內(nèi)高壓成型彎曲工藝有壓彎、滾彎和CNC彎曲(繞彎)。彎曲半徑大、形狀簡單的二維曲線通常采用壓彎和滾彎工藝，對于比較復雜的軸線形狀、三維曲線，就需要用CNC彎曲工藝。

　　CNC彎曲，它是一種先進的繞彎工藝，可以實現(xiàn)三維復雜軸線管彎曲，能連續(xù)進行不同角度的彎曲，具有質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高等特點。CNC彎曲要先把管材軸線的形狀輸入到彎曲機數(shù)控系統(tǒng)中，然后由數(shù)控程序控制彎曲機利用管材繞模具旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)管材自動彎曲的加工方法。

　　汽車行業(yè)常常用到內(nèi)高壓成形彎曲工藝，如：汽車零部件多為空心結(jié)構(gòu)件，截面及軸線形狀復雜，相對于傳統(tǒng)的焊接工藝，內(nèi)高壓成型能夠有效地實現(xiàn)部分零件的整合，減少焊縫，零件的可靠性得到大幅提高。而鋁合金質(zhì)量輕、比強度高，適用于汽車車身、輪轂和副車架等汽車結(jié)構(gòu)件。

　　汽車車身圖

　　應(yīng)用內(nèi)高壓成形技術(shù)和鋁合金管材成形的副車架，通過材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化2種途徑使汽車質(zhì)量有效減輕，這種內(nèi)高壓成形工藝已成為汽車節(jié)能減排的重要途徑之一。

　　副車架

　　通常在內(nèi)高壓成形之前需要通過CNC彎管技術(shù)使其預成形為具有空間彎曲軸線的基本形狀，再整體成形出具有復雜截面和空心結(jié)構(gòu)的副車架。應(yīng)用這種技術(shù)的有：寶馬5系使用了第一款內(nèi)高壓鋁合金底盤件，奧迪A2和A8使用6014鋁合金管制備了車身上的變截面頂蓋橫梁，使構(gòu)件質(zhì)量顯著減輕近40%。

　　興迪源機械利用先進內(nèi)高壓成形工藝一次成形的發(fā)動機中冷管：

　　管材胚料CNC預彎成形有限元分析

　　采用液壓(內(nèi)高壓)成形技術(shù)

　　一次成形中冷管的有限元分析

　　管材在CNC彎曲過程會產(chǎn)生回彈、截面畸變以及內(nèi)側(cè)受壓失穩(wěn)起皺、外側(cè)受拉開裂等缺陷，對于多道次大角度數(shù)控彎曲，回彈會嚴重影響管件的成形精度，在隨后的內(nèi)高壓成形過程中會產(chǎn)生咬邊缺陷，所以通常需要在CNC彎曲時進行適當角度的補償。

　　汽車排氣歧管3D示意圖

　　為了得到管材在CNC彎曲時合適的回彈量，Liao等研究人員采用了各向同性、動態(tài)各向同性和各向異性3種硬化模型進行多級繞彎時的回彈分析，發(fā)現(xiàn)模型的選擇對多級繞彎回彈起著重要的作用，其中動態(tài)各向同性硬化模型預測回彈與實驗值較接近，最大相差為1.11%。

　　而Li等研究人員則通過數(shù)值模擬及實驗研究了6061-T4鋁合金管材冷彎時的回彈角、回彈半徑與彎角的影響;證實了回彈角隨著彎角增加而線性增加，回彈半徑隨著彎角增加在0°~90°時線性減小，在90°~180°隨著彎角增加基本不發(fā)生變化;并利用各向異性硬化模型對回彈角進行了預測，其預測值略高于實驗值，最大相差1.67%。在CNC彎曲時，截面畸變也是比較容易出現(xiàn)的典型缺陷。在多步成形中，截面畸變直接影響后續(xù)成形的預制坯形狀，從而影響最終件的成形質(zhì)量。

　　寇永樂等研究人員則針對CNC彎曲中截面畸變的影響因素進行了研究，指出增加芯頭個數(shù)和芯棒伸出量、壓塊無潤滑有利于減小彎管的截面畸變。CNC彎曲中另一個典型的缺陷是起皺，不僅影響其成形性能，而且影響美觀，所以在CNC彎曲時要盡量避免。

　　Chen等研究人員通過Dynaform數(shù)值模擬和實驗研究了20mm×2mm的5A02鋁合金管起皺的影響因素，指出管與模具間隙盡量小(小于0.2mm)，助推速度不小于彎曲模的線速度，有利于減緩起皺，另外壓模助推位移越小，相對彎曲半徑越大，彎曲速度越小，起皺趨勢就越小。

　　本研究中鋁合金內(nèi)高壓成形的成形工藝為CNC彎曲后內(nèi)高壓成型，其中CNC彎曲作為預彎對鋁合金管件內(nèi)高壓成型起著至關(guān)重要的作用。

