早在20世紀(jì)50年代，液壓脹管已用于生產(chǎn)管路中使用的銅合金T型三通管和自行車車架上的連接件，所用成形壓力小于25MPa,可生產(chǎn)的零件形狀簡單、精度低，主要問題是工藝參數(shù)可控性差?，F(xiàn)代內(nèi)高壓成形與早期的液壓脹管工藝本質(zhì)區(qū)別在于：

①成形壓力高，工業(yè)生產(chǎn)壓力一般達到400MPa,有時達到1000MPa。

②工藝參數(shù)可控，內(nèi)壓與軸向位移按給定加載曲線實現(xiàn)計算機閉環(huán)控制，超高壓力控制精度達到0.2-0.5MPa,位移控制精度達到0.05mm。零件形狀復(fù)雜、精度高，可以整體成形三維曲線異形截面復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，主要用于汽車和飛機等機器零件的制造。

有兩個方面的技術(shù)突破促進了內(nèi)高壓成形的發(fā)展：一是水介質(zhì)超高壓動密封技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)條件下400MPa以上長時間超高壓穩(wěn)定密封；

二是超高壓計算機閉環(huán)控制技術(shù)，不但要實現(xiàn)對給定加載曲線高精度的跟蹤，而且控制系統(tǒng)快速響應(yīng)和反饋，以保證最快在30s左右完成個加工零件。

汽車結(jié)構(gòu)減重以節(jié)約燃料、降低廢氣排放和提高車身整體安全性的需求促進了內(nèi)高壓成形技術(shù)的快速發(fā)展。

20世紀(jì)80代初，德國和美國的研究機構(gòu)和有關(guān)公司系統(tǒng)地開展了內(nèi)高壓成形的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)。在德國，開展研究的大學(xué)主要有帕德伯恩大學(xué)和斯圖加特大學(xué)，開展設(shè)備和零件研制的公司主嬰有 Schuler公司、SPS公司和AP&T公司。在美國，開展研究和應(yīng)用的主要有俄亥俄州立大學(xué)通用汽車公司(GM)、Van-Fom公司和 Hydrodynamic公司。德國帕德伯恩大學(xué)的 Dohmann教授是最早開始真正意義上的現(xiàn)代內(nèi)高壓成形技術(shù)基礎(chǔ)研究的學(xué)者，他在 Journal of Materials Processing Technology雜志上發(fā)表的幾篇代表性論文，成為內(nèi)高壓成形技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。

內(nèi)高壓成形技術(shù)應(yīng)用的主要行業(yè)有汽車、航空航天、自行車和管路等。汽車是內(nèi)高壓成形技術(shù)應(yīng)用最廣泛的行業(yè)，在汽車上應(yīng)用零件種類包括：

①底盤類零件，包括副車架、后軸、縱梁和保險杠等；

②車體構(gòu)件，包括儀表盤支梁、散熱器支架、座椅框、上邊梁和頂梁等；

③發(fā)動機與驅(qū)動系統(tǒng)，包括歧管和排氣管件、凸輪軸和驅(qū)動軸等；

④轉(zhuǎn)向和懸掛系統(tǒng)，包括控制臂和轉(zhuǎn)向桿等。在飛機上的應(yīng)用有空心框梁、發(fā)動機上中空曲軸和異形管件等。

在航天上應(yīng)用火箭動力系統(tǒng)管路接頭和異形截面進氣道等。1990年，美國Van-Fom公司采用內(nèi)高壓成形技術(shù)為克來斯勒汽車公司的小型商用車生產(chǎn)了儀表盤支果該件是世界上第一個批量生產(chǎn)的汽車內(nèi)高壓成形結(jié)構(gòu)件。1994年，福特汽車公司的 Conlour和 Mystique車型采用的副車架是北美地區(qū)第一個批量生產(chǎn)的汽車內(nèi)高壓成形底盤件。德國奔馳汽車公司于1993年建立了其內(nèi)高壓成形車間生產(chǎn)汽車底盤零件和各種結(jié)構(gòu)件，隨后大眾公司和寶馬公司等歐洲汽車廠商開始在多個車型上應(yīng)用了內(nèi)高壓成形件。

