薄壁大直径管路充液压弯成型技术研究

程 晓 王渭平 田 晨 罗 旭 李 力 张志伟

薄壁大直径管路充液压弯成型技术研究

程 晓王渭平田 晨罗 旭李 力张志伟

（1. 四川航天长征装备制造有限公司，成都 636371；2. 火箭军装备部驻成都地区第一军事代表室，成都 610100）

传统“冲压+拼焊”工艺存在质量稳定性差、合格率低、生产周期长等问题，成为薄壁铝合金、不锈钢管路广泛应用的制约因素。提出了充液压弯整体成型技术，搭建了工业化制造系统，利用外部压力驱动“乳化液体”可实现大曲率、径厚比大于100及非圆变曲率管材的一次整体成型，消除了传统制造冲压工艺中对模具的依赖，降低了生产成本；消除了焊缝，提升了弯管成型质量、生产效率和服役可靠性。

充液压弯；薄壁；大径厚比

1 引言

薄壁铝合金、不锈钢等材质弯曲管件在机械装备、化工容器、航空航天等领域有着广泛应用。相对于常规壁厚管件，薄壁（径厚比＞50）管件在数控弯曲成型中易产生弯曲内侧管壁起皱及弯曲外侧壁厚减薄甚至开裂等。如图1所示，目前该类零件主要采用“冲压+拼焊”工艺方法，但存在产品成型合格率低、焊接质量不稳定、生产周期长等问题。

图1 “冲压+拼焊”工艺

a. 产品一次性成型合格率较低。冲压成型易起皱且褶皱刚度高，人工平皱困难；同时零件成型去除余量后变形严重，需手工修正，对人员技能水平和经验要求高，且修正易造成成型质量不稳定。

b. 焊接质量不稳定。弯管弯曲纵缝焊接技术难度大，焊接过程易产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷，同时缺陷排除会导致变形或应力增大，不满足产品高可靠性、高质量要求，导致焊接结构件报废率高，弯管产品最终一次合格率不足40%，往往以数量保质量。

c. 生产周期长。“冲压+拼焊”工艺方法机械化程度低、流程繁杂，影响结构件成型质量因素多、产品质量控制难度大、结构件加工周期长，一般需要1个月左右才能完成一个弯管成型加工制造。

为提高管路系统弯管结构件整体性能，提出了“充液压弯成型技术”实现零件整体成型。

2 产品结构及工艺对比

管路系统中，常见大径厚比薄壁管材弯曲成型零件直径＞90mm、壁厚0.8～2mm、径厚比＞50、材料为0Cr18Ni9/1Cr21Ni5Ti等不锈钢以及2A14/2219铝合金。本文选用径厚比62、材料厚度1.5mm、弯曲半径90mm、弯曲角度为90°的0Cr18Ni9不锈钢产品为研究对象，结构如图2，材料成分及力学性能见表1、表2。

图2 不锈钢弯管零件示意图

表1 0Cr18Ni9化学成分

表2 0Cr18Ni9不锈钢材料性能

2.1 “冲压+拼焊”工艺

“冲压+拼焊”工艺流程：下料→落锤落压成型→手工或机加去余量（壁厚≥1.5mm采用机加）→手工修正、配对→酸洗→拼焊成弯管→校形→检测。结合冲压成型工艺特点，为确保成型零件减薄率满足设计要求，须引入压边余量、拉伸圆角余量、修整调整余量等工艺余量，如图3所示。

图3 弯管拉伸成型后零件示意图

实际生产中，冲压成型合格的半边管去除工艺余量后会再次发生变形，需对成型零件再次修整、校形，但修整校形质量不稳定（修整反复性大、人为因素占比高，影响修整校形质量稳定性），修整后实物见图4；同时受冲压设备精度、工艺余量控制程度等影响，传统“冲压+拼焊”工艺材料利用率不高，生产成本高。

图4 半边管冲压成型示意图

另外，半边管弯曲焊缝为手工焊接，焊接控制难度大，焊接热输入易造成薄壁管件变形；同时因存在焊接热影响区，校形过程中易出现“校裂”现象，造成零件报废，校形敲击易造成焊缝产生变形以及内部组织损伤等影响，增加质量风险。

