胀形及其应用：毛坯形状如何改变？

1.胀形成形特点

胀形是属于拉伸类的成形方法，主要有圆柱形空心毛坯或管状毛坯的胀形（见图3-170中的胀肚成形）和用于平板毛坯的局部胀形（见图3-171中的起伏成形）。

胀形时，板料毛坯的塑性变形局限在一个固定的变形区内，板料既不向变形区以外转移，也不从外部进入变形区内。如图3-172所示的变形过程只局限于直径为d的圆周区域以内，而其以外的环形区域并不参与变形，凸缘部分的材料由于压边力而产生的巨大摩擦力作用下无法运动，该区域材料处于不流动的状态。只有中心区域在凸模（橡胶或液体）的作用下，板料在该变形区内发生伸长变形，即表面积增加，板料厚度减薄。因而，胀形是依靠板料厚度变薄而使坯料表面积增加，最终成形立体零件的方法。

图3-170 凸肚

图3-171 起伏成形

胀形变形区内板料形状的变化主要是由其表面积的局部增大来实现的，根据体积不变原则，胀形时毛坯厚度不可避免地要减薄。由于在胀形过程中材料的逐渐伸长，变形最剧烈的部分材料减薄最厉害，最终必然出现缩颈甚至破裂，因而使胀形的胀形量受到一定的限制。因此，可以认为板料在产生缩颈前的变形也就是胀形的有效变形。此外，因为在胀形过程中，变形区内材料处于拉应力状态，所以，在一般情况下，变形区的毛坯不会产生塑性失稳而出现起皱现象，所制出的零件表面光滑，质量较好。同时又由于靠近毛坯内表面和外表面部位上的拉应力之差较小，即在所谓厚度方向上，其拉应力的分布比较均匀，卸载时的弹性回复也很小，因而容易得到尺寸精度较高的零件。根据该工艺的这一特点，有时在冲压成形之后采用胀形的方法，对冲压零件进行校形，以提高冲件的尺寸精度。

图3-172 胀形过程

板料在模具的作用下，主要通过材料的拉伸变薄，将其局部形成凸起或凹陷，从而改变了毛坯或工件的形状，这种方法称为起伏成形。该工序属于局部胀形过程，主要通过材料的变薄伸长，将其局部形成凸起或凹陷，从而改变了毛坯或工件的形状。由于起伏成形依靠材料的拉伸而在变形区内产生局部的变形，它与普通拉深工艺有一定的不同，其区别在于：普通拉深时，凸缘部分的材料要产生径向流动，并转移到制件的侧壁；而对于宽凸缘的拉深成形，当零件的凸缘宽度大于某数值后，凸缘部分不再产生明显的塑性流动，毛坯的外缘尺寸在成形前后保持不变。零件的成形将主要依靠凸模下方及附近区域材料的拉薄，其极限成形高度与毛坯直径不再有关，这一阶段也就是起伏成形阶段。起伏成形与宽凸缘拉深的分界点取决于材料的应变强化率、模具几何参数和压边力的大小，其分界点的d/D₀在0.35～0.38之间（见图3-173）。在图3-173中，曲线以上为破裂区，曲线以下为安全区，线上为临界状态。此外，板料的起伏成形极限受到材料塑性的限制，因此，对塑性太差的材料或变形程度太大时，都可能在起伏成形的变形过程中产生裂纹。根据工件形状的复杂程度和材料的性质不同，起伏成形可以用一次或多次冲压来完成。

图3-173 拉深与起伏成形的分界曲线

2.胀形成形过程应力应变状态分析

利用应变分析的网格法，测量零件上各点（见图3-174中的点0、1、2、3、4）的应变量，可得到与图3-174b所示胀形方法对应的应变分布图和应变状态图，如图3-174所示。