德國、美國和目本等國家的許多學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和工藝實驗系統(tǒng)地研究了失效形式與加載路徑的關(guān)系、成形區(qū)間與成形極限，壁厚分布，管材性能測試和FLD建立、各向異性的影響、高壓下的摩擦行為及預(yù)成形坯優(yōu)化等基礎(chǔ)理論問題。

根據(jù)塑性變形特點，本書作者較早提出把內(nèi)高壓成形分為變徑管、彎曲軸線管和多通管三類進行系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。

在變徑管內(nèi)高壓成形方面,給出了缺陷形成機制、壁厚分布規(guī)律和壁厚分界圓，提出了“有益皺紋”作為預(yù)制坯的方法，并給出了“有益皺紋”需要滿足的兒何和力學(xué)條件，研制了低碳鋼、不銹鋼和鋁合金變徑管；在彎曲軸線管內(nèi)高壓成形方面,把復(fù)雜截面抽象為矩形、梯形和長橢圓形三種典型截面，研究了典型截面過渡圓角充填行為、壁厚分布規(guī)律、缺陷形式及防止措施，提出了利用內(nèi)凹形預(yù)成形坯降低整形壓力的方法，并將其應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)件的研制中；在多通管內(nèi)高壓成形方面,針對Y型斜三通管，研究了內(nèi)壓與位移匹配、補料比和中間沖頭結(jié)構(gòu)形式及后退速度對成形的影響，試制了薄壁不銹鋼和大直徑鋁合金斜三通管。為了揭示內(nèi)高壓成形的塑性變形規(guī)律，針對三類內(nèi)高壓成形過程，給出了不同成形階段、不同部位應(yīng)力應(yīng)變特點和典型點應(yīng)力軌跡。

變徑管的結(jié)構(gòu)特點是中間一處或幾處的管徑大于兩端，常用于汽車排氣管、飛機和火箭管路系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上看，變徑管又可以分為對稱和非對稱兩種形式，如圖1-7所示。非對稱變徑管又有上下不對稱、左右不對稱和完全不對稱三種結(jié)構(gòu)形式。膨脹率是衡量變徑管內(nèi)高壓成形技術(shù)水平和難度的一個重要指標(biāo)，是指從原始管材周長成為零件最大截面周長的變化率，它與零件材料成形區(qū)長度、潤滑和加載路徑有關(guān)。

對于塑性好的材料和成形區(qū)長度為管徑2倍的對稱結(jié)構(gòu)變徑管，在最佳加載路徑的條件下最大膨脹率可以達到100%，圖1-7(a)所示是德國SPS公司試制的不同膨脹率的變徑管。對于鋁金和低合金高強鋼材料，最大膨脹率通常小于50%。

對于同樣材料和成形區(qū)長度，非對稱變徑管山于變形的不均勻，成形難度大于對稱結(jié)構(gòu)，低碳鋼非對稱變徑管的膨脹率一般小于60%。圖1-7(b)所示的上下非對稱結(jié)構(gòu)變徑管，通過次預(yù)成形后膨脹率為75%。為了獲得較大的膨脹率，非對稱變徑管和低塑性材料通常需要一定形狀的預(yù)成形坯。

圖1-7典型變徑管件(來源：德國SPS公司)

(a)對稱結(jié)構(gòu)變徑管；(b)不對稱變徑管。

　　采用“有益皺紋”作為預(yù)成形壞預(yù)先在成形區(qū)聚料，使得左右非對稱低碳鋼管的膨脹率達到75%，5A02鋁合金對稱管的膨脹率達到35%，該鋁合金材料延伸率僅為12%。空心軸是變徑管的種特殊結(jié)構(gòu)，其特點是壁厚大，壁厚范圍在4-8mm;材料強度高，多為低合金高強鋼或中碳鋼，因此成形壓力高、變形不均勻、難度大。德國SPS公司用內(nèi)高壓成形技術(shù)制造 Wankel航空發(fā)動機空心曲軸。該軸材料為13CrMo,壁厚6mm,與實心軸相比減重48%。

