卓金管件有限公司空间异形三通半管成形工艺改进的学习体会
文献概况与工程背景
本文发表于2022年《锻压技术》期刊，由哈尔滨东安发动机有限公司黄福天等人与伍玥航科（天津）精密制造有限公司、苏州伍玥航空科技有限公司合作完成。研究针对一种空间异形三通半管零件在传统冲压成形过程中存在的成形失效、表面质量不佳及成形效率低等问题，提出采用充液拉深成形工艺替代传统冲压成形工艺，并通过AutoForm有限元仿真和800 t双动充液成形液压机试制验证了工艺改进的可行性。
作为长期从事管件成型与焊接技术的技术人员，空间异形三通半管的成形工艺是一个极具挑战性的课题。与传统等径三通或异径三通不同，空间异形三通半管具有复杂的三维空间几何特征，其成形过程涉及多轴向的材料流动和复杂的应变分布，传统冲压工艺往往难以满足成形质量要求。
传统冲压工艺的失效分析
文献指出传统冲压成形过程中存在三大问题：成形失效、表面质量不佳和成形效率低。从管件成形的专业角度分析，这些问题的根本原因在于传统冲压工艺在成形空间异形零件时面临的固有局限性。
传统冲压成形过程中，材料在模具约束下发生塑性变形，其变形模式主要受模具几何形状和冲压工艺参数的控制。对于空间异形三通半管，其支管与主管之间的相贯线在空间中呈复杂曲线，材料在成形过程中需要在多个方向同时发生流动，这导致以下问题：
| 失效类型 | 原因分析 | 表现形式 |
|---|---|---|
| 拉裂 | 局部应变超过材料成形极限 | 壁薄区域出现裂纹或破裂 |
| 起皱 | 压缩应变导致材料失稳 | 表面出现褶皱或波浪 |
| 表面划伤 | 材料与模具间摩擦过大 | 表面出现划痕或压痕 |
| 尺寸超差 | 材料流动不均匀 | 几何尺寸偏离设计要求 |
文献通过AutoForm有限元仿真对传统冲压过程进行了数值模拟和优化，通过分析成形失效原因，明确了传统工艺的局限性，为工艺改进提供了数据支撑。
充液拉深成形工艺的原理与优势
充液拉深成形（Hydroforming / Liquid-Assisted Drawing）是一种利用液体作为传力介质的先进成形工艺。与传统冲压工艺不同，充液拉深成形利用液体压力均匀作用于工件表面，使材料在三维空间内均匀流动，从而获得更好的成形质量。
充液拉深成形工艺的核心优势在于：
| 优势维度 | 具体表现 | 工程意义 |
|---|---|---|
| 成形质量 | 表面质量好，无划伤 | 满足航空零件表面质量要求 |
| 成形能力 | 可实现复杂空间曲面成形 | 适用于异形零件 |
| 材料利用率 | 减少切削余量 | 降低材料浪费 |
| 模具寿命 | 液体缓冲减少模具磨损 | 降低模具成本 |
| 成形效率 | 工艺参数优化后效率提升 | 提高批量生产能力 |
从管件成形的专业角度，充液拉深成形工艺特别适用于薄壁异形管件。液体压力可以在整个工件表面均匀分布，避免了传统冲压中模具与工件之间的局部应力集中，从而有效抑制了起皱和拉裂等成形缺陷。
有限元仿真与工艺优化
文献采用AutoForm有限元仿真软件对充液拉深成形过程进行了数值模拟和优化。有限元仿真是现代管件成形工艺开发的核心工具，其基本流程包括：
- 建立零件的三维几何模型和有限元网格；
- 设置材料模型（如各向同性硬化模型、屈服准则等）；
- 定义成形工艺参数（液体压力、模具运动、摩擦系数等）；
- 进行准静态成形仿真，获取应变分布、应力分布和成形极限；
- 分析成形缺陷（起皱、拉裂、回弹等），优化工艺参数；
- 验证仿真结果与试制零件的一致性。
文献中通过对比传统冲压和充液拉深两种工艺的仿真结果，验证了工艺改进的可行性。仿真结果与800 t双动充液成形液压机试制零件的实际效果一致，证明了数值模拟的可靠性。
工艺改进的工程验证
文献在800 t双动充液成形液压机上分别采用两种成形工艺试制零件，验证了工艺改进的实际效果。从管件制造工程的角度，工艺验证是连接仿真分析与批量生产的关键环节。
试制验证的关键控制点包括：
- 成形件的几何尺寸精度，需满足设计图纸要求；
- 表面质量，包括表面粗糙度、划伤和压痕等缺陷；
- 壁厚均匀性，特别是在支管与主管相贯线附近的壁厚变化；
- 残余应力状态，需要通过无损检测或应力释放试验评估；
- 力学性能，包括抗拉强度、屈服强度和延伸率等。
文献指出，通过成形工艺的改进，"有效地解决了成形失效问题，表面质量和成形效率得到了显著提升"，零件成形效果满足工艺需求。这一结论表明充液拉深成形工艺是解决空间异形三通半管成形问题的有效途径。
与工程实践的结合
在实际航空发动机制造中，空间异形三通半管通常用于燃油系统、滑油系统或液压系统的管路连接。这类零件对成形质量、尺寸精度和表面完整性有极高的要求，任何成形缺陷都可能导致系统泄漏或疲劳失效。
从焊接的角度看，成形后的三通半管可能需要与其他管件进行焊接连接。成形工艺对焊接质量的影响主要体现在：成形残余应力会影响焊接残余应力的分布；成形件的壁厚均匀性影响焊接热输入的控制；成形表面的质量影响焊接接头的熔合质量。
在实际生产中，建议采用以下质量控制策略：
- 在成形工艺开发阶段，通过有限元仿真优化工艺参数，确定最佳成形窗口；
- 在试制阶段，对关键参数（液体压力、成形速度、摩擦系数等）进行DOE（试验设计）优化；
- 在批量生产阶段，建立在线检测系统，实时监控成形质量；
- 建立成形件与焊接件的接口质量控制标准，确保成形与焊接的协调性。
学习心得与总结
本文通过系统的有限元仿真和试制验证，成功解决了空间异形三通半管在传统冲压工艺中的成形难题，展示了充液拉深成形工艺在复杂异形管件制造中的巨大潜力。作为管件成型与焊接技术人员，我深刻认识到先进成形工艺的开发需要有限元仿真与工程试制的紧密结合，只有将数值模拟的预测能力与工程实践的实际验证相结合，才能确保工艺改进的可靠性和可推广性。充液拉深成形工艺的成功应用，为航空发动机复杂异形管件的制造开辟了一条新的技术路径，具有重要的工程应用价值和推广前景。