图3-174 胀形过程的应变分布图和应变状态图

a）应变分布图 b）应变状态图

图3-175 胀形成形极限图

应变分布图是冲压成形时零件上各点或局部各点的应变分布情况图（见图3-174a），应变状态图是零件上各点或局部各点的应变在二维主应变平面上的分布状况图（见图3-174b）。成形方式、工艺条件和材料性能的改变，都会引起应变分布图和应变状态图的变化。利用应变分布图和应变状态图可以分析冲压变形区的应变情况，寻求改善板料塑性流动的措施，以解决冲压成形时的各种失稳、破裂等问题。例如，将胀形时的应变状态图与板料的成形极限图（或称FLD）对比（见图3-175），如果零件上某点的应变量超出成形极限图的应变范围，则可认为该点就是发生破裂的危险点，必须采取相关措施（如改变毛坯或模具的几何条件、调整压边力、修磨模具圆角、改变润滑条件或更换原材料等）降低该点应变量，以保证不发生破裂。

通过分析图3-174可知，变形区内平行于板料平面的径向应变ε_ρ和切向应变ε_θ基本上都大于零（只是在凹模圆角附近，材料向凹模内流动时，才有一些ε_ρ小于零的现象，但其值接近零），导致各点厚度减薄（ε_t＜0），因此变形区各点的承载能力，即强度在胀形过程中不断下降，一旦变形区某点的拉应力超过了该点材料的抗拉强度，该点就会发生破裂。通常，把这种因材料强度不足而引起的破裂叫做α破裂。

3.胀形成形极限

因为在胀形过程中，材料承受的主要是拉应力，常见的缺陷是零件破裂，因此，胀形成形极限应以零件是否发生破裂作为判据。胀形破裂一般发生在板料厚度减薄率最大的部位，胀形过程中应变越均匀，材料厚度减薄也就越均匀，则相应地获得的胀形高度越高，所以，变形区的应变分布是影响胀形成形极限的重要因素之一。

若零件的形状和尺寸不同，胀形时变形区的应变分布也不同，图3-176展示了用球头凸模和平头凸模胀形时的厚度应变分布情况。显然，球头凸模胀形时，应变分布比较均匀，各点的应变量都比较大，能获得较大的胀形高度，故胀形成形极限较大，而平底凸模胀形时，由于在凸模底部金属流动比较困难，应变分布不均匀，故胀形成形极限较小。

材料的伸长率和应变硬化指数n对胀形成形极限的影响也很大。材料的伸长率越大，材料允许的变形程度越大，胀形成形极限也大。n值大，则材料的应变硬化能力强，胀形过程中可促使应变分布趋于均匀化，同时还能提高材料的局部应变能力，因此，胀形成形极限也越大。

润滑条件、变形速度以及材料厚度对胀形成形极限也有一定的影响。例如，用刚性凸模胀形时，如果在毛坯和凸模之间施加良好的润滑（如加垫一定厚度的聚乙烯薄膜），则其应变分布要比干摩擦时均匀，胀形高度也相应地增加了。光洁的模具表面也有利于胀形高度增大。刚性凸模胀形时，成形速度大，摩擦系数减小，有利于成形时应变分布的均匀化，胀形高度也会增大。值得注意的是，刚性凸模胀形时，应尽量增大凸模底部的圆角半径，避免板料在圆角处变形过于集中，否则会显著降低一次胀形的胀形高度。一般来说，材料厚度增大，胀形成形极限有所增大，但材料厚度与零件尺寸比值较小时，其影响不太显著。

图3-176 胀形时的厚度应变分布

图3-177 经过起伏成形的油箱盖

4.起伏成形

经过起伏成形的制件，由于惯性矩的改变和材料的加工硬化作用，有效地提高了制件的强度和刚度，而且外形美观。常见的起伏成形有压加强筋、压凸包、压字和压花纹等。起伏成形工艺大多数采用金属模具压制。对于较薄材料的工件，也有用橡皮模、聚氨酯橡胶模或液压装置成形的。图3-177所示为经过起伏成形的油箱盖。

