內(nèi)高壓成形技術(shù)主要的特點(diǎn)是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，從管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面，本文興迪源機(jī)械帶來(lái)內(nèi)高壓成形技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)詳解。

　　一、內(nèi)高壓成形技術(shù)的主要特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)輕量化途徑：

　　1）內(nèi)高壓成形主要特點(diǎn)：

　　內(nèi)高壓成形技術(shù)主要的特點(diǎn)是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，從管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面，如圖所示。傳統(tǒng)制造工藝一般為先沖壓成形兩個(gè)或兩個(gè)以上半片再焊接成整體，為了減少焊接變形，一般采用點(diǎn)焊，因此得到的不是封閉的截面。此外，沖壓件的截面形狀相對(duì)比較簡(jiǎn)單，很難滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。

　　2）內(nèi)高壓成形結(jié)構(gòu)輕量化途徑：

　　內(nèi)高壓成形是適應(yīng)汽車(chē)和飛機(jī)等運(yùn)輸工具結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)。結(jié)構(gòu)輕量化有兩條主要途徑：

　　一是材料途徑，采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料；

　　二是結(jié)構(gòu)途徑，采用空心變截面、變厚度薄壁殼體、整體等結(jié)構(gòu)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于一定的減重目標(biāo)，在航天航空領(lǐng)域，采用輕質(zhì)材料減重的貢獻(xiàn)大約為2/3，結(jié)構(gòu)減重的貢獻(xiàn)大約為1/3；而在汽車(chē)行業(yè)，與之相反，主要采用結(jié)構(gòu)減重的途徑。當(dāng)材料一定時(shí)，減重的主要方法是設(shè)計(jì)合理的輕體結(jié)構(gòu)。對(duì)于承受彎扭載荷為主的結(jié)構(gòu)，采用空心變截面構(gòu)件，既可以減輕質(zhì)量又可以充分利用材料的強(qiáng)度。

　　空心異形截面零件

　　(1)對(duì)于載荷大小變化的情況,在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,通過(guò)設(shè)計(jì)合理的變截面,適應(yīng)不同的載荷,以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

　　如圖所示,對(duì)于一個(gè)懸臂梁,根據(jù)彎矩載荷特點(diǎn)(圖(a)),有三種不同的設(shè)計(jì)方案,從強(qiáng)度的角度來(lái)看,三種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均可滿(mǎn)足使用要求。

　　圖(b)所示為等強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案,各截面強(qiáng)度相同,材料承載效率最高,質(zhì)量最輕,但是截面變化形狀為二次曲線,加工難度最大;

　　圖(c)為等截面方案,S2和S3截面強(qiáng)度明顯過(guò)剩,所用材料最多比等強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案約多1倍,最容易加工;

　　圖(d)為變截面結(jié)構(gòu)方案,本例設(shè)計(jì)了三個(gè)變截面,S2、S3與S1強(qiáng)度相同,該方案與等截面方案比較,節(jié)約材料1/3,比等強(qiáng)方案容易加工。一般情況下,等強(qiáng)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,成形加工難度大因此空心變截面設(shè)計(jì)是合理結(jié)構(gòu)選擇,既保證了強(qiáng)度要求,又達(dá)到節(jié)約材料、減輕質(zhì)量和簡(jiǎn)化工藝的目的。

不同結(jié)構(gòu)的懸臂梁(a)彎矩圖;(b)等強(qiáng)結(jié)構(gòu);(c)等截面結(jié)構(gòu);(d)變截面結(jié)構(gòu)。

　　(2)在相同質(zhì)量下,截面形狀不同時(shí)其截面模量不同,可通過(guò)選擇截面形狀提高結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。

　　例如在相同質(zhì)量的前提下,將一個(gè)直徑d63.5mm壁厚2mm的圓管,成形為不同的矩形截面,其抗彎模量發(fā)生明顯變化,如下表所示。

　　從表中可以看出,將圓形管材成形為正方截面時(shí),抗彎模量提高27%;成形為長(zhǎng)寬比為1.5:1的矩形截面時(shí),沿y軸抗彎模量提高66%。這樣僅通過(guò)改變截面的形狀就可以提高抗彎強(qiáng)度。

　　不同形狀截面的抗彎模量

　　(3)采用空心結(jié)構(gòu)代替實(shí)心結(jié)構(gòu)。下圖所示為一個(gè)實(shí)心梁和空心梁的比較,在保證強(qiáng)度相同的條件下,采用空心變截面結(jié)構(gòu),其質(zhì)量由實(shí)心結(jié)構(gòu)的46.2kg(下圖(c))減少到空心結(jié)構(gòu)的16.8kg(下圖(d)),減重64%。對(duì)于空心結(jié)構(gòu)的制造,如果采用機(jī)械加工,初始棒料的質(zhì)量為168.3kg,將有90%材料被浪費(fèi);如果采用管材通過(guò)內(nèi)高壓成形該空心變截面梁,所用管材的質(zhì)量?jī)H17.2kg。采用內(nèi)高壓成形件制造既可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,又可以節(jié)約材料。