彎曲軸線異形截面空心結(jié)構(gòu)件的軸線是二維或三維曲線，典型截面形狀包括矩形、梯形、橢圓形以及這些形狀之間的過渡形狀。圖1-8是兩個典型的彎曲軸線異形截面空心結(jié)構(gòu)件。副車架主管件是內(nèi)高壓成形技術(shù)最具有代表性的異形截面構(gòu)件。

圖1—8(a)是德國 Schuler公司用內(nèi)高壓成形技術(shù)大批量制造的轎車副車架主管件。該件是一個典型三維曲線異形截面空心結(jié)構(gòu)件與沖壓件相比，內(nèi)高壓成形件零件數(shù)量由6個減少1個、質(zhì)量減輕30%、生產(chǎn)成本降低20%和模具造價降低60%。圖1-8(b)是一個軸線為二維曲線、截面非常復(fù)雜的空心結(jié)構(gòu)件。對于轎車上應(yīng)用的內(nèi)高壓成形結(jié)構(gòu)件，管材外徑通常不大于100mm,壁厚一般不超過3mm。

目前世界上最長的低碳鋼內(nèi)高壓成形件是美國通用汽車公司制造的長度12m的卡車縱梁。最長的鋁合金內(nèi)高壓成形件是volvo大吉普上使用的縱梁，長度達到5m、鋁管直徑達到100mm,如圖1-9所示。直徑和壁厚最大的內(nèi)高壓成形件是瑞典APT公司制造的長度為1.8m的重型卡車后軸，直徑達到了200m,壁厚達到了10mm,質(zhì)量達到了60kg。

　圖1-8彎曲異形截面空心結(jié)構(gòu)件(來源：德國 Schuler公司)

　　(a)副車架主管件；(b)邊框梁。

　　多通管結(jié)構(gòu)形式有T形三通管、Y形三通管、X形(十字)四通管和六通管等。在各種多通管中，Y形三通管為上下左右非對稱結(jié)構(gòu)，成形難度最大。

多通管內(nèi)高壓成形的主要指標(biāo)是支管高度，T形三通管支管高度可以達到1倍原始管徑，Y形三通管支管高度可以達到0.75倍原始管徑。由于不銹鋼和鋁合金多通管壁厚越來越薄，成形初期容易起皺使得內(nèi)高壓成形難度加大，對壓力和位移匹配控制精度要求更高。目前，對于外徑在30-50mm范圍的管材，最薄的壁厚能達到約1mm。

圖1-9鋁合金內(nèi)高壓成形件

　　液壓沖孔是完成零件內(nèi)高壓成形后，在內(nèi)壓支撐下在零件上直接沖孔。其優(yōu)點是在零件內(nèi)部的高壓液體相當(dāng)于軟凹模，支撐管壁不發(fā)生塌陷，在不能放置剛性凹模部位液壓沖孔的優(yōu)點更為突出。圖1-8(a)所示副車架上的孔就是采用液壓沖孔技術(shù)加工的。目前，液壓沖孔最大直徑在20mm左右，沖孔最大壁厚3~4mm,一次同時沖孔數(shù)量多達10個以上。

液力脹接是以液體介質(zhì)在軸管內(nèi)加載產(chǎn)生局部變形，實現(xiàn)軸管和多個套環(huán)一次性整體連接的工藝方法，已經(jīng)用于制造空心凸輪軸等軸類件。

　　【興迪源機械內(nèi)高壓成形設(shè)備優(yōu)勢】

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

自2007年創(chuàng)立以來，興迪源機械一直致力于內(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)國內(nèi)流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備。

部分文段和圖片摘自：

《現(xiàn)代液壓成形技術(shù)》

作者：苑世劍

由興迪源機械編輯

版權(quán)歸原作者所有

如若侵權(quán)請聯(lián)系刪除