内高压成形是液压成形技术的一种，它是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件。

而对于轴线为曲线的零件，先在数控弯管机上弯曲到要求的形状，经过预成形后再放到模具内加压成形出零件，这种工艺适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件，截面形状可以为圆形、矩形或异型截面，使用的压力高达甚至超过MPa。

根据成形零件的种类，内高压成形又分为三类：(1)变径管内高压成形;(2)弯曲轴线管内高压成形;(3)多通管内高压成形。

内高压成形技术可以在减轻工件质量的同时，又提高工件的刚度和强度，而且可以成形一些复杂的工件，所以在航空航天领域和轻量化需求下的汽车制造行业应用较为广泛。

下面我们先来了解变径管内高压成形技术。

变径管，顾名思义，是指中间管径大于两端管径的管件，几何特征是管件直径(周长)沿着轴线变化、轴线为直线或弯曲程度很小的二维曲线，分对称和非对称两种。变径管内高压成形技术适用于直径25mm-mm，壁厚1-8mm的管件。像汽车进、排气系统，飞机管路系统，火箭系统等使用的异型和复杂截面管件，发动机曲轴等都适用该成形技术。(汽车和飞机变径管壁厚一般为1-3mm。)

工艺流程

工艺流程分填充、成形、整形三个阶段，如下图：

变径管内高压成形工艺过程

a填充阶段b成形阶段c整形阶段

内高压成形设备简图

技术参数

它的主要技术参数包括初始屈服压力、开裂压力、整形压力、轴向进给力、合模力、轴向起皱临界力、补料量等，而且都有相应的理论或经验公式。

★初始屈服压力(Ps)：管材开始发生塑性变形所需要的内压，计算公式为：

σs--材料屈服强度(MPa)

t--管材壁厚(mm)

d--管材直径(mm)

ξ--轴向应力和环向应力的比值

开裂压力(Pb)估算公式：

σb--材料抗拉强度(MPa)。

★整形压力(Pc)：在内高压成形后期，工件大部分已经成形，这时需要更高的压力成形截面过渡圆角和保证尺寸精度，这一阶段叫做整形，如下图：

其估算公式为：

其中，rc为工件截面最小过渡圆角半径(mm)

t是过渡圆角处的平均厚度(mm)

σs是整形时材料流动应力(MPa)。

整形压力与过渡圆角半径的关系如下图：

圆角半径越小，整形压力越高=合模力大、密封困难、功率增大。

在满足使用要求的情况下，过渡圆角半径应该尽量大一般，rc=(4-10)t，整形压力约为屈服强度的1/4-1/10。

★轴向进给力(Fa)，实现轴向补料，由高压液体反力(Fp)、摩擦力(Fμ)、管材塑性变形力(Ft)三部分构成，如下图：

其中，液体反力占绝大部分，其次是管材与模具之间的摩擦力，管材塑性变形力最小，估算公式为：

Fa=（1.2~1.5）Fp

★合模力(Fc)，是在成形过程中使用模具闭合不产生缝隙所需要的力，计算公式为：

Fc=Appc×10-3

pc为整形压力，Ap是工件在水平面上的投影面积(mm)，对于轴线为曲线的零件，投影面积A，为宽度与轴线在水平面上投影长度之积。

★轴向起皱临界应力(σcr)，无内压作用时的临界应力估算公式为：

d是管材直径，t是管材壁厚，Et塑性模量。

★补料量，补料量是确定水平缸行程的一个重要参数。在实际工艺中，由于摩擦和加载路径的影响，理想状态下的补料量不能完全送到成形区，成形区壁厚要减薄，因此实际补料量必然小于理想补料量，一般为理想补料量的60%--80%。类似下图简单形状的圆截面变径管件，管材初始长度l0和理想补料量Δl的计算公式为：

式中Δl是理想补料量(mm);

l0是管材初始长度(mm);

l1是工件长度(mm);

l是成形区长度(mm);

α是过渡区半锥角(°);

1是最大直径处长度(mm)，1=1-(D-d)/tanα;

d是管材外径(mm);

D是工件外径(mm)。

主要缺陷形式和控制方法

屈曲，是当管材成形区长度过长，在初期内压不足时，轴向力过大造成的。这种缺陷可以通过选择合理管材长度、增加预成形、减小截面周长，减小轴向力，增加预成形，提高管坯/预成形整体抗拉强度、调整工艺参数等加以解决。