2.2 充液压弯成型工艺

图5 充液压弯原理图

充液压弯成型技术，是在两端密封的管坯中充入一定压力液体，然后在模具中压弯成型的一种弯管成型方法，如图5所示。充液压弯过程分为两个阶段：一是弯曲阶段：在两端密封的管内充填液体介质，同时施加一定内压作为软模支撑，然后在模具内压弯成型；二是整形阶段：提高弯管内高压液体的压力，把椭圆形截面整形为圆形。

管材弯曲主要流程为：制管坯→充液压弯→整形→成品。具有以下优点：

a. 可成型相对弯曲半径较大、径厚比/大于100的超薄高性能铝合金及高强钢管件。

b. 采用乳化液作为内部充填介质，可以对内部液体压力实时调整，控制管材弯曲时的受力状态，减小管材弯曲时的内侧起皱倾向，零件表面质量好。

c. 可用弯曲模具实现非圆变曲率管材弯曲，成型后可在模具内加压整形，提高弯曲成型精度。

3 试验验证

成型设备为1500T充液压弯成型设备，如图6a。本次试验采用独特的密封结构装夹于管材两端，同时加设简单机构对管坯两端形成约束，如图6b。

图6 充液压弯成型工艺

试验流程：首先对管坯内部充液形成内压，下压上模至刚好接触管坯；将内压增加并保持压力，继续下压上模，直至成型完毕。随着上模不断下压，管端有翘起趋势，如不加管端约束，即自由充液压弯成型，造成管坯弯曲部分的内侧承受挤压变形以及管坯两端补料速度快，导致褶皱产生，如图7a；增加管端约束装置可限制两端补料，能够极大减轻管材弯曲内侧起皱程度，如图7b。

图7 管端约束影响

通过试验，最终获得最优充液压弯成型工艺参数为内压8～10MPa、成型半径50mm、采用润滑脂润滑。试验件经测量，其弯曲半径、各部位截面畸变率、厚度分布以及整体成型质量均满足要求，试验件及其典型形位尺寸检测结果如图8所示。

图8 试验验证结果

与原工艺相比，采用充液成型的弯管，管材壁厚减薄程度小，最小壁厚由原工艺1.275mm提高到1.303mm，提高了零件承载能力，也提高了表面质量；同时零件实现了整体成型，减少了修正工序、降低劳动强度、提高生产效率，避免了原工艺焊缝结构带来的不确定因素，减少了管路系统运行风险，提高了产品可靠性、稳定性。

4 结束语

针对大径厚比薄壁管材弯曲成型，深入研究“冲压+拼焊”及“充液压弯”两种工艺：

a. 搭建了大径厚比薄壁管材充液压弯成型系统，验证了某管路系统弯管零件充液压弯成型的可行性。

b. 利用充液压弯成型技术，实现了0Cr18Ni9不锈钢弯管零件（材料厚度1.5mm、弯曲半径90mm、弯曲角度为90°）的整体成型。

c. 通过试验，获得该零件最优充液压弯成型工艺参数，内压为8～10MPa，成型半径50mm，并采用润滑脂润滑。

e. 充液压弯成型可广泛应用于管路系统弯管零件整体成型，消除焊缝，提升产品成型质量和服役可靠性，提高加工效率。

1 宋鹏. 5A02铝合金弯曲轴线超薄异型管内高压成型研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011

2 庄茁，由小川，廖剑晖，等. 基于ABAQUS的有限元分析和应用[M]. 北京：清华大学出版社，2009

3 宋鹏，王小松，徐永超，等. 内压对薄壁铝合金管材充液压弯过程的影响[J]. 中国有色金属学报，2011，21(2)：311～317

4 刘泽宇，滕步刚，苑世剑. 内压对薄壁管充液压弯时的影响[J]. 塑性工程学报，2009，16(4)：35～38

5 苑世剑. 轻量化成型技术[M]. 北京：国防工业出版社，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

程晓（1987），硕士，焊接专业；研究方向：铝合金、异种材料及特种材料连接工艺。

2020-04-15