壓科技有限公司，廣東 佛山 528226）

隨著人們生活水平的不斷提高，消費者對水龍頭的需求越來越向藝術化、高檔化方向發展，其外形結構和成形工藝隨之越來越復雜，傳統工藝成形的水龍頭已無法滿足該市場需求。水龍頭的傳統成形工藝有鉛脹成形（鉛對人體有害），膠脹成形（介質膠浪費嚴重），油脹成形（污染嚴重），焊接成形（尺寸不穩定）和鑄造成形（有沙眼、氣孔）等。而水龍頭內高壓水脹成形工藝有如下特點：綠色環保（介質水環保、清潔、零污染），節能降耗（伺服系統節能30%～70%，材料利用率達到80%以上），產能提高（尺寸穩定、可批量生產、效率提高10～50倍），安全可靠，應用廣泛等。針對水龍頭傳統成形工藝的不足,本文提出一種新型的內高壓水脹成形工藝方法。

1 水龍頭的水脹成形工藝分析

圖1 產品圖

如圖1所示為最終成形產品圖。首先制定其工藝路線為：切管-彎管-壓扁-水脹1-退火1-水脹2-退火2-水脹3-切割-拋光-鍍鉻。本文僅對水龍頭的彎壓及水脹成形工藝分析如下。

（1）選材。如圖2所示，產品要求用不銹鋼SUS304，最小壁厚不小于0.8mm。而經過測量，水龍頭最小外徑處的周長為83.26mm（即直徑約?26.5），水龍頭進水口處直徑為?52，是水龍頭的最大直徑，水龍頭出水口處直徑為?38；根據脹形的橫截面積保持不變原理，選用外徑為?26、壁厚為1.6mm的不銹鋼管件進行水脹加工成形。由于不銹鋼管件在水脹成形過程中，水的壓力會對其材質產生膨脹及拉伸作用，故在水脹成形過程中需要通過外力對其進行補料，以有效地防止脹形處的壁厚變得更薄。另外，由于進水端的直徑與出水端的直徑相差較大，故進水端需要采用補料及封水工藝，而出水端則不需用補料工藝，只需要考慮封水工藝即可。

圖2 水龍頭水脹成形工藝分析圖

（2）彎管。由于水脹時其模具的型腔是固定不彎的，故彎管的形狀必須與第一次水脹的模具型腔的形狀基本一致，而且不銹鋼管件彎的長度和弧度都要求定好位，保證每個產品基本一樣。

（3）壓扁。由于產品中間一段是扁的，所以要增加一個工藝,就是將彎好后的彎管中間部分壓扁，同時對整條彎管進行整形，保證整條彎管的外形尺寸一致，以便于下一個生產工序（即第一次水脹）順利進行，如圖3所示。

圖3 彎管壓扁產品

（4）第一次水脹。經分析計算，此水龍頭的工藝難點在于從原材料直徑?26水脹至進水端直徑?52，同時考慮到切割及材料流動性問題，進水端最大直徑應水脹到?53；同樣道理，出水端最大直徑應水脹到?42，如圖2所示。按普通不銹鋼SUS304材質的延伸率40%理論值計算，實際在水脹時只有25%～30%的延伸率，故經三次水脹才能達到產品要求的尺寸。進水端第一次水脹模具設計最大處為?32.5，按脹形比約為1.25來脹形，且既封水又送料5mm。出水端第一次水脹模具設計最大處為?29，按脹形比為約1.12來脹形，且只封水不送料。不銹鋼SUS304管內水脹壓力可達120MPa，外壁全部貼滿型腔，脹形最大位置處壁厚為1.28～1.33mm，產品表面沒有起皺，水脹效果很好。不銹鋼SUS304材質經水脹后產生內應力，延伸率也達到了極限的邊緣，所以要經過高溫固溶熱處理，才能進行第二次水脹，如圖4所示。

圖4 第一次水脹產品

（5）第二次水脹。進水端第二次水脹模具設計最大處為?41.5，按脹形比約為1.28來脹形，且既封水又送料5mm。出水端第二次水脹模具設計最大處為φ35，按脹形比約為1.2來脹形，且只封水不送料。SUS304管內水脹壓力可達160MPa，外壁全部貼滿型腔，脹形最大位置處壁厚為1.0～1.1mm，產品表面沒有起皺，水脹效果很好，水脹后固溶退火處理，如圖5所示。

圖5 第二次水脹產品

（6）第三次水脹。進水端第三次水脹模具設計最大處為?53，按脹形比約為1.28來脹形，且既封水又送料5mm。出水端第三次水脹模具設計最大處為?42,按脹形比約為1.2來脹形，且只封水不送料。考慮到壓扁處棱邊問題，SUS304管內水脹壓力可達250MPa，外壁全部貼滿型腔，脹形最大位置處壁厚為0.8～0.85mm，產品表面沒有起皺，壓扁處棱邊立體感更明顯，水脹效果很好。經切除進出水兩端的多余工藝料，達到產品設計尺寸，如圖6所示。

圖6 第三次水脹產品

2 工程實踐

經計算，用P水=250MPa的超高壓水脹壓強，則主缸夾緊力F1=P水A1=250×19400×10-3=4850kN，取F1=5000kN。A1為水龍頭水平放置時的投影面積，經軟件測得A1=19400mm2；計算側缸夾緊力F2=P水A2=250×0.785×262×10-3=132kN，考慮到封水工藝，取F2=400kN。此工藝生產采用我司自發研制并生產的多工位內高壓水脹成形機YB98/3-820T生產，并取得了良好的效果。此產品經水脹后比之前精鑄產品優化許多：重量減輕了30%,從原材料上節約了成本；外表面平整,對后期表面的拋光處理更簡便；內高壓水脹機器操作簡單,按8小時工作,日單產2000～2500件，效率高，便于批量生產。

3 結語

綜上所述，此類中空復雜零件，采用內高壓水脹成形技術可以取代一些傳統工藝成形，并具有輕量化、節約成本、穩定質量、提高效率、綠色環保等顯著優點。

目前，內高壓水脹成形技術已廣泛應用于軍工行業，如航天通信用波導方銅管；汽車零部件行業，如汽車排氣管、水箱、保險桿、副車架、旋掛軸套、緩沖器等；衛浴行業，如水龍頭；民用不銹鋼管行業，如直通、三通、彎頭卡壓管等；民用制冷供暖銅管行業，如直通、T型、Y型、L型銅管等；民用五金行業，如電飯煲斧型鍋膽、真空杯、保溫杯、裝飾工藝柱等。在我國，許多中空零配件還采用傳統的焊接或鑄造工藝，該市場有待研發和開拓。