（1）压制加强筋 加强筋的压制，广泛地应用于汽车、飞机、仪表和无线电等工业中。起伏成形时材料承受的主要是拉应力，当材料的塑性好、硬化指数较大时，起伏成形的极限变形程度较高。凡是使变形区变形均匀、降低危险部位应变值的各种因素均能提高起伏极限变形程度，如合理的凸模形状、良好的润滑条件等。当材料塑性差或变形程度太大时，都可能引起板料局部减薄严重而产生裂纹，因此一次起伏的极限变形程度是有限度的。根据零件形状的复杂程度和材料性质的不同，起伏成形可以由一次或多次工序完成。材料在一次加强筋成形工序中的极限变形程度为

式中 ε_p——起伏成形极限变形程度；

L₁——起伏后变形区的截面长度；

L——起伏前变形区的截面长度；

δ——材料的伸长率。

L₁、L如图3-178所示。系数0.7～0.75需要根据起伏件的形状而定，半圆形加强筋取较大值，梯形加强筋取较小值。

图3-179所示为冲压加强筋时材料的伸长率曲线，曲线1是伸长率的计算值，划斜线部分（曲线2）是实际测量的伸长率，由于靠近加强筋处的材料也承受拉伸力，故其值略低。由图3-179和式（3-89）可知，加强筋的相对高度与材料的起伏极限变形程度有关，同时也受材料伸长率的影响，材料的伸长率越大，一次压制加强筋的极限变形程度就越大，可压制的加强筋的高度就越大。

表3-57列出了常用加强筋的形式及其关键尺寸。当计算结果不符合式（3-89）这个条件时，加强筋不能一次成形，则需要采用多次冲压工艺，如图3-180所示。

图3-178 加强筋的变形程度

图3-179 冲制加强筋时材料的伸长率曲线

图3-180 两道工序完成的加强筋

a）预成形 b）最终成形

表3-57 常用加强筋的形式和尺寸（单位：mm）

注：表中数值下限为极限尺寸，上限为正常尺寸。

压制加强筋所需的压力可按下式近似计算，即

F＝LtR_mK （3-90）

式中 F——压制加强筋时所需的力（N）；

L——加强筋长度（mm）；

t——材料厚度（mm）；

R_m——材料的抗拉强度（MPa）；

K——系数，与筋的宽度及深度有关，取值在0.7～1.0之间，对于窄而深的局部起伏，K取大值，对于宽而浅的局部起伏，K取小值。

在曲柄压力机上用薄料（厚度小于1.5mm）对小零件（面积小于2000mm²）作起伏成形时，其压力可用以下经验公式计算，即

F＝AKt² （3-91）

式中 A——起伏成形的面积（mm²）；

K——系数，对于钢材为200～300N/mm⁴，黄铜为150～200N/mm⁴；

t——材料厚度（mm）。

在直角形零件上的压筋，也属于局部胀形工艺过程、起伏成形的一种，它可以提高零件的强度和刚性，一般用于机箱和支架之类的零件中。其压筋的形状和尺寸如图3-181和表3-58所示，此时的模具结构形式和模具工艺参数的选择与起伏成形相似。

图3-181 直角形零件压筋的形式

表3-58 直角形零件压筋的尺寸（单位：mm）

（2）压制凸包 冲压凸包如图3-182所示，其成形特点与拉深工艺不同。如果毛坯直径与凸模直径的比值小于4，成形时毛坯凸缘将会收缩，属于拉深成形；若该比值大于4，则毛坯凸缘不易收缩，属于胀形性质的起伏成形（也称为压凸包）。

冲压凸包时，凸包极限高度受到材料塑性的限制，不可能太大，表3-59列出了平板坯料局部冲压凸包时的极限成形高度。凸包极限成形高度与凸模的形状及摩擦润滑条件有关。例如，采用球头凸模压制凸包时，凸包高度最大可达球径的1/3，而采用平底凸模压制凸包时，凸包极限高度相应较小。其原因是平底凸模的底部圆角半径r_p太小，凸模下面的材料不容易流动，摩擦力较大。凸包深度主要取决于底部圆角半径r_p，凸模底部圆角半径r_p越大，则越有利于凸包高度的增大。改善凸模头部的润滑条件，也有利于增大凸包的极限成形高度。

