内高压成形国内研究进展及发展趋势

管材内高压成形国内研究进展及发展趋势——李洪洋刘海军吕海源等

前在欧美等工业发达国家，许多企业都将内高压

成形技术作为增强其产业竞争实力的重要工具。

我国内高压成形工艺的研究起步较晚，目前

尚处于发展阶段，对这一现状的充分认识及对未

来发展趋势的了解对于促进内高压成形工艺在我

国的进一步推广具有重要的现实意义。鉴于此，

本文对管材液力内高压成形技术的工作原理、工

艺组成、典型应用ｔ关键技术及国内发展现状和未

来发展趋势进行了综述，希望能够为国内从事液

力塑性加工，尤其是管材液力塑性加工工作的研

究人员和工程技术人员提供有益的参考。

１工艺原理

图１是管材内高压液力塑性成形工艺的工作

原理示意图。模具型腔内的

管状坯料在内部液体压力夕

和管端轴向压力Ｆ。和Ｆ２的共

同作用下发生塑性变形，并直

至贴模形成零件。

鉴于生产用管坯形状、材

质以及成形零件几何形状和

性能的不同，成形过程中的内

部液体压力及轴向压力的匹

配关系有所不同，但总体上讲

内压和轴向力是随着变形过程的发展而单调递增。

２工艺优点图１内高压成形工艺原理示意图

由于是以管状坯料为加工对象，以液体为主要传力介质，因此内高压成形工艺具有许多突出的优点‘缃］：

（１）节省原材料，提高材料利咽率，减轻零件重量内高压成形工艺所使用的坯料为空心坯料，在保证零件满足使用要求的情况下，空心坯料较实心坯料可减轻零件重量４０％～７０％，提高材料利用率３０％～５０％。图２是利用内高压成形工艺和传统机加工艺生产的台阶轴对比图。其中传统机加工艺的材料利用率仅为４０％～６０％，而内高压成形工艺的材料利用率为８０％～９０％。

（２）加工道次少，产品精度高内高压成形中的轴向力可以起到密封和补料的作用。通过轴向补料可以改善管坯的应力应变状态，显著增加其塑性变形能力，对于复杂零件往往可以一次成形。同时由于原始坯料具有良好的整体性，且加工过程为有模成形，因此大部分内高压成形零件不需要后继组装焊，或在很大程度上减少了后继组装

（ａ）利用机加方法生产的阶梯轴

（ｂ）利用内高压成形方法生产的阶梯轴

图２机加生产及内高压成形生产的阶梯轴

焊接量，从而降低甚至消除了焊接变形及弹复对零件精度的影响。图３是采用传统冲压焊接工艺生产的排气管和内高压成形工艺生产的排气管的比较图。

（ａ）传统冲压（ｂ）内高压

焊接工艺成形工艺

图３传统工艺生产的排气管和内高压

成形工艺生产的排气管

（３）模具数量少，生产成本低内高压成形工艺基本属于一次成形，极大地减少了生产用模具的数量。而且，由于内高压成形工艺所使用坯料的几何相似性，大型零件的模具往往可以作为小型零件的模架使用，这也在很大程度上降低了生产成本。

（４）加工零件强度高，刚度好内高压成形工艺属冷加工工艺，通过变形过程中的加工硬化可以在很大程度上提高零件强度和刚度，其幅度在５０％～３００％之间，最高可达５００％，因此特别适合于生产汽车及航空航天等领域中的承载结构件。据此有学者预测，在未来的１０年间，内高压成形工艺在结构件生产领域的增长速度将是其他领域的３～７倍。

３发艮璜炎

内高压成形工艺的工艺思想最早可以追溯到２０世纪４０年代。２０世纪９０年代，液压和控制系统的发展逐渐趋于成熟。高压及超高压系统的建立已不存在任何技术障碍，位移的控制精度也已达到微米尺度，这为内高压成形工艺的发展奠定了技术基础。同时，随着世界范围内产业竞争的日趋激烈，尤其是汽车制造业对生产成本、生产技

５５?

中国机械工程第１７卷增刊２００６年１０月

术及整车性能和配件质量要求的不断提高，内高

压成形工艺开始受到业界关注。

而由于其现实和潜在的巨大技术及成本优

势，内高压成形工艺一经发展就迅速跨越了实验

阶段，进入了生产领域。

目前仅北美地区生产的汽车中就有３０％左

右的零件使用内高压成形技术，而德国生产的汽车中，该比例更高。奔驰、宝马、大众、奥迪、通用等汽车公司都有多款车型使用了内高压成形技术，而其应用更是涵盖了从发动机托架到凸轮轴、排气管以及天窗导轨等，即包括结构支撑也包括动力传输的多个领域。通过使用内高压成形零件，平均可以减少每车焊缝长度百余米，不仅提高了整车的操控性能，增加了驾驶人员的驾乘舒适度，而且显著降低了生产成本，提高了整车的安全性。图４是基于内高压成形技术生产的宝马汽车的后轴总成照片。

图４宝马汽车后轴总成照片

４典型应用

按工艺特点来分，内高压成形工艺的应用可以分为空心结构件和异型管件两大类，涉及汽车、航空、军事、船舶等诸多领域。

４．１结构件

主要是利用内高压一次成形可以减少后继焊接量，增加零件整体性，以及加工硬化可以提高零件强度和刚度的特点，生产支撑载荷和传输动力用结构件。，目前应用最广泛的是汽车领域的各种车架结构和传动轴，主要包括纵梁、副车架、顶盖支撑、仪表板托架、后桥支架、散热器支架、挡风玻璃支架、挡风玻璃隔离条、整车构架、座椅构架、减震架等，图５是相应的应用示意图，从Ａ到Ｆ分别为顶棚支架、仪表盘支架、散热器支架、副车架、顶棚导轨和结构导轨。图６所示是未组装的副车架，图７所示是组装后的后桥总成。

图５内高压成形件在汽车中的典型应用?５６?

