汽車輕量化是汽車未來發(fā)展的主流趨勢(shì)，內(nèi)高壓成形技術(shù)就是在這種趨勢(shì)下發(fā)展起來的輕量化制造方法，它是利用液體壓力作用于管坯內(nèi)部，使管壁在內(nèi)部液體壓力的作用下貼覆模具型腔，由此制造出在軸線方向具有不同截面形狀的管狀部件。傳統(tǒng)的制造方法是用板坯沖壓成兩個(gè)半槽，然后焊接到一起。這種制造方法會(huì)導(dǎo)致零件焊接變形，重量增加，零件設(shè)計(jì)方法單一。用液壓內(nèi)高壓成形的方法可以制造出截面更加復(fù)雜的管狀部件，而且形成封閉的截面，減少了制造工序、模具數(shù)量和焊縫的數(shù)量，提高了零件整體性，提供了靈活的截面設(shè)計(jì)方法，提高了零件的強(qiáng)度、剛度和尺寸精確性，回彈較小，并且顯示出了很明顯的減重效果。

　　一、內(nèi)高壓成形的原理：

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　　1.內(nèi)高壓成形原理

　　管材內(nèi)部充入高壓液體，使其作用在管材內(nèi)表面，同時(shí)在軸向力的輔助下進(jìn)行補(bǔ)料，使管材外壁充分貼覆到模具型腔。管材內(nèi)高壓成形工藝主要由以下步驟組成：將管坯放入模具型腔，模具閉合；對(duì)管材兩端用密封沖頭密封，將高壓液體通過沖頭進(jìn)入管材內(nèi)部，在高壓液體的作用下管材外壁逐步接近并貼覆型腔；待管坯外壁大部分貼覆模具后，增大液體壓力，使其圓角等局部難以成形的部位充分貼覆型腔，最后獲得需要的零件。

　　2.管件內(nèi)高壓成形技術(shù)缺陷

　　管件內(nèi)高壓成形過程中由于材料、模具、工藝條件不合理等因素，常會(huì)導(dǎo)致成形過程中出現(xiàn)起皺、破裂、屈曲等缺陷。

　　（1）起皺 主要是因?yàn)閮?nèi)壓力不足、軸向進(jìn)給量過大而引起的。起皺的數(shù)量、高度與加載路徑、管坯幾何尺寸等有關(guān)。起皺分為有益起皺和有害起皺兩種。有害起皺將形成死皺，在后序中無法消除，但是有些合理幾何形狀的起皺，即有益起皺是必要的，因?yàn)檫@些起皺在內(nèi)高壓成形過程中有利于零件的成形。（2）破裂 因內(nèi)部壓力過高、軸向進(jìn)給量不足，或二者的匹配不合理，使管壁迅速變薄產(chǎn)生局部變薄以至破裂的現(xiàn)象。為避免破裂，應(yīng)該使管壁在發(fā)生縮頸前貼覆模具。

　?。?）屈曲 在成形過程初始階段，軸向載荷高、內(nèi)壓力低，模具中的管坯自由段長(zhǎng)、導(dǎo)向段短而引起管坯的整體彎曲。它可以通過合理選擇管坯長(zhǎng)度，選擇合適的預(yù)成形工藝，調(diào)節(jié)成形過程中的參數(shù)來避免。

　　二、內(nèi)高壓成形生產(chǎn)線關(guān)鍵因素：

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　　1.內(nèi)高壓成形用液壓機(jī)

　　建立一條內(nèi)高壓生產(chǎn)線，需要具備數(shù)控彎管機(jī)、預(yù)成形設(shè)備、數(shù)控液壓機(jī)、切管設(shè)備等，最基本的設(shè)備是數(shù)控液壓機(jī)。數(shù)控液壓機(jī)主要由合模機(jī)構(gòu)、水平軸向進(jìn)給液壓缸、高壓源、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)等組成。其中合模機(jī)構(gòu)主要是提供開合模具的作用；軸向進(jìn)給液壓缸的主要作用是對(duì)管端進(jìn)行密封，并且可以提供給料力。由于普通的液壓泵最多能夠提供50MPa的壓力，而內(nèi)高壓成形過程中需要的壓力往往能夠達(dá)到300～400MPa，因此在管件脹形過程中需要配置增壓機(jī)構(gòu)來提供脹形高壓。另外液壓機(jī)還配有水壓系統(tǒng)在脹形時(shí)提供脹形液體，并對(duì)其進(jìn)行回收和過濾。成形過程中的各類參數(shù)，如成形過程中的內(nèi)壓和軸向進(jìn)給的路徑匹配則通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制并且能夠預(yù)先設(shè)定。

