浅析管件高压液力成形技术的发展

陈洋　刘兴华

摘 要：如今市场对汽车、船舶等制造业产品的重量、零件的数量及强度刚度的要求越来越高，而且目前全球都非常注重环保工作，需要零件和产品具有节能减排、环境保护等作用，给制造企业带来了一定的制造压力。其中管件高压液力成形技术能够有效减轻产品质量、降低生产成本、满足环境保护等，将其应用在制造工艺中，具有广阔的发展前景。本文主要分析了管件高压液力成形技术的原理、分类及应用，并针对管件高压液力成形技术的发展进行了研究和探讨。

关键词：管件高压液力成形技术；轻量化技术；成形原理

随着我国现代工业的发展，汽车、船舶等制造业均取得了明显的进步，然而传统的冲压、焊接工艺等难以适应当前我国制造业的快速发展。为了推动我国制造业的进一步发展，轻量化技术逐渐成为制造企业的重点研究内容。其中管件高压液力成形技术作为一种先进的制造方法，将其应用在零件制造中，能够有效提高零件的疲劳强度和应用刚度，并可以降低生产成本。目前国外很多制造企业都采用管件高压液力成形技术进行产品制造，因此该技术具有明显的发展优势。

一、管件高压液力成形技术的概述

随着计算机技术和超高压控制技术的发展，管件高压液力成形技术的应用越来越广泛。管件高压液力成形技术主要是利用金属塑性变形的原理，即首先向管件中注入液体介质，并利用相应设备增加轴向挤压力，使毛坯管不断发生塑性变形，制造满足设计技术要求。一般完整的管件高压液力成形工艺需要具备切管机、弯管机、高压液力成形机、清洗设备等设备，其中高压液力成形机最为重要，其价格也最为昂贵。

高压液力成形技术相对于传统工艺，优势非常明显，如性能高、安全性高、质量轻、工艺简化、效率高、节约材料、降低成本等，因此其在汽车、航天、化工、船舶、医疗等行业中应用越来越普遍。根据零件种类分类，可以将高压液压成形工艺分为变径管高压液压成形、弯曲轴线构件高压液压成形及多通道高压液压成形等三类。

二、管件高压液力成形技术的发展

1.常规管件高压液力成形工艺

管件高压液力成形工艺中比较典型的为“T”形三通管工艺，其属于早期研发的涨形工艺，后来随着计算机技术和高压密封技术的发展，管件高压液力成形技术在“X”形和“Y”形管件接头成形中得到应用。相关专家采用有限元软件对“X”和“T”管接头的高压液力成形工艺进行了模拟，模拟结果与实验结果一致。“Y”形三通管的初始管材较短，则可以涨出更高的支管。

2.热态高压液力成形工艺

轻量化技术是目前各个制造企业的重点研究方向，要想实现产品结构和零件的轻量化，首先要选择轻量合金材料，如铝合金和镁合金等。由于铝合金和镁合金的常温塑性较大，技术人员需要通过相关工艺体提高合金材料的成形温度，从而使其涨出所需形状，因此技术人员可以利用油或惰性气体对管材进行加热，即热态高压液力成形工艺。由于热态高压液力成形工艺增加了加热步骤，因此其所需时间比常温成形工艺所需时间要长，且制造技术也更加复杂。国外相关专家采用氮气作为加热介质，有效提高了成形温度，达到450℃。另外我国相关专家通过对5A02铝合金的研究后发现，5A02铝合金管成形温度最好选择在200℃到230℃之间。如今我国热态高压液力成形工艺还处在研究阶段，加热方法、温度分布、隔热等都还需要进一步研究后，才能够投入工业应用。

3.管件双面高压液力成形工艺

一般材料发生开裂问题主要是由于微观裂纹在内应力作用下出现塑性变形问题，从而导致空洞的出现，而当空洞合并后，则会导致开裂。拉伸型的内应力和压缩型的内应力分别是加速和抑制材料破裂的主要因素。相关专家根据内应力作用提出了双面高压液力成形工艺，即管材内外都需要注入高压液力，其中管材外部引入的压力要比内压小，用以支撑管材的涨形，起到抑制管材开裂的作用。根据相关研究可知，管件角部半径随着外压的升高而减少，即外压推迟了材料涨裂问题的发生。

4.常用材料

不同制造领域采用管件高压成形工艺制造零件所需的材料均不一样，其中汽车、航天航空等领域一般采用铁合金、铝合金等，而卫浴领域一般采用黄铜、紫铜等材料。常用于工业运用的铁合金材料主要有低碳钢、渗碳钢、热处理钢、高强度钢等，汽车机构件的制造主要采用屈服强度在200MPa到400MPa之间的低碳钢，发动机轴类零件制造则主要采用渗碳钢和热处理钢。虽然镁合金具有比强度高的优势，但其常温塑性较差，因此加工过程较为困难，需要提高温度至200℃才能够制造出性能良好的零件。

5.管材成形性能测试

为了确定管材成形性能，需要采用专门测量管材成形性能的试验方法进行测量。角部填充试验时主要用来测量管材液压成形中的摩擦和润滑情况。管材端部扩张试验主要是用来评估材料的成形性能，即利用锥形冲头挤压管端使其拉裂，并获得拉裂时的膨胀率。液压涨形试验主要是进行管材进行高压膨胀试验，获取材料破裂时的涨形高度，继而评估材料的成形性能。拉伸试验能够获取材料的弹性模量、屈服强度、应力变曲线等数据，从而判断材料成形性能。

6.工艺分析和数值模拟

管件高压液力成形共同以参数主要有材料属性、加载路径、摩擦和润滑参数、模具和零件的尺寸参数等。根据相关研究可知，材料硬化指数越高，液压涨形所需压力越低，另外轴向各向异性指数会对涨形压力产生影响。加载路径是管件高压液力成形工艺中最重要的参数，而目前加载路径的设计需要结合有限元模拟和试验获得。技术人员首先需要将高压液力成形工艺分为成形阶段和校形阶段，且需要根据屈服应力和抗拉强度技术获取两阶段曲线的需要通过的屈服点、涨裂点和校形压力点。其次技术人员需要从模拟结构中获取管件两端向中间的位移值，并将其放大后作为初始加载路径，最后采用优化法，设计优化目标，从而获得合适的加载路径。

三、结语

管件高压液力成形技术因具有成本低、环保作用、产品质量轻等优势，该技术越来越受到人们的重视，因此各个国家都非常注重对管件高压液力成形技术的研究和应用。虽然我国管件高压液压技术发展较快，但其在实际应用中还存在一定的问题，因此我国制造企业需要加强对高压液压成形设备的研制、注重对液压成形工艺的优化，并加强对加载路劲和规划和成形工艺的创新，从而推动我国制造业的发展。

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