隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，人們對現(xiàn)代制造技術(shù)提出了更高的要求，其中減輕零件重量、降低成本、提高生產(chǎn)效率便是其中要求之一。

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特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，考慮到能源和材料成本以及對廢氣排放更加嚴(yán)格的法律法規(guī)，汽車結(jié)構(gòu)的輕量化是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢。

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對于飛機(jī)和航天器，減重也是人們長期追求的目標(biāo)。

減重有兩個(gè)主要的途徑：

一，是采用輕體材料，如用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等材料；

二，是在結(jié)構(gòu)上采用“以空代實(shí)”，即對于承受以彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構(gòu)件，采用空心結(jié)構(gòu)，這樣即可以減輕重量節(jié)約材料又可以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。

內(nèi)高壓成形正是適應(yīng)這樣的要求而提出來的一種新工藝，內(nèi)高壓成形件具有重量輕、剛度好、零件數(shù)量少、可減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量等優(yōu)點(diǎn)，因此可以減少模具，降低生產(chǎn)成本，縮短加工周期?？梢杂糜谥圃炱?、航空、航天等行業(yè)中使用的各類輕體構(gòu)件。

采用內(nèi)高壓技術(shù)成形的多通管接頭是各種管路系統(tǒng)中不可缺失的管件之一，廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、船舶、機(jī)械等行業(yè)中。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)、自行車車架、衛(wèi)生潔具制造等領(lǐng)域運(yùn)用的比較多。

采用液壓脹形生產(chǎn)三通管和形狀簡單的管路配件可以追溯到 19 世紀(jì) 40 年代，但那時(shí)的成形壓力比較小，零件精度不高。近年來，由于液壓伺服控制系統(tǒng)和高壓源等問題的解決，內(nèi)高壓成形技術(shù)廣泛的運(yùn)用到汽車的輕量化中，其成形壓力已達(dá)到 400MPa，有的超過 1000MPa。

在國內(nèi)，內(nèi)高壓技術(shù)還不是很成熟，大力發(fā)展內(nèi)高壓成形技術(shù)對提升我國的制造業(yè)水平有重大的意義。

內(nèi)高壓成形工藝

內(nèi)高壓成形原理是通過內(nèi)部加壓和軸向加力補(bǔ)料把管坯壓入到模具型腔使其成形，成形時(shí)內(nèi)壓和軸向進(jìn)給按事先給定的匹配關(guān)系，由計(jì)算機(jī)精確控制。

其基本工藝過程是先將管坯放入下模，閉合模具，用左右水平?jīng)_頭密封管坯，然后在管坯內(nèi)充滿液體，通過高壓系統(tǒng)向管坯內(nèi)加壓，在加壓的同時(shí)管坯兩端的沖頭按與內(nèi)壓一定的匹配關(guān)系向內(nèi)送料使管坯成形，成形過程如圖 1-1所示。

?圖1-1內(nèi)高壓成形原理

管材的內(nèi)高壓成形根據(jù)軸向進(jìn)給可以分為有軸向進(jìn)給成形和無軸向進(jìn)給成形。同時(shí)根據(jù)成形零件形狀又可分為三種工藝類型：直線零件成形（如圖1-2）、帶凸臺(tái)或枝杈零件成形（如圖1-3）、曲線零件成形（如圖1-4）。帶凸臺(tái)或枝杈零件成形時(shí)需要三個(gè)沖頭，管端兩個(gè)沖頭按給定加載路徑向內(nèi)送料，凸臺(tái)或枝杈上的沖頭按與內(nèi)壓一定的匹配關(guān)系向后退出，以保證枝杈不脹破或起皺。對于軸線為曲線的零件，先在數(shù)控彎管機(jī)上彎曲到要求的形狀（見圖1- 4a），再放到模具內(nèi)加壓成形（見圖1-4b）。

?圖1-2直線零件成形

?圖1-3帶凸臺(tái)或枝杈零件成形

? ? ? ? ? a.彎曲 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b.內(nèi)高壓成形圖

圖1-4曲線零件成形

1．減輕重量，節(jié)約材料。采用內(nèi)高壓技術(shù)的生產(chǎn)的零件可以由管材一次脹形得到，和機(jī)加工相比較減輕重量 40％－50％，節(jié)約材料可達(dá) 75％。