图3-182 冲压凸包示意图

表3-59 平板坯料局部冲压凸包时的极限成形高度（单位：mm）

如果制件要求的凸包高度超出表3-59所列的数值，则可用类似于多道工序压加强筋的方法冲压凸包。可先用球形凸模将制件预成形到一定深度后，然后再用平底凸模将其成形到所要求的高度。

如果局部成形的变形量较大，单靠凸包部分的材料变薄是不够的，凸包底部容易出现破裂，需要相邻的材料流动来补充，因此，必须先成形凸包部分，然后成形周围部分。若制件底部中心允许有孔，可以预先冲出小孔，使其中心部分的材料在冲压过程中向外流动，这样可以避免压制凸包高度过大时变形量超过材料的极限伸长率而造成材料的破裂。

多个凸包冲压成形时，还要考虑到凸包之间的互相影响，凸包之间的极限距离见表3-60。

表3-60 起伏间的距离和起伏距边缘的极限尺寸（单位：mm）

5.圆柱形空心坯料胀形技术

（1）圆柱形空心坯料胀形方法 将圆柱形空心坯料在内部压力作用下向外扩张而形成空心曲面形状零件的冲压加工方法称为圆柱形空心坯料胀形。胀形一般发生在空心坯料的圆筒部位，通过该部位直径不同程度地扩大，使其局部向外凸起，成形各种不同用途的零件，使用这种方法可以制造许多形状复杂的零件，如高压气瓶、波纹管、三通管接头、汽车车门框架、发动机空心凸轮轴、发动机支架、后桥半轴、排气系统管件以及火箭发动机上的一些异形空心件。

如图3-183所示，圆形空心坯料胀形根据变形区范围不同分为两种应变状态。图3-183a所示的胀形件，其变形区局限于坯料中段或封闭段，坯料的外形有效尺寸H₀比变形区轮廓尺寸r大得多，故曲面方向上为两向拉应变状态；图3-183b所示的胀形件，其变形区几乎是整个坯料或开口端部，材料在轴向上可自由收缩，故在曲面方向上为径向拉伸、轴向收缩的应变状态。

根据胀形时凸模使用材料的不同，在工业实际应用中常用的胀形方法分为刚性模胀形法、橡皮模胀形法和液压成形法三大类。

图3-183 空心坯料胀形的两种应变状态

a）轴向不收缩的坯料 b）轴向收缩的坯料

1）刚性模胀形。分块式刚性模胀形如图3-184所示，凸模2由扇形分块组成，套在锥形心轴4上。锥形心轴的锥角一般选用8°、10°、12°、15°，当凸模2向下滑动时，各个模块向外胀开，扩张坯料5而成形到所要求的形状。分块刚性模胀形时，凸模和坯料之间的摩擦力使材料的变形不均匀，降低了胀形系数的极限值，因此，刚性模胀形精度较差，成形的零件存在明显的棱角，难以得到精度较高的旋转体制件。此外，由于凸模需要分瓣，模具结构比较复杂，模具制造困难，不易加工形状复杂的制件，因此这种胀形方法在实际生产中的应用较少。

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图3-184 刚性模胀形

1—上凹模 2—分块凸模 3—下凹模 4—锥形心轴 5—坯料

2）橡皮模胀形。橡皮模胀形也叫做软模胀形，其基本原理是在空心坯料中装入橡胶等软弹性体，将其作为凸模，在其上端施加压力后，使得这些软介质发生变形，从而压迫空心坯料向外扩张，在外层凹模的限制作用下得到所需要形状的空心零件，如图3-185所示。凹模则采用刚塑性材料，为便于取出制件，凹模通常由两块或多块组合而成。凸模材料广泛采用聚氨酯橡胶，这种橡胶强度高，弹性和耐油性好。由于橡皮模胀形可使零件的变形比较均匀，容易保证零件的几何形状，便于加工形状复杂的空心件，故生产中应用较广。

