內高壓成型彎曲工藝有壓彎、滾彎和CNC彎曲(繞彎)。彎曲半徑大、形狀簡單的二維曲線通常采用壓彎和滾彎工藝，對于比較復雜的軸線形狀、三維曲線，就需要用CNC彎曲工藝。

　　CNC彎曲，它是一種先進的繞彎工藝，可以實現三維復雜軸線管彎曲，能連續進行不同角度的彎曲，具有質量好、生產效率高等特點。CNC彎曲要先把管材軸線的形狀輸入到彎曲機數控系統中，然后由數控程序控制彎曲機利用管材繞模具旋轉運動實現管材自動彎曲的加工方法。

　　汽車行業常常用到內高壓成形彎曲工藝，如：汽車零部件多為空心結構件，截面及軸線形狀復雜，相對于傳統的焊接工藝，內高壓成型能夠有效地實現部分零件的整合，減少焊縫，零件的可靠性得到大幅提高。而鋁合金質量輕、比強度高，適用于汽車車身、輪轂和副車架等汽車結構件。

　　汽車車身圖

　　應用內高壓成形技術和鋁合金管材成形的副車架，通過材料輕量化和結構輕量化2種途徑使汽車質量有效減輕，這種內高壓成形工藝已成為汽車節能減排的重要途徑之一。

　　副車架

　　通常在內高壓成形之前需要通過CNC彎管技術使其預成形為具有空間彎曲軸線的基本形狀，再整體成形出具有復雜截面和空心結構的副車架。應用這種技術的有：寶馬5系使用了第一款內高壓鋁合金底盤件，奧迪A2和A8使用6014鋁合金管制備了車身上的變截面頂蓋橫梁，使構件質量顯著減輕近40%。

　　興迪源機械利用先進內高壓成形工藝一次成形的發動機中冷管：

　　管材胚料CNC預彎成形有限元分析

　　采用液壓(內高壓)成形技術

　　一次成形中冷管的有限元分析

　　管材在CNC彎曲過程會產生回彈、截面畸變以及內側受壓失穩起皺、外側受拉開裂等缺陷，對于多道次大角度數控彎曲，回彈會嚴重影響管件的成形精度，在隨后的內高壓成形過程中會產生咬邊缺陷，所以通常需要在CNC彎曲時進行適當角度的補償。

　　汽車排氣歧管3D示意圖

　　為了得到管材在CNC彎曲時合適的回彈量，Liao等研究人員采用了各向同性、動態各向同性和各向異性3種硬化模型進行多級繞彎時的回彈分析，發現模型的選擇對多級繞彎回彈起著重要的作用，其中動態各向同性硬化模型預測回彈與實驗值較接近，最大相差為1.11%。

　　而Li等研究人員則通過數值模擬及實驗研究了6061-T4鋁合金管材冷彎時的回彈角、回彈半徑與彎角的影響;證實了回彈角隨著彎角增加而線性增加，回彈半徑隨著彎角增加在0°~90°時線性減小，在90°~180°隨著彎角增加基本不發生變化;并利用各向異性硬化模型對回彈角進行了預測，其預測值略高于實驗值，最大相差1.67%。在CNC彎曲時，截面畸變也是比較容易出現的典型缺陷。在多步成形中，截面畸變直接影響后續成形的預制坯形狀，從而影響最終件的成形質量。

　　寇永樂等研究人員則針對CNC彎曲中截面畸變的影響因素進行了研究，指出增加芯頭個數和芯棒伸出量、壓塊無潤滑有利于減小彎管的截面畸變。CNC彎曲中另一個典型的缺陷是起皺，不僅影響其成形性能，而且影響美觀，所以在CNC彎曲時要盡量避免。

　　Chen等研究人員通過Dynaform數值模擬和實驗研究了20mm×2mm的5A02鋁合金管起皺的影響因素，指出管與模具間隙盡量小(小于0.2mm)，助推速度不小于彎曲模的線速度，有利于減緩起皺，另外壓模助推位移越小，相對彎曲半徑越大，彎曲速度越小，起皺趨勢就越小。

