隨著超高壓動密封技術......



隨著超高壓動密封技術和超高壓計算機控制技術的突破，實現(xiàn)了生產(chǎn)條件下400MPa以上超高壓穩(wěn)定密封和對加載曲線高精度快速響應的閉環(huán)控

制，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代先進內高壓成形技術。
這一技術的特點是：（1）成形壓力高達400MPa；（2）內壓與軸向位移按給定加載路徑進行計算機控制；（3）內高壓成形可以一次整體成形

沿構件軸線截面有變化的復雜結構件，零件精度高。
哈爾濱工業(yè)大學液力成形工程研究中心系統(tǒng)地開展了內高壓成形機理、工藝、模具及設備的相關研究。不僅研究了成形極限、應力應變分布等

工藝基礎理論，還解決了預成形設計和壁厚控制、超高壓建立及實時控制、高壓穩(wěn)定密封等工藝與設備的關鍵技術。目前，已經(jīng)應用于汽車底

盤零件和排氣管、鋁合金管件等的實際生產(chǎn)。
內高壓成形原理和分類
按零件種類可以分為三類，第一類為變徑管件，軸線為直線或彎曲度很小的二維曲線，截面形狀多為圓形或矩形，因管件或截面周長差較大，

成形時軸向需要補料；第二類，零件的軸線為二維或三維曲線零件，截面形狀為矩形、多邊形或異形，成形時軸向不需要補料；第三類為三通
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管、四通管或多通管件，其中難度較大是非對稱的Y型三通管件。
內高壓成形的優(yōu)點和適用范圍
對于空心變截面構件，傳統(tǒng)制造工藝一般為先沖壓成形二個半片再焊接成整體。內高壓成形的特點是可以一次整體成形沿構件軸線截面有變化

的空心構件。與沖壓焊接工藝相比，內高壓成形主要優(yōu)點：(1)減輕質量，節(jié)約材料。對于汽車上副車架、散熱器支架等典型產(chǎn)品，內高壓成

形件比沖壓件減輕20%-40%。對于空心階梯軸類可以減輕40%-50%； (2)減少零件和模具數(shù)量，降低模具費用。內高壓件通常僅需要一套模具，

而沖壓件大多需要多套模具。副車架零件由6個減少到1個；散熱器支架零件由17個減少到10個； (3)可減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量。以散

熱器支架為例，散熱面積增加43%，焊點由174個減少到20個，工序由13道減少到6道，生產(chǎn)率提高66%；(4)提高強度與剛度，尤其疲勞強度。
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散熱器支架剛度垂直方向提高39%；水平方向提高50%； (4) 降低生產(chǎn)成本。根據(jù)德國某公司對已應用零件統(tǒng)計分析，內高壓件比沖壓件平均

降低15%-20%，模具費用降低20%-30%。
內高壓成形適用于制造沿構件軸線變化的圓形、矩形或異型截面空心構件。在汽車上應用零件種類包括：（1）底盤類零件：副車架、后軸、

縱梁和保險杠等； (2) 車體構件：儀表盤支梁、散熱器支架、座椅框、上邊梁和頂梁等；(3) 發(fā)動機與驅動系統(tǒng)：岐管和排氣管件、凸輪軸

和驅動軸等；(4)轉向和懸掛系統(tǒng)：控制臂和轉向桿等。
適用材料包括碳鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金及鎳合金等，原則上適用于冷成形的材料均適用于內高壓成形工藝。
大截面差零件內高壓成形
圖1為一種雙錐形管件。該件的成形難度來自于兩方面：（1）最大截面差達120%，接近材料均勻延伸率的3倍；（2）非對稱，變形不均勻，需

要特殊形狀的預成形坯。材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti管材。零件中部減薄量最大，達到19%。

軸線為曲線的變截面件內高壓成形
軸線為曲線的零件，往往需要在不同位置成形出不同的截面形狀，其截面差并不大，但是截面形狀復雜多變，有的為矩形、梯形，有的為多邊

形、異型截面示，尤其小圓角部位的成形更是關鍵。圓角和直邊過渡區(qū)的局部減薄和開裂是此類零件成形的典型缺陷。
圖2為一個典型的軸線為曲線的變截面構件，其成形過程為CNC彎曲－預成形－內高壓成形，獲得各個不同位置的多個截面形狀。

圖3 Y型三通管（左）和排氣岐管

Y型三通管件內高壓成形
Y型三通管件與T型三通管相比，由于形狀的不對稱，成形過程中兩端的補料量不同，枝杈壁厚控制更加困難。
采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼管，成形出枝杈高度為40mm，接近管材直徑的Y型管件，如圖3所示。成形件最薄點位于枝杈的最高點C點，厚度為1.3mm

（初始壁厚2mm）。

1. 異型截面鋁合金管件
圖4是用內高壓成形制造的異型截面鋁合金管件。在零件彎曲部位外側壁厚最薄，易在該部位發(fā)生開裂缺陷。通過合理的預成形可以改善壁厚

分布，獲得合格零件。
2. 鋁合金變徑管內高壓成形
采用材料為5A02鋁合金管材，規(guī)格Φ65mm×1.5mm。該管材如通過直接脹形僅可達10%的截面膨脹率，而零件截面差達35.4%。為了保證成形件

的壁厚分布，提出利用“有益皺紋”改善壁厚分布的方法。通過這一“有益皺紋”方法能夠大幅改善成形性能，膨脹率達到35.4%，壁厚減薄

不大于10%，如圖5所示。
3. 空心軸類件內高壓成形
圖6為空心雙拐曲軸內高壓成形件。通過控制加載曲線實現(xiàn)軸向補料，控制壁厚均勻性和避免開裂、起皺等缺陷的形成，成形出預成形件；再

經(jīng)二次預成形改變危險截面的形狀，從而控制管坯變在最終內高壓成形過程中的變形順序，獲得空心曲軸。
4. 汽車結構件
圖7為克萊斯勒300轎車儀表盤支架和底盤前橋的內高壓成形件。儀表盤支架長度達1600mm，前橋管材直徑則為76.3mm。這兩個零件是首次采用

中國研制的管材、工藝和設備、并通過實現(xiàn)國產(chǎn)化的批量生產(chǎn)得到的。
組合式凸輪軸
圖8是用內高壓液力裝配技術制造的組合式凸輪軸。發(fā)動機凸輪軸傳統(tǒng)制造工藝是采用圓鋼棒料（或楔橫軋坯料）車削出凸輪外形或鑄造出凸

輪軸外形，然后經(jīng)粗磨和精磨加工出成品。近年來，隨著發(fā)動機結構的改進，凸輪軸潤滑方式由浸油潤滑改為中心孔通油到軸頸潤滑。在實心

軸上鉆削細長中心孔十分困難、時間長、成本高。對于鑄造凸輪軸，由于鑄造組織偏析，性能不均勻，使細長中心孔鉆削更加困難，經(jīng)常發(fā)生

鉆偏或鉆頭卡斷。
內高壓成形機
可見，凸輪軸的傳統(tǒng)制造工藝既耗費大量材料又浪費機加工時間，效率低成本高。為此，提出了預先鍛造或鑄造加工出凸輪，然后用鋼管通過

超高壓脹接裝配成整軸的新方法，從根本上克服了傳統(tǒng)制造工藝的缺點。
目前中國尚沒有專門生產(chǎn)內高壓成形機的企業(yè)，為研發(fā)內高壓件新產(chǎn)品并達成其在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣，哈工大液力成形工程中心已發(fā)展出系列