图3-185 橡皮模胀形

1—上凹模 2—制件 3—凸模 4—下凹模 5—垫块

图3-186所示为用聚氨酯橡胶胀形方法制作自行车用接头的例子，此零件过去是采用板料经热冲压工艺或用精密铸造工艺成形的，其工艺流程长，生产条件恶劣，质量很难保证。而采用聚氨酯橡胶胀形，零件外观质量好，尺寸精度高，合格率高，生产效率高，劳动条件得到改善，将逐步淘汰板料热冲和精密铸造工艺。此零件用ϕ39mm×2.5mm的管材，切成100mm长的空心管坯，经磷化—皂化处理后即可压制成形。聚氨酯胶棒尺寸为ϕ32mm×100mm，胀形时用上下凸模同时作用于坯料和胶棒，在凸模挤压聚氨酯胶棒使零件成形的同时，上下凸模的边缘推动管状坯料流动，以补充成形需要的材料。

3）液压成形。液压成形（Hydroforming）是指利用液体作为传力介质或借助模具使工件成形的一种塑性加工技术，也称为液力成形。按使用液体介质的不同，可将液压成形分为水压成形和油压成形。水压成形使用的介质为纯水或由水添加一定比例乳化油组成的乳化液；油压成形使用的介质为液压传动油或机油。液压成形的基本工艺过程如图3-187所示，以无缝管件或焊接管件为坯料（有时需要将管坯预弯成接近零件的形状），然后管坯两端的压头在液压缸的作用下压入，将管件内部密闭，液体通过压头内的小孔通道不断流入管坯。与此同时，上模向下移动，与下模共同形成封闭的模腔，最后管坯腔内的液体压力不断增大（其成形压力一般大于500MPa，有时甚至超过1000MPa），同时压头向内推动管坯，管坯在给定型腔内逐渐变形，最终得到所需形状的零件。

图3-186 聚氨酯橡胶胀形

图3-187 液压成形的基本过程

a）填充阶段 b）成形阶段 c）整形阶段

液压成形特别适用于制造汽车行业中沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或异形截面空心构件、空心轴类件和复杂管件等。原则上适用于冷成形的材料均适用于液压成形工艺，如碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金及镍合金等。影响液压成形件质量的因素较多，包括管件原料的选择（材料与尺寸）、成形模具的设计、成形过程中内部液体压力、轴向载荷的大小与控制、内压与轴向进给的合理匹配关系、润滑剂的选用等，如果其中一项选用不当，就将引起成形零件产生起皱、破裂等缺陷。

液压成形是一种加工空心轻体件的先进工艺方法，该项技术具有以下优点：

①减轻重量，节约材料。采用液压成形技术可以一次成形复杂形状的零件，减少了结构的零件数量与焊接重量，而且可以使用更少的材料，所以液压成形技术的节材减重效果十分显著。液压成形件较传统的冲压焊接件可减轻重量20%～30%，与车削、镗孔零件比较，可减轻重量40%～50%，最多甚至可达75%。

②提高零件产品质量。由于在成形过程中材料发生了加工硬化，因此可以提高制件的强度和刚度，尤其是疲劳强度，而且成品的壁厚均匀，尺寸精度高，整体质量得到改善。

③可减少后续机械加工和组装焊接工作量。对于复杂形状的部件，可减少零件数，节省焊接、组装道次及后处理工作量。以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174个减少到20个，装配工序由6道减少到3道，生产率提高66%。

④降低生产成本。一般冲压件需要多套模具才能成形，而液压成形通常仅需要一套模具，如采用液压成形件，汽车用后副车架零件由6个减少到1个。美国Ford公司1994年推出的Mondeo车型的前车架结构件，由于采用液压成形技术，模具数量由原来的32副减少到3副，模具费用减少了37%。