（ａ）小型车

（ｂ）大型车

图６内高压生产的副车架零件照片

图７以内高压成形件为主要结构件的后轴总成４．２异型管

利用内高压成形工艺以管材为加工对象，以模具型腔内表面为零件外轮廓，通过轴向进给补料可以增加变形量的特点，生产各种军用及民用异型管件。最初是以生产图８所示的三通管为主，目前已经推广到各种航空航天、船舶运输等领域的排气管、输油管及特种管（图９），以及民用的厨房卫生用品（图ｌＯ）。

圈８内高压成形的三通管

图９内高压成形的异型管

管材内高压成形国内研究进展及发展趋势——李洪洋刘海军吕海源等

（ａ）

（ｂ）

圈１０内高压成形的厨卫用品

５国内研究现状

内高压成形工艺主要源于欧美等工业发达国家，但近年来国内在该工艺的理论及应用方面也都进行了较为广泛的研究，并取得部分有价值的研究成果。

吴洪飞等ｎ３利用塑性稳定性分析理论对内高压成形中的塑性屈曲失效进行了研究，结果表明，在一定的范围内，随着内压的增加，轴向临界屈曲载荷递增，在不同的比例加载关系下，周向屈曲波数有所不同，而且可能出现临界屈曲载荷的跳跃。王小松等［５］对加载轨迹和零件成形区长径比等因素对成形中的起皱行为进行了研究，给出了相应的几何计算公式和起皱后的应力应变状态及壁厚变化趋势。田仲可［６］对薄壁管元模内高压成形塑性皱曲行为进行了分析，基于薄壳塑性稳定性理论与能量准则，建立了薄壁管无模内高压成形端部塑性皱曲临界载荷的理论，提出了皱曲区一膨胀区一皱曲区三区管坯划分模型。夏巨谌等［７１对多通管挤压胀形过程的力学行为也进行了研究，采用应变样条法建立了挤压力、胀形力和平衡力三者之同的数学表达式。王同海等口’９３对不同的管材胀形工艺的力学特征、影响因素及复合胀形工艺系数进行了分析。Ｌｅｉ等［１们借助刚塑性有限元对失稳的形成过程进行预测。赵长财等［１１］对金属波纹管液压胀形工艺过程中的管坯长度计算进行了研究；韦丽君等口２］对三通管液压胀形力曾进行分析。Ｈｓｕ［１３］对三通管的成形过程也进行了分析，建立了相应的理论模型，并结合有限元模拟进行了验证。Ｈｗａｎｇ等ｍ３对方截面管的成形过程进行了分析。

文献［１５］分别就内高压成形工艺的应力应变特点进行过较为系统的研究，提出摩尔圆移动和屈服圆柱投影两种塑性力学分析方法并在内高压成形工艺分析中进行了应用。给出了内高压成形工艺典型应力状态在屈服椭圆上的分布及相应的应变状态，说明了成形不同阶段应力摩尔圆的移动规律，并就工艺失稳的不同形式进行了讨论。

在实验方面，文献［１６－１９１利用内高压成形工艺完成了轿车副车架、后轴纵臂、转向节臂等零件的加工工艺的探索。王连东等【２阳对基于复合缩径一胀形工艺生产汽车波形套进行Ｔ了研究，并就汽车后桥胀形中的小圆角问题开展了讨论。田仲可［２１’２２］开展了薄壁管无模内高压成形的研究，指出在轴压偏高而内压相对偏低的情况下，降低内压的增长率有助于抑制皱纹的发展。杨雨春等［２妇对多通管挤压胀形介质进行了研究。文献［２４－２７］就大变形量台阶轴和方截面空心轻体件的内高压成形进行实验研究。图１１所示为有关研究单位研制的副车架。

图１１国内加工的副车架

在有限元模拟方面，文献［２８，ｚ９１对内高压成形的自适应模拟以及预弯成形复合工艺进行了有限元模拟，朗利辉等［３０，ａ１］对防锈铝变径管的内高压成形过程进行了有限元模拟，林俊峰等Ｄ幻模拟了空心双拐曲轴，雷丽萍等［３妇模拟了轿车副车架，李乐等［３４１模拟了三通管成形。文献［３５－３７］就大变形量台阶轴内高压成形中的压力及补料参数的影响进行有限元分析。

可以看出，总体上讲我国在内高压成形工艺的研究方面尚处于起步阶段，由于受到实验条件的限制，研究工作以理论分析和有限元模拟为主。实验工作以跟踪为主，有价值的原创性成果相对较少。相比国外的大型专业化生产线，目前国内尚无专门的内高压生产企业，这也在一定程度上制约了国内内高压成形技术的发展。

?５７?

管材内高压成形国内研究进展及发展趋势

作者：李洪洋，刘海军，吕海源，谢望，陆懿琛

作者单位：李洪洋,吕海源,谢望,陆懿琛(上海交通大学,上海,200030)，刘海军(费斯托(中国)有限公司亚太技术中心,上海,201206)

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下载时间：2010年9月19日