2．減少零件和模具數(shù)量，節(jié)約成本。內(nèi)高壓成形件通常只需要一套模具，而沖壓件通常需要多套模具。如采用內(nèi)高壓成形，副車架的組成零件由 6個(gè)減少到 1 個(gè)。

3. 提高強(qiáng)度與剛度。以散熱器支架為例，垂直方向剛度提高 39％，水平方向剛度提高 50％。

4．可減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量。以散熱器支架為例，散熱面積增加43％，焊點(diǎn)由 174 個(gè)減少到 20 個(gè)，裝備工序由 13 道減少到 6 道，生產(chǎn)率提高66％。

5．提高成形零件的精度。

枝杈管件一般可按形狀分為十字型四通管、直三通管（T 形管）、斜三通管（Y 形管）等三類，各種管件的形狀如圖 1-5。

圖 1-5 各種枝杈管件

對于枝杈類管件的內(nèi)高壓成形，為了得到較大的枝管高度，除了水平軸向補(bǔ)料沖頭外還需要反推沖頭對枝管施加一定的推力。Y 型三通管的內(nèi)高壓成形原理如圖 1-6。

成形過程為在一定內(nèi)壓下，左右沖頭按與內(nèi)壓一定的匹配關(guān)系向內(nèi)補(bǔ)料；中間沖頭置于模具右側(cè)圓角與枝管的交界處，在成形的初期保持不動(dòng)，等管坯貼上中間反推沖頭后，中間反推沖頭隨著枝管的長高向后退，后退時(shí)中間反推沖頭要對枝管施加一定的推力。

圖 1-6 ?Y 型三通管內(nèi)高壓成形原理

目前內(nèi)高壓成形件在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要有：

①排氣系統(tǒng)異型管件；

②副車架總成；

③底盤構(gòu)件、車身框架、座椅框架及散熱器支架；

④前軸、后軸及驅(qū)動(dòng)軸；

⑤安全構(gòu)件等。

圖 1-7 所示為德國某公司采用內(nèi)高壓技術(shù)生產(chǎn)的汽車用輕體件。

圖 1-7 汽車用輕體件

采用內(nèi)高壓技術(shù)國外已經(jīng)生產(chǎn)出了多種排氣歧管，如圖 1-8。其中枝杈類管件如 T 型三通管和 Y 型三通管在排氣系統(tǒng)中運(yùn)用的比較多。

圖 1-8 排氣系統(tǒng)的內(nèi)高壓成形件

（Schafer 公司提供）

汽車排氣歧管3D示意圖

目前國內(nèi)外生產(chǎn)排氣岐管的方法主要有整體鑄造成形、沖壓組焊成形、內(nèi)高壓成形出枝杈管然后跟管件連接成形。各種工藝成形的排氣管件如圖 1-9。

圖1-9 各種工藝生產(chǎn)的排氣歧管

興迪源機(jī)械研發(fā)生產(chǎn)的汽車排氣歧管（一出二）實(shí)物圖

采用整體鑄造工藝制造的排氣歧管壁厚大、質(zhì)量大。

采用內(nèi)高壓技術(shù)成形的排氣管件與鑄件相比，其優(yōu)點(diǎn)為：

①質(zhì)量減輕 30%－40％；

②壽命提高 2－3 倍；

③研制周期縮短 60%。

采用內(nèi)高壓技術(shù)成形的排氣管件與傳統(tǒng)的沖壓焊接成形件相比，其優(yōu)點(diǎn)為：

①減少制造工序；

②焊接量小，產(chǎn)品可靠性好；

③焊縫減少，內(nèi)表面光滑，排氣阻力小；

④成本可降低 20%左右。

枝杈管件的研究早在 20 世紀(jì) 60 年代就已經(jīng)開展了，那時(shí)液壓脹管技術(shù)已用于生產(chǎn)三通管，但零件精度不高，成形壓力小于 30MPa。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90年代以來，由于液壓伺服控制系統(tǒng)和高壓源等問題的解決，對內(nèi)高壓成形技術(shù)的研究進(jìn)入了新的階段。

同時(shí)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，大量的商業(yè)軟件如LS-DYNA、PAM-STAMP、DYNAFORM 被用來對成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究并對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步的預(yù)測和指導(dǎo)，這大大降低了成本，縮短了研發(fā)周期。