目前，随着汽车工业、航空航天工业的迅速发展，减轻结构质量以节约运行中的能量是人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术发展的趋势之一。因此，液压成形技术是一项具有良好应用前景的高新技术。

（2）胀形变形程度及变形力的计算

1）胀形变形程度的计算。坯料上的擦伤、划痕、皱纹等缺陷容易导致胀形过程中零件的开裂，空心坯料胀形过程中最为常见的破坏形式是零件开裂，胀形时的变形程度可用胀形系数表示，即

式中 d_max——胀形后零件的最大直径；

d₀——圆筒毛坯的原始直径。

不同材料的极限胀形系数和切向许用伸长率见表3-61，影响极限胀形系数的主要因素是材料的塑性，用作胀形的毛坯，一般已经过几次冷作成形工序（如弯曲），金属已有冷作硬化现象，应在胀形前退火，以恢复材料的塑性。如果胀形的形状有利于均匀变形和补偿，材料厚度大，变形区局部施加压力等，可以不同程度地提高极限变形程度。如果在对毛坯径向施加压力的同时，还在轴向施加压力，胀形的极限变形程度也可以增大。对毛坯进行局部加热（变形区加热）也会显著增大可能的极限变形程度，而坯料上的各种表面损伤、不良润滑等，均能降低变形程度。铝管毛坯胀形时，由试验确定的极限胀形系数见表3-62。

表3-61 极限胀形系数和切向许用伸长率

注：如果毛坯是经过滚弯焊接的有缝钢管，在焊缝处材料塑性最低，比原材料低15%～20%，为防止材料过度变薄而破裂，必须使最大变形区材料的伸长率δ_θ比表中所列伸长率δ_θp低20%。

表3-62 铝管毛坯的胀形系数

2）胀形毛坯的计算。圆柱形空心毛坯胀形时，为增加材料在圆周方向的变形程度和减少材料的变薄，毛坯两端一般不固定，使其能自由收缩（见图3-183b），因此，毛坯长度L₀应比制件长度增加一定的收缩量，毛坯的原始长度L₀（见图3-188）计算式为

L₀＝L[1＋（0.3～0.4）δ_θ]＋Δh （3-93）

式中 L——制件的母线长度；

δ_θ——制件切向的最大伸长率，；

Δh——修边余量，一般取10～20mm。

毛坯的原始直径计算式为

3）胀形力的计算。胀形可以采用机械分瓣式结构的模具或用橡皮成形、液压成形等方法来进行。其胀形力的计算方法也因加工形式的不同而有所不同。

①采用机械分瓣式模具时胀形力的计算。机械分瓣式结构模具的受力情况如图3-189所示。假设制件为直径D、高度H的筒形件，模具的凸模部分是由n个分瓣所组成的，这时，在总的压力作用下，每个凸模分瓣上的分力为P/n，当锥形心轴的半锥角为β时，心轴对凸模的反作用力为Q，单位胀形力为p。这时，每一凸模分瓣对冲件的胀形力为：。考虑到摩擦力和μQ的影响，每一凸模分瓣受力后的平衡方程式为

垂直方向

水平方向

图3-188 圆柱形空心毛坯胀形工件展开尺寸

图3-189 机械分瓣式结构模具的受力情况

将上述两个方程式联立，并将、代入式（3-95）、式（3-96），则可求得

在采用机械分瓣式结构的模具情况下所需的压力为

式中 H——胀形件的高度（mm）；

t——胀形件的厚度（mm）；

R_m——胀形件材料的抗拉强度（MPa）；

μ——摩擦系数，一般取0.15～0.2；

β——心轴的半锥角，一般取8°、10°、12°、15°。

为方便起见，胀形时变形力P的大小也可按下式进行近似计算，即

式中 t——胀形件的厚度（mm）；

R_m——胀形件材料的抗拉强度（MPa）；

d₀——毛坯最大变形部分的直径；

A——胀形面积（mm²），对圆柱空心件，A＝πDH。

②液压成形时胀形力的计算。当采用液压成形方式进行胀形时，单位压力p与胀形件的形状、材料厚度以及材料的力学性能等因素都有关。为了简化计算，只考虑圆周方向的拉应力，而忽略掉母线方向的应力。取变形区内任意高度的环条带进行分析（见图3-190），从半环的平衡条件可得

