隨著超高壓動(dòng)密封技術(shù)......



隨著超高壓動(dòng)密封技術(shù)和超高壓計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)條件下400MPa以上超高壓穩(wěn)定密封和對(duì)加載曲線高精度快速響應(yīng)的閉環(huán)控

制，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代先進(jìn)內(nèi)高壓成形技術(shù)。
這一技術(shù)的特點(diǎn)是：（1）成形壓力高達(dá)400MPa；（2）內(nèi)壓與軸向位移按給定加載路徑進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制；（3）內(nèi)高壓成形可以一次整體成形

沿構(gòu)件軸線截面有變化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，零件精度高。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)液力成形工程研究中心系統(tǒng)地開展了內(nèi)高壓成形機(jī)理、工藝、模具及設(shè)備的相關(guān)研究。不僅研究了成形極限、應(yīng)力應(yīng)變分布等

工藝基礎(chǔ)理論，還解決了預(yù)成形設(shè)計(jì)和壁厚控制、超高壓建立及實(shí)時(shí)控制、高壓穩(wěn)定密封等工藝與設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。目前，已經(jīng)應(yīng)用于汽車底

盤零件和排氣管、鋁合金管件等的實(shí)際生產(chǎn)。
內(nèi)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(zhǎng)差較大，

成形時(shí)軸向需要補(bǔ)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(shí)軸向不需要補(bǔ)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(duì)稱的Y型三通管件。
內(nèi)高壓成形的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍
對(duì)于空心變截面構(gòu)件，傳統(tǒng)制造工藝一般為先沖壓成形二個(gè)半片再焊接成整體。內(nèi)高壓成形的特點(diǎn)是可以一次整體成形沿構(gòu)件軸線截面有變化

的空心構(gòu)件。與沖壓焊接工藝相比，內(nèi)高壓成形主要優(yōu)點(diǎn)：(1)減輕質(zhì)量，節(jié)約材料。對(duì)于汽車上副車架、散熱器支架等典型產(chǎn)品，內(nèi)高壓成

形件比沖壓件減輕20%-40%。對(duì)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(fèi)用。內(nèi)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(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)，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，尤其疲勞強(qiáng)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(guó)某公司對(duì)已應(yīng)用零件統(tǒng)計(jì)分析，內(nèi)高壓件比沖壓件平均

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

縱梁和保險(xiǎn)杠等； (2) 車體構(gòu)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(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：岐管和排氣管件、凸輪軸

和驅(qū)動(dòng)軸等；(4)轉(zhuǎn)向和懸掛系統(tǒng)：控制臂和轉(zhuǎn)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(nèi)高壓成形工藝。
大截面差零件內(nèi)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(dá)120%，接近材料均勻延伸率的3倍；（2）非對(duì)稱，變形不均勻，需

要特殊形狀的預(yù)成形坯。材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti管材。零件中部減薄量最大，達(dá)到19%。

軸線為曲線的變截面件內(nèi)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(fù)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(guān)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(gè)典型的軸線為曲線的變截面構(gòu)件，其成形過程為CNC彎曲－預(yù)成形－內(nèi)高壓成形，獲得各個(gè)不同位置的多個(gè)截面形狀。

圖3 Y型三通管（左）和排氣岐管

Y型三通管件內(nèi)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(duì)稱，成形過程中兩端的補(bǔ)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(diǎn)位于枝杈的最高點(diǎn)C點(diǎn)，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(nèi)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(cè)壁厚最薄，易在該部位發(fā)生開裂缺陷。通過合理的預(yù)成形可以改善壁厚

分布，獲得合格零件。
2. 鋁合金變徑管內(nèi)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(dá)10%的截面膨脹率，而零件截面差達(dá)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(dá)到35.4%，壁厚減薄

不大于10%，如圖5所示。
3. 空心軸類件內(nèi)高壓成形
圖6為空心雙拐曲軸內(nèi)高壓成形件。通過控制加載曲線實(shí)現(xiàn)軸向補(bǔ)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(yù)成形件；再

經(jīng)二次預(yù)成形改變危險(xiǎn)截面的形狀，從而控制管坯變?cè)谧罱K內(nèi)高壓成形過程中的變形順序，獲得空心曲軸。
4. 汽車結(jié)構(gòu)件
圖7為克萊斯勒300轎車儀表盤支架和底盤前橋的內(nèi)高壓成形件。儀表盤支架長(zhǎng)度達(dá)1600mm，前橋管材直徑則為76.3mm。這兩個(gè)零件是首次采用

中國(guó)研制的管材、工藝和設(shè)備、并通過實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的批量生產(chǎn)得到的。
組合式凸輪軸
圖8是用內(nèi)高壓液力裝配技術(shù)制造的組合式凸輪軸。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，凸輪軸潤(rùn)滑方式由浸油潤(rùn)滑改為中心孔通油到軸頸潤(rùn)滑。在實(shí)心

軸上鉆削細(xì)長(zhǎng)中心孔十分困難、時(shí)間長(zhǎng)、成本高。對(duì)于鑄造凸輪軸，由于鑄造組織偏析，性能不均勻，使細(xì)長(zhǎng)中心孔鉆削更加困難，經(jīng)常發(fā)生

鉆偏或鉆頭卡斷。
內(nèi)高壓成形機(jī)
可見，凸輪軸的傳統(tǒng)制造工藝既耗費(fèi)大量材料又浪費(fèi)機(jī)加工時(shí)間，效率低成本高。為此，提出了預(yù)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(diǎn)。
目前中國(guó)尚沒有專門生產(chǎn)內(nèi)高壓成形機(jī)的企業(yè)，為研發(fā)內(nèi)高壓件新產(chǎn)品并達(dá)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