　　為進(jìn)一步提高單件生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)時(shí)間，國(guó)外有些公司制造了短行程液壓機(jī)。除了具有典型液壓機(jī)的配置外，該機(jī)床開合模機(jī)構(gòu)采用單獨(dú)的上液壓缸，能夠完成模具快速開合模。兩側(cè)的定位缸則通過定位機(jī)構(gòu)在滑塊和上部橫梁之間起到定位作用。通過底部?jī)蓚€(gè)液壓缸提供閉合壓力，并且僅僅脹形時(shí)造成機(jī)身，模具變形形成間隙，因此其行程非常小，生產(chǎn)率較高。

　　國(guó)際上能夠提供內(nèi)高壓成形成套技術(shù)與設(shè)備的制造商多數(shù)集中在歐洲，如德國(guó)舒勒公司、SPS公司；另外日本的AP&T和TOYO TA&NIPPONSTEEL等公司也研發(fā)了系列內(nèi)高壓成形液壓機(jī)，并研發(fā)了一種機(jī)械鎖模結(jié)構(gòu)，很適合大長(zhǎng)度、大體積的零件生產(chǎn)。我國(guó)一汽集團(tuán)技術(shù)中心也研發(fā)了一種適合批量生產(chǎn)的數(shù)控液壓機(jī)，已經(jīng)申請(qǐng)專利。哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了最大壓力可達(dá)400MPa的數(shù)控液壓機(jī)，并且可以配備不同規(guī)格的水平液壓缸，已用于工業(yè)生產(chǎn)。

　　2.管件預(yù)處理工藝

　　對(duì)于軸線具有空間幾何形狀的零件，在內(nèi)高壓成形之前，需要進(jìn)行預(yù)彎曲。另外，對(duì)于截面形狀復(fù)雜的零件，管坯彎曲后需要進(jìn)行預(yù)成形工藝，即將彎曲后的管坯截面變成有利于內(nèi)高壓成形的形狀。這樣可以預(yù)先配置管材材料分布，有利于內(nèi)高壓成形工序。另外，在預(yù)彎曲和預(yù)成形后，材料內(nèi)部會(huì)存留殘余應(yīng)力，導(dǎo)致成形工序中材料變形不均勻，甚至在成形過程中發(fā)生破裂。因此，在管坯預(yù)彎曲和預(yù)成形時(shí)要注意保證管坯材料厚度均勻。為減少殘余應(yīng)力，可以增加熱處理工序（如退火）來消除內(nèi)部殘余應(yīng)力。

　　三、液壓成形用模具：

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　　1.模具結(jié)構(gòu)

　　管件內(nèi)高壓成形模具主要結(jié)構(gòu)有上模板、下模板以及起密封沖頭和軸向給料機(jī)構(gòu)。管內(nèi)高壓液體起到凸模的作用。模具的作用是提供封閉的凹模型腔，對(duì)膨脹后的管材外壁進(jìn)行約束，使其在高壓液體的作用下充分貼覆模具型腔。液壓成形設(shè)備一般擁有兩個(gè)方向以上的液壓缸。模具的組成結(jié)構(gòu)可以有三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，一些科研單位針對(duì)枝形零件研發(fā)了可以進(jìn)行模塊運(yùn)動(dòng)的模具，通過模塊的運(yùn)動(dòng)和管材內(nèi)部高壓液體的共同作用來完成管材的成形。通過模具模塊的運(yùn)動(dòng)來提高零件成形質(zhì)量是內(nèi)高壓成形工藝中較為關(guān)鍵的問題。另外，模具通常采用鑲塊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)模具各部位耐磨性、強(qiáng)度、工作條件的不同采用不同的材料和工藝進(jìn)行加工，這樣既提高了模具結(jié)構(gòu)的可加工性，又提高了模具結(jié)構(gòu)的維修性能，滿足了經(jīng)濟(jì)性能要求。模具常用的材料主要有45鋼和其他性能優(yōu)良的合金模具鋼。生產(chǎn)中應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)量的大小、工作狀況等因素選擇合理的模具材料。