早期對枝杈管件內(nèi)高壓成形的研究主要集中在直三通管，后來陸續(xù)擴(kuò)展到十字接頭、斜三通管。十字型四通管屬于對稱類零件，T 型三通管和 Y 型三通管屬于非對稱零件，其中 Y 型三通管成形難度最大。

十字型四通管是完全對稱的零件，成形的難度比 T 型三通管和 Y 型三通管都要低，對它開展的研究也比較少。愛爾蘭都柏林大學(xué)的 B.J.Mac Donald 等人通過模擬研究了有無補(bǔ)料兩種加載條件、摩擦系數(shù)、管坯厚度對枝管高度、應(yīng)力分布、壁厚分布的影響。

他們還用性能與鉛接近的固體壓力介質(zhì)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明，采用固體介質(zhì)，成形零件的枝管高度更大，枝管頂部減薄更小，零件應(yīng)力更小。通過對模具的應(yīng)力狀態(tài)和變形進(jìn)行分析，結(jié)果表明選擇合適的圓角半徑對此類模具設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。愛爾蘭的 P.Ray, B.J.MacDonald 對退火的銅管內(nèi)高壓成形十字型四通管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究， 并通過實(shí)驗(yàn)成形出了十字型四通管，如圖 1-13。

實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果在壁厚分布、枝管高度上吻合的比較好。他們還研究了初始管材長度、模具圓角半徑、摩擦、加載路徑對成形的影響，并指出對于十字型四通管成形時(shí)十字交叉處容易產(chǎn)生起皺和破裂的缺陷。

國內(nèi)北京科技大學(xué)的楊海波等人對異徑四通管的液壓成形工藝過程進(jìn)行了模擬分析。

首先應(yīng)用相似理論推導(dǎo)脹形過程工藝參數(shù)的量綱為一方程，然后采用正交試驗(yàn)方法建立了模擬方案。利用非線性有限元軟件 MARC/AutoForge 對成形過程進(jìn)行了大量的模擬，并分析了內(nèi)壓、摩擦系數(shù)、沖頭運(yùn)動(dòng)速、模具圓角半徑對零件各處壁厚分布的影響，給出了零件成形的最佳工藝參數(shù)。

國外對 T 型三通管的研究開展的比較早。早在 20 世紀(jì) 40 年代，美國的J.E.Grey 等人就對無縫銅管成形 T 型三通管進(jìn)行了研究，他們首次使用內(nèi)壓和軸向力共同作用的方法來成形。60 年代，Ogura、Ueda 等人對低碳鋼、中碳鋼管材內(nèi)高壓成形 T 型三通管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并成形出了形狀各異、枝管數(shù)目不同的各種零件。

70 年代，Limb 等人通過實(shí)驗(yàn)研究了 T 型三通管內(nèi)高壓成形過程中摩擦的影響，指出了潤滑對枝管高度和枝管頂部的影響。同時(shí)他們還以油為壓力介質(zhì)，分別對銅、鋁、低碳鋼的管材內(nèi)高壓成形 T 型三通管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)獲得的枝管高度對潤滑劑、材料性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

近些年來，德國的 Paderborn 大學(xué)和美國的俄亥俄州立大學(xué)在內(nèi)高壓成形T 型三通管上做了大量的研究。

德國 Paderborn 大學(xué)的 F.Volerstern 等人總結(jié)了 T 型三通管內(nèi)高壓成形的各工藝參數(shù)估算公式。具體給出了合模力、軸向進(jìn)給力、反推沖頭力、整形壓力的估算公式；同時(shí)還給出了估算成形中破裂和起皺臨界壓力的計(jì)算公式，給出了頸縮的應(yīng)變判據(jù)和枝管的最大脹形高度。而且他們還用矩形管坯內(nèi)高壓成形 T 型三通管進(jìn)行了研究，指出了由于內(nèi)外圓角半徑過小和摩擦的原因阻礙了金屬的流動(dòng)，使底部增厚枝管頂部減??；他們指出可以通過局部熱處理的方式來對管坯進(jìn)行處理，使成形時(shí)有利于金屬的流動(dòng)。