　　試件及成形工藝

　　鋁合金管件首先需要進行CNC預彎，使其具有基本的空間彎曲軸線，可以放入內(nèi)高壓成形模具的型腔中，再進行內(nèi)高壓成形，成形至最終形狀。預彎使用XXX控制臂彎管機，預彎件形狀如圖A所示，芯球與管內(nèi)壁、防皺板與管外壁及內(nèi)高壓成形時模具型腔與管外壁均用航空潤滑油進行潤滑處理。內(nèi)高壓成形后管件形狀如圖A(b)所示。彎曲模具設(shè)計為3層，分別與彎管中的3個彎角對應(yīng)。剛性芯軸外徑為69.00mm，使用一個芯球，其外徑為68.40mm;聚氨酯芯軸外徑為69.00mm。

A. 預彎件(a)和內(nèi)高壓成形管件(b)　

　　本次實驗的內(nèi)高壓成形可運用興迪機械THF系列內(nèi)高壓成形設(shè)備進行。

　　興迪源機械 XD-THF內(nèi)高壓成型液壓設(shè)備

　　廣泛應(yīng)用于航天航空、核電、石化、發(fā)動機管件、汽車管件、自行車管件等生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)高壓成形設(shè)備主要針對管材成形，如:飛行器輕體構(gòu)件、發(fā)動機中空軸件、汽車支管、單車支架管、排氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等產(chǎn)品。

　　彎曲缺陷對鋁合金管內(nèi)高壓成形的影響

　　1、截面畸變的影響

　　管材在彎曲時，在彎矩的作用下，中性層外側(cè)受到拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受到壓應(yīng)力，二者的合力使管件法向直徑減小，橫向直徑增大，管件截面由圓形變?yōu)榻茩E圓，即發(fā)生畸變。在管徑、彎曲半徑及潤滑條件不變的情況下，通過不帶芯頭的聚氨酯芯棒和帶有一個芯頭的剛性芯棒分別進行CNC彎曲，得到了2種具有不同不圓度的截面，如圖B所示。其中聚氨酯芯棒的好處是可以使管件內(nèi)部避免劃痕，但得到的彎管截面不圓度較大;帶有一個芯頭的剛性芯棒的好處是得到的彎管截面不圓度較小，但與管件內(nèi)部發(fā)生硬接觸，容易在彎曲過程產(chǎn)生內(nèi)部劃痕。

　　B. 彎管截面

　　(a)使用聚氨酯芯棒;

　　(b)使用帶有一個芯頭的剛性芯棒

　　2、起皺的影響

　　當管徑較大，彎曲半徑較小時，管壁內(nèi)側(cè)所受的切向壓應(yīng)力大大增加，管壁內(nèi)側(cè)極易發(fā)生起皺失穩(wěn)。在不改變彎曲模具和彎曲速度的情況下，模具間隙不合理會導致起皺的產(chǎn)生。如圖C所示，在預彎件的第三個彎角內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了起皺，皺紋的相鄰波峰之間的平均距離為12.20mm，表面峰谷的平均高度為1.32mm，如圖C(a)所示。

　　C. 管件起皺現(xiàn)象

　　(a)CNC彎管;

　　(b)內(nèi)高壓成形件

　　將帶有皺紋的預彎件進行內(nèi)高壓成形，此處截面膨脹量為1.92%，成形后管件如圖C(b)所示，內(nèi)高壓成形并沒有使管件的皺紋脹平，此時皺紋的相鄰波峰之間的平均距離為12.24mm，表面峰谷的平均高度為0.64mm。由此可知，此時的內(nèi)高壓成形并沒有消除預彎產(chǎn)生的皺紋，但在脹形的過程中管件不斷貼模，使起皺表面的峰谷的高度降低，使皺紋減輕。

　　為了使內(nèi)高壓成形件避免出現(xiàn)起皺，需要在預彎過程及時避免。在不改變彎曲模具和彎曲速度的情況下，調(diào)整防皺板的位置，使防皺板與管件更加貼合，增加彎管內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力，從而抑制了起皺的發(fā)生。將無皺的預彎件進行內(nèi)高壓成形，最終獲得的內(nèi)高壓成形件如圖D所示。

　　D. 鋁合金內(nèi)高壓成形件

　　3、回彈的影響

　　當管材預彎未加以回彈補償時，內(nèi)高壓成形模具合模時在管件一側(cè)出現(xiàn)了咬邊缺陷，如圖E所示，若不解決咬邊問題，會使模具邊緣啃傷，需要對彎角進行回彈補償。為了獲得任意角度彎角的回彈值，建立管材塑性彎曲的理論模型和材料的冪指數(shù)模型，結(jié)合力矩平衡方程和全應(yīng)變理論，推導任意彎角的回彈理論值。

　　E. 6063鋁合金預彎件出現(xiàn)的咬邊缺陷

部分文段和圖片摘自：

《預彎對鋁合金管材內(nèi)高壓成形缺陷與尺寸精度的影響》

作者：蔡洋，王小松，苑世劍

《現(xiàn)代液壓成形技術(shù)》

作者：苑世劍

由興迪源機械編輯

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