　　2.模具潤(rùn)滑

　　內(nèi)高壓成形過程中，管壁外側(cè)在內(nèi)部高壓液體的壓力下會(huì)緊緊貼在送料導(dǎo)向型面上，導(dǎo)致管壁的摩擦增大，影響到軸向補(bǔ)料。管材在逐步貼近模具型腔的過程中與型腔的接觸摩擦也會(huì)增大，導(dǎo)致管材局部過度變薄。另外，由于模具導(dǎo)向區(qū)表面質(zhì)量不好，對(duì)零件表面產(chǎn)生傷害，影響零件的表面質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)模具的時(shí)候應(yīng)該考慮導(dǎo)向區(qū)和型腔的減摩擦技術(shù)，采用合適的潤(rùn)滑方式，減少摩擦，為軸向補(bǔ)料和局部成形提供良好的條件。

　　四、管件液壓成形材料：

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　　內(nèi)高壓成形技術(shù)對(duì)管材的性能要求很高，要求管材成形后能夠滿足其使用性能要求。因此，對(duì)管材的性能指標(biāo)如屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、材料硬化指數(shù)等要求較高。

　　在汽車工業(yè)上用于內(nèi)高壓成形的材料主要為低碳鋼、不銹鋼和輕合金等，如低碳鋼（1010、1008），鋁合金(5019－O、5754－O、6060－T4、6063－T4、6082－T4)，他們主要用于車體部件。不銹鋼管304、309等主要用于排氣系統(tǒng)，它們抗拉強(qiáng)度約為300～450M Pa。另外相關(guān)部門試圖采用DP鋼（雙相鋼）和TRIP鋼（相變誘生塑性鋼）進(jìn)行內(nèi)高壓成形，與傳統(tǒng)的管材不同的是這兩類管材抗拉強(qiáng)度達(dá)到1000MPa，但是延伸率卻降低了10%左右。成形難度增加，容易開裂。因此對(duì)于DP鋼和TRIP鋼的利用需要對(duì)其制造工藝進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提高塑性。

　　對(duì)于內(nèi)高壓成形用鋼管，膨脹率較小的零件，通過內(nèi)高壓成形的方式較容易獲得，成形后管材壁厚變薄較小，不會(huì)影響到零件的使用性能。但是，成形率過高的零件，在成形過程中會(huì)導(dǎo)致管材局部過度變薄，以致影響到了零件的使用性能，通過軸向補(bǔ)料的方式也很難彌補(bǔ)。因此，一些研究部門開始對(duì)內(nèi)高壓成形用鋼管制造進(jìn)行了專門的研究，采用沿軸線方向具有不同壁厚的異壁厚管材進(jìn)行內(nèi)高壓成形，旨在保證能夠得到管壁均勻的零件。在對(duì)異壁厚管的成形進(jìn)行了大量有限元模擬和試驗(yàn)對(duì)照的基礎(chǔ)上，指出采用異壁厚管能夠提高管材的成形性能，提高零件的質(zhì)量，并且指出這種通過增加管坯的局部厚度的方式，并不會(huì)使零件的重量增加，采用異壁厚管為解決管材內(nèi)高壓成形局部變薄的問題提供了新的思路。圖6為模擬與實(shí)案對(duì)比。

　　利用內(nèi)高壓成形技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，首先應(yīng)當(dāng)考慮使用怎樣的材料制造產(chǎn)品，同時(shí)在該種材料的情況下，具有工藝可行性，并且能夠滿足其汽車的行駛要求。

　　五、結(jié)語(yǔ)：

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　　汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向之一，而內(nèi)高壓成形技術(shù)為汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)提供了可行的工藝方案。本文對(duì)管件內(nèi)高壓成形技術(shù)的基本原理、材料、內(nèi)高壓生產(chǎn)線等相關(guān)方面進(jìn)行了介紹，以期這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

　　【興迪源機(jī)械液壓技術(shù)優(yōu)勢(shì)】

　　興迪源機(jī)械嚴(yán)格按照ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管理體系和5S管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和內(nèi)部管理。建立有 “河南省流體壓力成形智能裝備工程技術(shù)研究中心”，核心團(tuán)隊(duì)由數(shù)10名博士、碩士和各高等院校金屬成形專家教授組成，專注于液壓成形核心技術(shù)和產(chǎn)品工藝研發(fā)。

　　興迪源機(jī)械與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、南京航空航天大學(xué)等院校開展長(zhǎng)期的產(chǎn)、學(xué)、研合作，并共同設(shè)立了“液壓成形技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范基地”，時(shí)刻跟蹤國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)，不斷提升“興迪源”液壓設(shè)備品牌價(jià)值。