德國 Paderborn 大學(xué)的 F.dohmann? 等人經(jīng)過研究后指出：由于摩擦的影響，在成形過程中軸向力總會(huì)有所損失。在 T 型三通管內(nèi)高壓成形補(bǔ)料的過程中，當(dāng)水平?jīng)_頭的軸向推力超過一個(gè)臨界水平，壓縮失穩(wěn)就會(huì)在管坯不規(guī)則的壓縮變形處產(chǎn)生。他們給出了一個(gè)實(shí)例來說明補(bǔ)料段管長對可獲得的枝管高度的影響，如圖 1-10。經(jīng)過理論的推導(dǎo)計(jì)算，得到了出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)的判據(jù)。

圖 1-10 補(bǔ)料段長度對可獲得枝管高度的影響

美國俄亥俄州立大學(xué)的 M. Ahmetoglu 等人對低碳鋼焊接管材內(nèi)高壓成形 T 型三通管進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明：枝管高度過高將使枝管頂部減薄嚴(yán)重而出現(xiàn)破裂。他們還研究了焊縫位置的不同對成形的影響， 研究結(jié)果表明不同的焊縫位置對成形影響較小，三種不同的焊縫位置如圖 1-11。他們還研究了內(nèi)高壓成形中摩擦的摩擦問題，研究結(jié)果表明：在壓力不高時(shí)，摩擦力滿足庫侖定律；在接觸壓力接近管坯金屬流動(dòng)應(yīng)力時(shí)，需要引入純剪應(yīng)力模型。

圖 1-11 焊縫位置不同的零件（低碳鋼）

Muammer Koc 等人指出對于 T 型三通管內(nèi)高壓成形時(shí)，為了使枝杈管的高度更高，需要引入反推沖頭，并給出了反推沖頭力的計(jì)算公式。運(yùn)用該公式對材料為 SS409，壁厚為 1.65mm 的 T 型三通管反推沖頭力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果和數(shù)值模擬值很接近。

除了德國和美國外，國外其它國家也對 T 型三通管展開了一些研究。

在日本，H.Mizukoshi，H.Okada 等人研究了材料的延伸率、n 值及補(bǔ)料量對鋁合金 T 型三通管枝管高度的影響，給出了零件成形后的壁厚分布和零件表面的應(yīng)變分布。韓國對 T 型三通管展開了數(shù)值模擬方面的研究，他們提出了一種新的有限元方法來預(yù)測成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷，并把該方法運(yùn)用到其它內(nèi)高壓成形件中。

法國和意大利對T型三通管研究主要集中在數(shù)值模擬方面。法國Franche-Comte大學(xué)O.Ghouti、M.baida等人提出了一套算法，這套算法可以為后繼的模擬過程提供優(yōu)化的加載路徑。

意大利Palermo大學(xué)的N. Alberti,L. Fratini對材料是AISI1015鋼，壁厚為1mm的T型三通管進(jìn)行了有無反推沖頭的數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明采用反推沖頭后三通管減薄更小，壁厚更均勻。

愛爾蘭的學(xué)者對銅管內(nèi)高壓成形 T 型三通管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究，并通過實(shí)驗(yàn)成形出了 T 型三通管，如圖 1-12。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果在壁厚分布、枝管高度上吻合的比較好。通過大量的數(shù)值模擬，結(jié)果表明枝管部分要得到比較好的壁厚分布必須要有合適的管坯長度、模具圓角半徑和潤滑條件。通過實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明壓力相對于軸向補(bǔ)料增加的過快會(huì)在成形過程中產(chǎn)生破裂的缺陷；軸向補(bǔ)料相對于壓力增加的過快則會(huì)產(chǎn)生起皺的缺陷。

圖 1-12 銅T 型三通管

在國內(nèi)，我國學(xué)者對 T 型三通管成形進(jìn)行了大量的研究。以前由于存在壓力控制和密封的難題成形 T 型三通管主要是以聚氨酯為傳力介質(zhì)。隨著壓力控制和密封問題的解決，近些年來運(yùn)用液體作為傳力介質(zhì)的研究越來越多。國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行的研究主要有沖頭力、反推沖頭力和脹形力的計(jì)算，三通管的模具結(jié)構(gòu)和管坯內(nèi)液壓力對成形的影響，液壓成形中的密封等問題。

