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，實現了生產條件下400MPa以上超高壓穩定密封和對加載曲線高精度快速響應的閉環控

制，從而產生了現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。
哈爾濱工業大學液力成形工程研究中心系統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、高壓穩定密封等工藝與設備的關鍵技術。目前，已經應用于汽車底

盤零件和排氣管、鋁合金管件等的實際生產。
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。
內高壓成形的優點和適用范圍
對于空心變截面構件，傳統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，內高壓成形主要優點：(1)減輕質量，節約材料。對于汽車上副車架、散熱器支架等典型產品，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) 降低生產成本。根據德國某公司對已應用零件統計分析，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) 發動機與驅動系統：岐管和排氣管件、凸輪軸

和驅動軸等；(4)轉向和懸掛系統：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、并通過實現國產化的批量生產得到的。
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。發動機凸輪軸傳統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，然后經粗磨和精磨加工出成品。近年來，隨著發動機結構的改進，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，經常發生

鉆偏或鉆頭卡斷。
內高壓成形機
可見，凸輪軸的傳統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制造工藝的缺點。
目前中國尚沒有專門生產內高壓成形機的企業，為研發內高壓件新產品并達成其在工業生產中的推廣，哈工大液力成形工程中心已發展出系列