内高压成形系统建立的几个重要问题

近年来，内高压成形技术凭借一系列独特优势，在汽车工业、航空工业等多个领域内成熟应用，被视为一种新的先进制造技术。本期我们就一起探讨下内高压成形系统的几个重要问题。

在探讨其问题之前，我们有必要先了解管材内高压成形系统的组成。

管材内高压成形系统主要由以下几个子系统组成： 液压机系统、模具系统、高压生成系统和数据采与控制系统 。

液压机系统

液压机系统主要由液压机和泵组成，为模具和轴向推进缸的安装提供工作台和必要的安装空间，由滑块带动开合模具，并在内高压成形过程中提供所需的合模力，最大合模力由最大内压合工件的投影面积等因素决定。因为内高压成形需要较高的合模力，所以常见的有框架式液压机，如下图所示。

上图所示是由兴迪源机械自主研发的内高压成形设备。该设备采用整体铸造框架结构，导轨采用镶嵌式，抗偏载能力超强，能够实现500MPa超高压稳定密封，合模压力可以超过10000T。配合以超高压计算机实时反馈和控制模块，可以一次整体成形沿构件轴线截面形状复杂的空心构件和不同材料组成的复合管材。适用于制造航空航天、核电、石油化工、饮水系统、汽车以及自行车行业的复杂异形截面空心构件。

模具系统

模具是工件成形的关键性部件，它是根据工件的具体形状设计的。管材内高压成形模具沿工件的分型面分成上模和下模，下模固定在液压机工作台上，上模固定在可滑动横梁上，随横梁移动开闭模具。模具合后形成封闭的型腔。

轴向缸提供管坯变形过程中补料进给时的轴向推力和轴向行程。轴向缸的位置、推力、行程等参数应根据零件材料及形状、模具结构、工艺要求、主机空间等因素确定，安装采用水平布置。轴向缸一般安装在专用的通用模架上，并根据产品种类随时更换模块，具有一定的柔性;也可直接安装在大型模具上，联结可靠，但调整、更换困难。

高压生成系统

超高压发生装置是管材高内压成形系统的核心部件， 直接影响到设备的加工能力。最大内压力应根据零件的材料、壁厚、形状(如直径、圆角大小)等因素确定，实际的压力为150MPa。

超高压发生装置利用 增压器(如下图)产生超高压，输出液体压力的大小取决于 液压泵的输出油压和增压比(即增压器大、小活塞的截面积之比A1：A2)。液压泵输出油压为50 MPa，增压比为3。输出的超高压液体通过高压管路、轴向冲头的内孔进入管坯内腔。液体工作内压通过超高压传感器进行检测，并反馈给电气系统进行闭环控制。

增压器

此外，在高压 液压系统中应配置 液体介质的净化、搅拌、温度调节等装置。

数据采集与控制系统

过程监测主要由压力、位移、温度等不同类型的传感器、数据集卡、计算机及采集、记录和显示程序组成。将成形过程中的轴向推力、内压、合模力等通过传感器转换成电压信号，再经数据集卡模拟转换数字输入计算机，计算机将各种数据在显示器上显示出来，供操作人员读取判断。

实时控制由计算机、控制程序、数据集卡、比例伺服阀、调速电机及相关模块等组成。要实现的基本功能是控制轴向冲头的行程以及提供成形所需的内压力。在成形过程中，计算机需要控制的元件包括所有电磁比例溢流阀和调速电机，同时需要检测型腔内压、液压缸内压以及轴向冲头的位移。

控制系统以轴向冲头行程和内压作为反馈信号，按预测模型输出的最佳工艺参数发出控制信号，信号转换器将控制电压信号的数字量转换成模拟量输入变频器、换向阀和电磁比例溢流阀，改变液体流量和流动方向，达到控制行程、速度和内压的目的。