　　本研究中鋁合金內高壓成形的成形工藝為CNC彎曲后內高壓成型，其中CNC彎曲作為預彎對鋁合金管件內高壓成型起著至關重要的作用。

　　試件及成形工藝

　　鋁合金管件首先需要進行CNC預彎，使其具有基本的空間彎曲軸線，可以放入內高壓成形模具的型腔中，再進行內高壓成形，成形至最終形狀。預彎使用XXX控制臂彎管機，預彎件形狀如圖A所示，芯球與管內壁、防皺板與管外壁及內高壓成形時模具型腔與管外壁均用航空潤滑油進行潤滑處理。內高壓成形后管件形狀如圖A(b)所示。彎曲模具設計為3層，分別與彎管中的3個彎角對應。剛性芯軸外徑為69.00mm，使用一個芯球，其外徑為68.40mm;聚氨酯芯軸外徑為69.00mm。

A. 預彎件(a)和內高壓成形管件(b)　

　　本次實驗的內高壓成形可運用興迪機械THF系列內高壓成形設備進行。

　　興迪源機械 XD-THF內高壓成型液壓設備

　　廣泛應用于航天航空、核電、石化、發動機管件、汽車管件、自行車管件等生產領域內高壓成形設備主要針對管材成形，如:飛行器輕體構件、發動機中空軸件、汽車支管、單車支架管、排氣系統、排水系統等產品。

　　彎曲缺陷對鋁合金管內高壓成形的影響

　　1、截面畸變的影響

　　管材在彎曲時，在彎矩的作用下，中性層外側受到拉應力，內側受到壓應力，二者的合力使管件法向直徑減小，橫向直徑增大，管件截面由圓形變為近似橢圓，即發生畸變。在管徑、彎曲半徑及潤滑條件不變的情況下，通過不帶芯頭的聚氨酯芯棒和帶有一個芯頭的剛性芯棒分別進行CNC彎曲，得到了2種具有不同不圓度的截面，如圖B所示。其中聚氨酯芯棒的好處是可以使管件內部避免劃痕，但得到的彎管截面不圓度較大;帶有一個芯頭的剛性芯棒的好處是得到的彎管截面不圓度較小，但與管件內部發生硬接觸，容易在彎曲過程產生內部劃痕。

　　B. 彎管截面

　　(a)使用聚氨酯芯棒;

　　(b)使用帶有一個芯頭的剛性芯棒

　　2、起皺的影響

　　當管徑較大，彎曲半徑較小時，管壁內側所受的切向壓應力大大增加，管壁內側極易發生起皺失穩。在不改變彎曲模具和彎曲速度的情況下，模具間隙不合理會導致起皺的產生。如圖C所示，在預彎件的第三個彎角內側出現了起皺，皺紋的相鄰波峰之間的平均距離為12.20mm，表面峰谷的平均高度為1.32mm，如圖C(a)所示。

　　C. 管件起皺現象

　　(a)CNC彎管;

　　(b)內高壓成形件

　　將帶有皺紋的預彎件進行內高壓成形，此處截面膨脹量為1.92%，成形后管件如圖C(b)所示，內高壓成形并沒有使管件的皺紋脹平，此時皺紋的相鄰波峰之間的平均距離為12.24mm，表面峰谷的平均高度為0.64mm。由此可知，此時的內高壓成形并沒有消除預彎產生的皺紋，但在脹形的過程中管件不斷貼模，使起皺表面的峰谷的高度降低，使皺紋減輕。

　　為了使內高壓成形件避免出現起皺，需要在預彎過程及時避免。在不改變彎曲模具和彎曲速度的情況下，調整防皺板的位置，使防皺板與管件更加貼合，增加彎管內側的壓應力，從而抑制了起皺的發生。將無皺的預彎件進行內高壓成形，最終獲得的內高壓成形件如圖D所示。

　　D. 鋁合金內高壓成形件

　　3、回彈的影響

　　當管材預彎未加以回彈補償時，內高壓成形模具合模時在管件一側出現了咬邊缺陷，如圖E所示，若不解決咬邊問題，會使模具邊緣啃傷，需要對彎角進行回彈補償。為了獲得任意角度彎角的回彈值，建立管材塑性彎曲的理論模型和材料的冪指數模型，結合力矩平衡方程和全應變理論，推導任意彎角的回彈理論值。

　　E. 6063鋁合金預彎件出現的咬邊缺陷

部分文段和圖片摘自：

《預彎對鋁合金管材內高壓成形缺陷與尺寸精度的影響》

作者：蔡洋，王小松，苑世劍

《現代液壓成形技術》

作者：苑世劍

由興迪源機械編輯

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