屈曲

起皱，由于轴向力过大，管材成形初期会形成皱纹，也就是起皱。起皱分两种，一种是成为缺陷的死皱，一种是可以展平的有益皱纹。这种缺陷可以通过调节加载路径，合理控制内压与轴向补料量的匹配关系来控制。

起皱

开裂，是内高压成形中最易出现的失效形式，管材的破裂通常都是从胀形区内的某一局部范围的缩颈开始。从内高压成形过程中可看出，如果内压过高，或未有相应的轴向位移补偿，就会产生破裂现象。消除破裂可采取以下措施:修改制件形状，更换材料，增大轴向力，减小送料区摩擦系数，增加轴向送料等。

开裂

成形不充分，产生的主要原因为内压过低，管材强度高，壁厚太高，圆角太小，成品与模具之间有空气、水或润滑剂等。可以通过降低成品壁厚，更换材料，提高最大成形压力，加大成品圆角，保证成形处气体、液体顺利排出等措施予以解决。

成品内部裂纹，主要原因为管坯壁厚很不均匀，可通过减小成品壁厚、降低膨胀量、更换材料、增加轴向进给等措施来消除裂纹问题。

模具分模线造成的压痕，主要是由于过程中开模、模具控制无效、分模轮廓质量低等几种原因造成。可通过提高合模力，提高模具刚度，改善模具控制参数，提高设备刚性等措施来消除。

成形区间和加载曲线

成形区间是指管材既不起皱又不破裂的轴向应力和内压之间的匹配关系，如下图所示，通过改图可以确定起皱的临界轴向压力和开裂压力。

a线表示保持管材进入屈服开始塑性变形时轴向应力和内压之间的关系，其中a1是初始屈服压力；

b线表示开裂压力，b1是无轴向应力时的开裂压力；

c线代表产生皱纹的轴向应力，c1是无内压时的起皱轴向应力。

A区为弹性区，在该区间内管材还处于弹性范围内；B区为开裂区，当内压在这个区间内管材将发生开裂；C区为起皱区，当轴向应力在该区间内将发生起皱；D区为成形区，只有当内压和轴向应力的匹配关系在这个范围内，才确保管材发生塑性变形、既不起皱又不破裂。

对于一定材料和几何尺寸的管材，可以通过实验或数值计算确定成形区间和应力比对起皱临界应力及开裂压力的影响。但在实际工艺控制过程中，由于摩擦等因素的影响，很难准确控制轴向力，因此在生产中通常采用的是内压和轴向进给或轴向补料量之间的关系，如下图所示，这种关系又称为加载曲线或加载路径。

确定加载曲线的关键问题是如何确定内压的上下限，通常的办法是先通过数值拟合获得初步加载曲线，然后再通过工艺实验确定正式的加载曲线。

在成形区间内的任何加载曲线都可以获得合格的零件，但是加载曲线位置不同，获得零件的壁厚减薄程度不同，靠近上限时壁厚减薄大，靠近下限时，壁厚减薄小。对于一种零件，成形区间的内压范围越大越好，这样容易实现工艺控制。

极限膨胀率

膨胀率是指零件某一个截面周长相对于管材初始周长的变化率，用百分数表示。极限膨胀率是指在没有预成形的情况下，从管材初始圆截面一次能成形的最大膨胀率，是标志变径管内高压成形技术水平的一个重要指标。

★影响极限膨胀率的材料因素，有管材力学性能，包括延伸率、硬化指数n值、厚向异性指数r值，延伸率、硬化指数越大，则极限膨胀率越大。

★影响极限膨胀率的零件尺寸和工艺因素

最大截面的部位、成形区长度：

→位于工件两端，容易补料，极限膨胀率较大；

→成形区长度大、最大截面位于工件中部，不易补料，极限膨胀率相对较小。

壁厚

→厚度增大，极限膨胀率有所增大，但增加幅度较小。

零件形状

→非对称形状结构的极限膨胀率小于对称形状结构。

加载曲线

→采用优化的轴向补料量和内压匹配关系，可提高极限膨胀率。

★成形区长度对极限膨胀率的影响

→极限膨胀率随成形区长径比变化存在峰值;

→长径比大，极限膨胀率随长径比增加而减小，变化幅度不大;

→长径比很小时，极限膨胀率随成形区长径比的减小急剧下降。