液壓擴徑成型薄壁金屬管件精度控制研究①

趙小健 王振東

(核工業理化工程研究院 天津 300180)

為了便于加工，通常先將金屬材料的強度降低，待加工成型后再特殊熱處理提高其強度。但對于某些用于精密儀器內部的起連接作用的柔性薄壁管件，由于管壁太薄，成型后再熱處理致變形較大，故采取了先調質處理，后加工減薄，然后擴徑成型的工藝。由于調質處理和機械減薄加工作用，薄壁金屬管件的強度升高，延伸率降低，給金屬管件的液壓擴徑成型帶來了較大難度，特別是精度控制方面。本文通過分析液壓擴徑成型40Cr薄壁管件工藝及出現的問題，設計了機械接觸控制機構和形位限制模具，從初波控制、外徑限制、貼膜成型三方面進行操作，實現了對管件的擴徑波高、形狀進行有效控制。

1 常規液壓擴徑成型及存在的問題

相比較機械擴徑成型，液壓擴徑成型具有管坯均勻減薄，成型波高更大的優勢。液壓擴徑成型利用了液體不可壓縮原理[1]，在專用液壓設備上完成成型過程。成型過程如圖1所示。

常規液壓擴徑成型可以獲得調質40Cr管件，但管件擴徑部位的波紋形狀和精度較低，尤其是波高精度雖符合國標GB/T 12777-2008[2]中U型波紋尺寸精度±IT18/2要求，卻不能滿足測量儀器的實際使用需求。波紋精度低表現在兩方面，一是波高精度低；二是波峰呈尖角形狀，不是半圓形狀。對比試驗表明，管坯強度越高，波寬越小，波峰尖角越厲害。為了獲得滿足高精度要求的管件，需要從波高和波形兩方面進行精確控制研究。

圖1 常規液壓成型流程

圖2 擠壓前后總弧長相等

2 液壓擴徑成型工藝的優化

2.1 機械接觸控制機構的設計

在液壓擴徑成型過程中，第三步形成初波是管坯與模具的相對運動至靜止的過程。形成初波后，由于管坯受到徑向的液壓作用，模具與管坯的摩擦力和管坯內部抑制變形的阻力共同作用管坯，使其處于受力均衡狀態。第四步中管坯隨模具運動，不發生與模具的相對運動，可知初波的總弧長等于最終波紋總弧長。故第三步初波尺寸決定著第四步的弧長，間接影響著波紋的波高和波形，如圖2加黑部分所示。而第四步形成波紋時，在弧長一定的情況下，波寬與波高呈反關系。為了同時保證波寬和波高的精度，在模具確定的前提下，必須保證初波的精度。且第四步的模具處于閉合狀態，難以檢測波紋尺寸。故采取控制初波波高的辦法，提高弧長精度，配合模具，間接保證波紋形位參數。

為了有效控制初波波高，設計了一種利用機械接觸通電控制液壓的機構，如圖3所示。使用情況如圖4所示。

如圖3所示，設計的直流接觸通電控制機構包括塑料機體、強力磁鐵和金屬探針。塑料機體設計為矩形內凹結構，可以與模具外圓周有效接觸并限位，保證重復使用精度。強力磁鐵過盈壓裝進安裝孔，金屬探針設計為圓平端。下模具連接液壓控制開關的負極，金屬探針連接液壓控制開關正極。如圖4所示，使用時，強力磁鐵非接觸吸附在模具外圓周面上，使塑料基體帶著金屬探針固定在模具外圓周面上，利用臺階限位。開動液壓馬達，當管坯形成初波至與金屬探針接觸后，直流電接通，控制開關瞬時閉合，控制液體壓力不再升高，實現對初波尺寸的控制。當液體壓力穩定后，手動撤走控制機構。

圖3 機械接觸通電控制機構圖

圖4 機械接觸通電控制機構使用示意圖

圖5 使用非對稱圓弧內腔成型示意圖

2.2 限位模具的設計

為了有效控制波紋波高和形狀，盡可能減小波峰尖角，設計了非對稱結構的圓弧內腔模具，通過上下模具先構成封閉內腔，徑向約束波紋直徑，然后軸向繼續擠壓管坯，減小波峰尖角，最后瞬間加大液壓，使波紋處貼膜成型的辦法控制波紋外徑和形狀。由于先對初波弧長進行了控制，貼膜后，波紋回彈精度也能夠得到保證，可以保證波紋的形位參數。

在成型前，需先將上模具圓弧段和直壁段涂薄層潤滑油。上下模具接近過程如圖5所示。在成型后期，需進行一定時長的保壓，通過保壓可以顯著減小波紋回彈變形，提高成型一致性。

3 試驗及結果分析

使用調質處理的直徑φ350mm。壁厚0.5mm的40Cr焊接管件進行成型試驗，要求波高（7±0.25）mm，波寬3mm。試驗調整波高至設計尺寸后，連續成型20件管件。使用輪廓度儀檢測波高和波形，波高精度達到了±0.21mm，高于國標精度±0.55mm。波紋形狀滿足國標GB/T 12777-2008中對U型波紋的形狀要求，具有較高的一致性，有效改善了尖角波形應力集中問題。通過使用接觸控制機構和形位限制模具，在波紋高度和形狀控制方面取得了顯著進展。

4 結語

通過對液壓成型工藝及裝置進行優化，提高了波高精度，改善了波紋形狀。可以得出以下結論：

設計了通電控制機構，可以有效控制初波高度，從而控制初波弧長，間接控制波紋弧長。

設計了非對稱結構的圓弧內腔模具，有效控制了波高，波高精度達到了±0.21mm；有效解決了波峰尖角問題，改善了波峰應力集中，提高了工件的質量。