實(shí)心梁和空心梁比較（mm）（a)簡(jiǎn)支梁;(b)彎矩圖;(c)實(shí)心梁;(d)空心梁。

　　(4)采用封閉截面結(jié)構(gòu)代替焊接截面結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的點(diǎn)焊或搭焊截面結(jié)構(gòu)中,存在著焊接的法蘭邊,質(zhì)量增加,同時(shí)由于焊點(diǎn)的存在,結(jié)構(gòu)的疲勞性能低。

　　例如,對(duì)于同一個(gè)76.2mm×63.5mm的截面,分別采用三種不同的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如下圖所示,其中圖(a)為氬弧焊搭接結(jié)構(gòu),圖(b)為法蘭點(diǎn)焊結(jié)構(gòu),圖(c)為整體封閉截面結(jié)構(gòu)。

　　從減重效果來(lái)看,采用封閉截面結(jié)構(gòu)代替搭接結(jié)構(gòu),可以減重9%;代替法蘭點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)減重效果更明顯,可以減重21%。

　　二、內(nèi)高壓成形優(yōu)點(diǎn)：

　　由于內(nèi)高壓成形能加工沿著構(gòu)件軸線截面形狀和尺寸不同的封閉空心截面零件,可以綜合上述四種輕體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)途徑,達(dá)到減輕質(zhì)量、節(jié)約材料和簡(jiǎn)化工藝的目的。從工藝技術(shù)角度,內(nèi)高壓成形與沖壓焊接工藝相比的主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　(1)減輕質(zhì)量,節(jié)約材料。

　　前面舉例詳細(xì)介紹了內(nèi)高壓成形件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的方法。下表是汽車(chē)上采用沖壓焊接件與內(nèi)高壓成形件的產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比總體來(lái)說(shuō),對(duì)于框、梁類(lèi)結(jié)構(gòu)件,內(nèi)高壓成形件比沖壓件減輕20%~40%;對(duì)于空心軸類(lèi)件可以減輕40%~50%。

　　(2)減少零件和模具數(shù)量,降低模具費(fèi)用。

　　內(nèi)高壓成形件通常僅需要一套模具,而沖壓件大多需要多套模具。副車(chē)架零件由6個(gè)減少到1個(gè);散熱器支架零件由17個(gè)減少到10個(gè)。

　　(3)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),裝配工序由13道減少到6道,生產(chǎn)率提高66%。

　　(4)提高強(qiáng)度與剛度,尤其提高疲勞強(qiáng)度。

　　仍以散熱器支架為例,垂直方向提高39%,水平方向提高50%。

　　(5)材料利用率高。

　　內(nèi)高壓成形件的材料利用率為90%-95%,而沖壓件材料利用率僅為60%~70%。

　　(6)降低生產(chǎn)成本。

　　根據(jù)德國(guó)某公司對(duì)已應(yīng)用零件統(tǒng)計(jì)分析,內(nèi)高壓成形件比沖壓件平均降低15%-20%,模具費(fèi)用降低20%-30%。

　　封閉截面和搭焊截面結(jié)構(gòu)(mm)(a)MIG焊搭接結(jié)構(gòu)；(b)點(diǎn)焊搭接結(jié)構(gòu)；(c)整體封閉截面結(jié)構(gòu)；

　　沖壓件與內(nèi)高壓成形件的質(zhì)量對(duì)比

　　三、內(nèi)高壓成形的主要缺點(diǎn):

　　①由于內(nèi)壓高,需要大噸位液壓機(jī)作為合模壓力機(jī)。例如,對(duì)于內(nèi)徑100m和長(zhǎng)度2.5m的管材,當(dāng)成形壓力100MPa時(shí),合模力25000KN;當(dāng)成形壓力200MPa時(shí),合模力50000KN

　　②高壓源及閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)復(fù)雜,造價(jià)高。

　?、塾捎诔尚稳毕莺捅诤穹植寂c加載路徑密切相關(guān),零件試制研發(fā)費(fèi)用高,必須充分利用數(shù)值模擬進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

　　【興迪源機(jī)械內(nèi)高壓設(shè)備優(yōu)勢(shì)】

　　興迪源機(jī)械是以?xún)?nèi)高壓成形技術(shù)為核心，以?xún)?nèi)高壓成形機(jī)、內(nèi)高壓水脹成形機(jī)、內(nèi)高壓板材充液成形機(jī)、內(nèi)高壓三通機(jī)等設(shè)備為主導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家。公司建立有液力內(nèi)高壓成形機(jī)械工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，并與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、南京航天航空大學(xué)等院校開(kāi)展長(zhǎng)期的科研課題開(kāi)發(fā)合作。

　　自2007年創(chuàng)立以來(lái)，興迪源機(jī)械一直致力于內(nèi)高壓成形的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)。主營(yíng)產(chǎn)品范圍從生產(chǎn)普通液壓設(shè)備，現(xiàn)今發(fā)展至生產(chǎn)、研發(fā)國(guó)內(nèi)頂尖流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備。