经运算化简并整理后，得

图3-190 液压成形时的受力情况

当材料处于塑性变形的状态时，必须有σ₁＞σ_s，考虑到材料硬化的影响，上述的计算可用R_m代替σ₁。这样，当采用液压成形方式的胀形工序时，其单位压力为

式中 p——胀形时液体的单位压力；

t——材料厚度（mm）；

D——胀形件的最小直径（mm）；

R_m——胀形件材料的抗拉强度（MPa）。

在实际的生产中，考虑到各种具体因素的影响，将上式进行某些修正。修正后的经验公式为

式中 σ_s——胀形件材料的屈服强度（MPa）。

（3）管材胀形工艺应用实例 采用液压成形技术成形的多通管接头是各种管路系统中不可缺少的管件之一，广泛应用于电力、化工、石油、船舶、机械等行业中。图3-191所示为用Y形三通管制造的汽车发动机排气歧管，其中的三通管零件尺寸如图3-192所示。采用液压成形技术制造的排气歧管与铸造的排气歧管相比，具有内壁光滑、壁厚薄和质量轻等优点，铸造的排气歧管壁厚一般为3～4mm，内高压成形的歧管壁厚为1.5～2mm，减重在50%以上。与冲焊结构排气歧管相比，采用整体Y形三通管代替两个管插焊结构，具有焊接量少、变形小和可靠性高等优点。

图3-191 不锈钢排气歧管

图3-192 Y形三通管零件尺寸

Y形三通管液压成形基本工艺过程如图3-193所示，三通管液压成形模具由上模、下模、左冲头、右冲头和中间冲头组成。首先将空心管材放入下模，闭合上、下模具后，向管内充满液体，用左右冲头进行密封，然后在左右冲头施加轴向力补料，同时在管内施加一定的压力来使管材成形。三通管的成形工艺过程分为三个阶段：成形初期（见图3-193a），中间冲头不动，左右冲头进行轴向补料的同时，向管材内施加一定的内压，支管顶部尚未接触中间冲头，处于自由胀形状态。成形中期（见图3-193b），支管顶部与中间冲头开始接触，内压继续增加，按照给定的内压与三个冲头匹配的曲线（见图3-193d），左右冲头继续进给补料，中间冲头开始后退，后退中要保持与支管顶部接触，并对支管顶部施加一定的反推力，以防止支管顶部的过度减薄造成开裂，在这一阶段已经完成支管高度的成形，但支管顶部过渡圆角尚未成形。成形后期（见图3-193c），左右冲头停止进给，中间冲头停止后退，迅速增加内压进行整形，使支管顶部过渡圆角达到设计要求。

图3-193 Y形三通管内液压成形工艺过程

a）初期（自由胀形阶段） b）中期（支管成形阶段） c）后期（整形阶段） d）冲头位移与内压的匹配关系

图3-194所示为Y形三通管壁厚分布规律，该Y形三通管的原始壁厚为2mm，材料为不锈钢，支管角度为45°。成形后零件左右两侧过渡区圆角处增厚比较大，从过渡区圆角处到支管顶部，支管逐渐减薄。壁厚不变线为V形，位于支管中下部，减薄主要在支管上部区域，其余部位均增厚，支管顶部左侧圆角附近最薄。壁厚最大点在左侧过渡区圆角A点处，壁厚为3.2mm，增厚率为60%；壁厚最薄点在支管顶部C点处，壁厚为1.16mm，最大减薄率为38%。最终成形的Y形三通管零件如图3-195所示。