上海交通大學(xué)的洪慎章等分析了T型三通管液壓擠脹成形工藝的三個(gè)變形階段，介紹了液壓擠脹成形模具結(jié)構(gòu)，分析了造成制件缺陷的主要原因。他們還給出了直三通管成形中零件應(yīng)力、脹形壓力、沖頭力及反推沖頭力的計(jì)算公式。

燕山大學(xué)的劉慶國等人采用主應(yīng)力法推導(dǎo)了T型三通管液壓擠脹力計(jì)算公式，并運(yùn)用該公式進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，所得結(jié)果與實(shí)測值吻合較好，能夠用于工程上的估算。

中國船舶重工集團(tuán)洛陽船舶材料研究所對T型三通管液壓脹形的研究比較多。主要介紹了液壓脹形三通管件的特性，探討了工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、脹形機(jī)工作性能調(diào)節(jié)、模具設(shè)計(jì)加工、設(shè)備性能保養(yǎng)等因素對T型三通管質(zhì)量的影響，而且指出使用二硫化鉬作潤滑劑最好。同時(shí)還研究了T型三通管液壓脹形過程中管端密封方法，給出了三種密封方式。

西安重型機(jī)械研究所為洛陽船舶材料研究所設(shè)計(jì)了專用的液壓脹形機(jī)，以生產(chǎn)用于海軍潛水艇動(dòng)力裝置的Φ325*4的T型三通管。但該脹形機(jī)在實(shí)際中的

應(yīng)用效果卻不理想，在生產(chǎn)厚壁碳鋼管件時(shí)，成品率僅接近62%。經(jīng)過改進(jìn)脹形力控制系統(tǒng)后，成品率和產(chǎn)品質(zhì)量都得到了較大的提高。

華中科技大學(xué)的夏巨諶等人對T型管的內(nèi)高壓成形做了比較多的數(shù)值模擬研究，他們根據(jù)T型三通管成形雙重非線性的特點(diǎn)，建立了動(dòng)力分析有限元方程，開發(fā)了HP715/50工作站上運(yùn)行的程序軟件SFMT。利用該軟件，分析了T 型三通管的成形過程、應(yīng)力應(yīng)變及壁厚變化分布、成形力的大小及相互匹配關(guān)系對成形的影響，有限元分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果吻合較好。他們還提出并采用“應(yīng)變樣條”法建立了擠壓力、脹形力、反推沖頭力間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并? 運(yùn)用自己開發(fā)的軟件模擬分析和計(jì)算了這3個(gè)力的大小及相互匹配關(guān)系對成形的影響。

上海交通大學(xué)的楊兵等人以304不銹鋼為材料，運(yùn)用數(shù)值模擬研究了T型三通管內(nèi)高壓成形時(shí)r值、n值、摩擦系數(shù)和加載路徑對成形的影響，并對某一個(gè)模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

目前國外對Y型三通管的研究才剛剛起步，大部分是通過數(shù)值模擬手段來研究然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。國外有學(xué)者通過數(shù)值模擬給出了一些工藝參數(shù)對成形的影響，指出了壓力過低會(huì)使軸向起皺如圖1-13。

圖1-13 壓力對成形的影響

美國俄亥俄州立大學(xué)的學(xué)者對 Y 型三通管內(nèi)高壓成形進(jìn)行了深入的研究。他們討論了如何對內(nèi)高壓成形 Y 型三通管的工藝參數(shù)進(jìn)行估算，這些參數(shù)包括成形壓力、軸向補(bǔ)料量、原始管坯長度，給出了一些計(jì)算公式。然后通過 FEA 模擬對估算的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了合適的加載路徑，用外徑為 50.5mm， 壁厚為 1.5mm 的管坯進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并在德國 Aalen 的 SPS 研究中心成形出了枝杈夾角為 60°的 Y 型三通管，如圖 1-14。成形零件的壁厚分布和模擬得到的壁厚分布吻合比較好，如圖 1-15。通過實(shí)驗(yàn)，還研究了在沒有反推沖頭作用時(shí)管坯長度對枝管高度的影響，結(jié)果表明在軸向進(jìn)給量相同的情況下，管坯長度越小，脹起的枝杈高度越大。

圖 1-14 SS304 不銹鋼斜三通管

圖 1-15 模擬和實(shí)驗(yàn)的壁厚分布結(jié)果對比

摘自《Y 型三通管內(nèi)高壓成形工藝優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究》

作者：楊華（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

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