在了解完成形系统之后，我们再来对几个重要问题进行探讨。

模具的设计与优化

模具系统在管材内高压成形中有着举足轻重的地位， 高质量的模具是成功成形的保证。模具设计需要丰富的生产实践经验，对非专业模具设计人员，特别是初次设计模具的人来说，新的模具设计或多或少都会存在一些结构上的不合理或其他缺陷。在模具设计与加工的过程中急需采用快速有效的方法来解决这些问题。

有限元模拟的发展为模具设计提供了可靠的验证优化工具。模具加工之前，在计算机上通过过程模拟来准确评价设计方案，帮助设计者分析模具形状、工艺参数等与产品性能之间的关系，使模具设计人员在模具制造之前就能观察到成形时的应力分布以及是否会产生内部或外部的缺陷，进而修改模具的设计方案直到满意状态，而不是等到模具加工完成并试模以后再返修模具。这提高了设计在工艺实践中的精确性和可靠性，避免多次修模、试模的过程，提高了模具的质量，大大缩短了模具生产调试周期，降低制模成本和延长模具的使用寿命。

端口密封的选择

管端密封也是管材内高压成形的关键问题。 密封质量的好坏，直接影响成形的成败。

管端冲头密封，常见的管端冲头密封形式有平封式密封、环形尖刃式密封和锥台式密封。如下图所示，平封式密封适用于成形压力比较低的情况，对端面的平面质量要求很高，其缺点是，随着轴向推进的增加，会引起端口卷边;环状尖刃式密封适合于厚壁管及压力较高的场合，密封效果不错。但对于需要较高内压和轴向进给较少时，以上密封方法有时会失效。

常见的管端冲头密封形式

在 压力较高，且管壁较薄的情况下多采用锥台式密封，如上图c。它是将冲头前部加工成锥台状，锥台根部有环形平面.密封端口时，锥台伸入管坯里，使管壁夹在锥台与模具之间，可以有效防止卷边现象的发生，冲头的平台和管端面接触，以承担轴向压力。锥台式密封的密封效果较环形尖刃式密封要差一些。

对于管壁较薄，压力较大的情况，可以对锥台式密封进行改进，如下图。

在锥台的侧面上开两道环形槽，环形槽内放置橡胶密封圈及垫片。内高压成形要经历低压阶段和高压阶段，低压阶段的密封由管坯内壁与冲头紧密配合压紧橡胶圈形成的密封结构来实现，随着压力和轴向推进量的增加，管坯端部与冲头更加紧密的结合在一起，同时也使橡胶圈压得更紧，形成更有效的密封结构，实现高压的密封。

液压系统的设计

整个内高压成形系统中，有三个相对独立的液压系统：

①液压机液压系统;

②超高压生成液压系统;

③轴向推进液压系统。

成形液压系统

为了降低成本，液压系统用两种工作介质： 专用 液压油和比较廉价的乳化液 ，其中专用液压油用作系统工作介质，乳化液用作成形介质。这样，超高压发生系统和轴向推进液压系统就是两个独立的液压回路。

超高压发生系统采用低压快速充液，充液完成再由增压器建立高压的办法。可以缩短周期，节省时间。成形起始时，先由超高压发生系统用大流量的低压乳化液快速充满管坯内腔，排尽空气。同时，轴向推进系统使左右冲头前进，对管坯端部进行密封。接着，增压器开始工作，迅速建立起高压。

由于在增压器活塞的行程终点存在着换向冲击，为了减小液体压力(即工作内压)的波动幅度，设置了高压蓄能器。为防止工件因内腔压力过高而爆裂，设置超高压溢流阀。轴向推进系统有轴向缸左右各一个，液压油通过分流集流阀分成等量的两股后，推动两边轴向缸使它们动作完全同步，完成推进动作。另外，在油路上设置了 节流阀，可以实现两个轴向缸的推进速度可调。

压力的控制由调速电机来完成，由于整个液压系统消耗的功率取决于电机的功率，这样可以达到节能的目的。相比于恒速电机和节流阀的搭配，调速电机减少了对液压系统的功率输入，从根本上节约了能源，有效地降低了系统的发热。