立体三通管挤压胀形与弯曲复合成形工艺的工程解读与思考

文献概况与核心价值

李小妹、夏巨谌、胡国安发表于《锻压机械》2002年第37卷第4期的这篇《立体三通管复合成形工艺分析及成形力的计算》，虽然年代较早，但对于从事管件成型工艺的技术人员而言，仍具有扎实的参考价值。文献聚焦于内径小于10mm的立体三通管，这类小尺寸三通在液压管路、制冷系统、仪器仪表等领域有广泛应用，其成型难度在于既要保证支管与主管的空间角度（立体三通），又要控制壁厚减薄与内表面质量。

作者提出的“挤压胀形与弯曲复合成形”工艺，本质上是将传统的管材胀形（bulging）与弯曲（bending）两个工序合并为一个连续工序，通过合理的模具设计与力能参数匹配，实现小口径立体三通的一次成型。这种思路在当时的工艺条件下具有创新性，其核心在于解决了传统分步成型中工序多、定位误差累积、壁厚不均匀等痛点。

关键技术要点解读

成形工艺原理

文献中描述的复合成形工艺，其基本原理可以概括为：将直管毛坯置于组合模具中，首先通过轴向压缩与内压加载使管坯在预定位置发生局部胀形，形成支管凸起；随后利用模具的弯曲动作，将主管段弯折至所需的空间角度。在此过程中，胀形力与弯曲力是相互耦合的，胀形阶段产生的壁厚减薄会影响弯曲阶段的截面稳定性，而弯曲阶段的变形又会改变胀形区域的应力分布。

成形力计算分析

文献重点给出了挤压胀形力和弯曲力的理论计算公式，这是工程实践中最为关注的内容。对于小口径三通，成形力的准确估算直接决定了设备选型与模具强度设计。

挤压胀形力通常包含两部分：一是使管坯发生塑性变形所需的变形力，二是克服管坯与模具之间摩擦力所需的附加力。作者给出的计算公式基于薄壁管壳理论，考虑了材料的屈服强度、管坯几何尺寸、胀形高度等因素。值得注意的是，对于内径小于10mm的管坯，尺寸效应变得显著，材料的流动应力会因晶粒尺寸与壁厚的比值增大而发生变化，这一点在公式的系数选择上需要谨慎处理。

弯曲力的计算则相对成熟，主要依据纯弯曲理论，考虑截面形状系数与材料硬化指数。但在复合成形条件下，弯曲力的计算需要引入胀形阶段产生的预变形影响，即初始壁厚非均匀分布对弯曲力矩的修正。

工艺窗口与工程实践思考

样件试验的启示

文献通过成形内径小于10mm的立体三通管样件进行了试验验证。从工程实践角度看，这类小尺寸三通的成型难点主要集中在以下几个方面：

第一，模具精度要求极高。内径10mm以下的管坯，其壁厚通常在1~2mm，模具间隙若超过0.1mm，就会导致管坯在胀形阶段失稳，产生非对称变形。模具工作表面的粗糙度也应控制在Ra0.4μm以下，以减少摩擦阻力，避免表面划伤。

第二，润滑方案的选择至关重要。小口径管坯的润滑剂涂抹不易均匀，且成形过程中润滑剂容易被挤出。建议采用石墨基或二硫化钼基的高温润滑剂，配合模具表面的氮化钛涂层，可将摩擦系数降低至0.1以下。

第三，成形速度的匹配需要优化。胀形阶段要求较慢的加载速度以控制壁厚均匀性，而弯曲阶段则可适当提高速度以提高效率。文献中未明确给出速度参数，建议在工程实践中通过正交试验确定最佳速度窗口。

常见缺陷与对策分析

基于对文献的理解结合自身工程经验，小口径立体三通复合成形中的常见缺陷及对策可归纳如下：

• 支管根部壁厚过度减薄：主要原因是胀形阶段轴向补料不足。对策是增加轴向压缩量，或采用预成型工序使支管区域预先增厚。
• 主管弯曲段内侧起皱：原因是弯曲半径过小或内压不足。对策是增大弯曲半径至管径的3倍以上，或在弯曲过程中保持适当的内压支撑。
• 支管与主管过渡区开裂：原因是材料塑性不足或模具圆角过小。对策是选用塑性指标（延伸率≥25%）更好的管坯材料，或增大模具过渡圆角至壁厚的2~3倍。

学习心得与反思

这篇文献虽然篇幅不长，但提供了一个很有价值的工艺思路：将复杂的多工序成型简化为复合成形，通过力能参数的合理匹配实现高质量成型。对于现代管件制造而言，这种思路仍然具有指导意义。

不过，受限于2002年的计算条件，文献中的理论公式较为简化，未充分考虑材料各向异性、摩擦非线性、模具弹性变形等因素。在今天的工程实践中，完全可以借助有限元分析软件（如Deform、Abaqus）对成形过程进行数值模拟，从而更准确地预测壁厚分布与应力状态，优化工艺参数。

此外，文献未涉及模具寿命问题。小口径三通复合成形模具在反复加载下容易出现疲劳开裂，尤其是模具的过渡圆角区域。建议在实际生产中采用高韧性模具钢（如H13或3Cr2W8V），并进行表面渗氮处理，以提高模具寿命。

总体而言，这篇文献为立体三通管的成型工艺提供了一种值得借鉴的技术方案，其核心价值在于工艺思路的创新，而具体的参数优化则需要结合现代数值模拟手段与工程试验来完善。