摘要：從變形力學的角度出發，提出了管材脹形工藝的分類方法，討論了各類脹形工藝的變形力學特征及其影響脹形工藝的關鍵因素。這對于從力學本質上認識脹形成形機理，把握脹形工藝要素，保證脹形成形質量，有著重要的理論指導意義。
關鍵詞：管材；脹形；力學特征；應力應變狀態

一、引言

管材脹形是在壓力作用下使管材沿徑向擴張的成形工藝，屬于管材深加工技術的范疇。根據管件的形狀要求，脹形既可完成管坯的局部擴張，也可完成管坯的整體擴張。管材脹形可以在通用機械壓力機、液壓機或專用脹形壓力機及專用裝置上完成，所獲管件已廣泛用于機械、電力、航空航天、交通運輸、石油化工、輕工等工業部門中。

管材脹形的方法很多，若按生產中使用的模具分類，可分為剛性模脹形和軟模脹形兩類。采用剛性分塊式凸模脹形時，稱為剛性模脹形，它僅適用于形狀及尺寸精度要求不高的軸對稱脹形件的脹形加工。利用液體、氣體或彈性體的壓力代替剛性凸模的作用作為傳壓介質對管坯進行脹形時，則可統稱為軟模脹形。液體可用油、乳化液或水，彈性體通常用聚氨酯橡膠或天然橡膠。由于聚氯乙烯(PVC)塑料具有與聚氨酯橡膠類似的優點，近年來已作為傳壓介質，開始用于脹形工藝中。由于石蠟具有易于呈固體或液體的獨特優點，且可回收重復使用，將其作為脹形傳壓介質，也已在生產中取得了良好的技術效果。因此，根據傳壓介質的不同，軟模脹形又可分為液壓脹形、氣壓脹形、橡膠脹形、石蠟脹形、PVC塑料脹形等。軟模脹形與剛性模脹形相比，特別適用于各種形狀復雜管件的脹形加工，具有明顯的技術經濟效益。

本文從變形力學的角度出發，根據脹形時的變形條件，對上述多種脹形方法進行分類，以方便對脹形成形機理的探討，從理論上把握脹形工藝要素，達到合理選擇工藝參數和模具結構尺寸參數及預防脹形缺陷、提高成形質量的目的。

二、脹形工藝分類

根據脹形時變形條件的不同，可將上述各種脹形方法分為三類：自然脹形、軸向壓縮脹形、復合脹形。在脹形過程中，若僅對管坯內壁施加徑向壓力(內脹力)，其脹形成形主要靠管壁厚度的局部變薄和軸向的自由收縮(縮短)來完成，則稱為自然脹形。若在自然脹形的基礎上，同時又對管坯軸向施加壓力，使軸向產生壓縮變形，以補充脹形變形區材料的不足，則稱為軸向壓縮脹形。復合脹形是在軸向壓縮脹形基礎上發展起來的新的工藝方法。當在軸向壓縮脹形的同時，又對管坯脹形區施加徑向反壓力，可稱為“反壓—軸壓脹形工藝”；軸向壓縮脹形若與縮口或擴口成形同時進行時，則可分別稱為“縮口—軸壓脹形工藝”、“擴口—軸壓脹形工藝”?？傊?，凡在軸向壓縮脹形的基礎上，又另外施加其它變形力或與其它成形工序同時進行的脹形工藝，都可稱為復合脹形。上述復合脹形新工藝，近年來已開始在生產中推廣應用，取得了良好的技術效果。

三、變形力學特征

1.自然脹形

(1)力學模型

管坯在內壓力p作用下自然脹形時，其力學模型如圖1所示。脹形變形區主要承受雙向拉應力的平面應力狀態和兩向拉伸、一向壓縮的應變狀態。由于脹形區材料處于雙向受拉的不利變形條件，其成形主要靠管坯壁厚的變薄和軸向的自由收縮(縮短)來完成，故脹形區極易嚴重變薄甚至破裂。因此，控制脹形區材料的過度變薄和防止破裂，是自然脹形工藝需要考慮的主要問題。

圖1自然脹形的力學模型

(2)變形方式

自然脹形過程中，根據軸向自由收縮的情況，又可分為軸向無收縮和有收縮兩種變形方式，如圖2所示。對于軸向無收縮的變形方式(圖2a)，由于脹形部位完全靠管坯壁厚的局部變薄而成形，故變形性質等同于在平板毛坯上的局部成形，其脹形成形極限主要取決于材料的允許伸長率。該變形方式主要發生在脹形區域較小且遠離管端，致使軸向收縮阻力劇增的自然脹形中。

圖2自然脹形的兩種變形方式

對于軸向有收縮的變形方式(圖2b)，是指在脹形部位局部變薄的同時，還伴隨著管坯軸向的自由收縮，從而使軸向收縮部分的材料補充到脹形部位，緩解了脹形區材料的不足，故脹形成形極限要比軸向無收縮的自然脹形大。成形極限增加的多少與軸向自由收縮量的大小有關。一般說來，脹形部位越靠近管坯端部，且脹形區形狀為軸對稱時，軸向收縮量就越大，成形極限就越高。

綜上所述，自然脹形過程中變形區處于平面應力和立體應變狀態，其成形極限與脹形過程中的變形方式有關。同時，隨著脹形零件形狀和脹形部位的不同，成形極限顯然不同，不能一概而論。

2.軸向壓縮脹形

(1)力學模型

管坯在內壓力p和軸向力F共同作用下脹形時，其力學模型如圖3所示。與自然脹形相比，施加軸向壓力的結果，不僅使管坯在脹形過程中產生軸向壓縮變形，以補償脹形區材料的不足，而且使脹形區的應力應變狀態得到改善。當軸向壓力足夠大時，脹形區母線方向的拉應力變為壓應力，成為一拉一壓的平面應力狀態，變形也由兩向拉伸、一向壓縮變為一向拉伸、兩向壓縮的應變狀態。這種應力應變狀態的變化，提高了材料的塑性變形能力，不僅減少了脹形區材料的變薄量，而且可顯著提高脹形成形極限。

圖3軸向壓縮脹形的力學模型

軸向壓縮脹形的成敗，主要取決于施加的軸向壓力F和內壓力p的大小及其兩者的比值F/p。若軸向壓力不足，或比值F/p過小，則脹形區母線方向的壓應力σr也可能成為拉應力，壓應變εr也可能成為拉應變，這在本質上與自然脹形一樣，達不到提高成形極限和成形質量的目的。若軸向壓力過大或比值F/p過大，脹形過程中管坯傳力區將受壓失穩，產生鐓粗變形或折皺。因此，控制軸向壓力大小及其與內壓力的比值，是軸向壓縮脹形工藝必須解決的技術關鍵。

(2)變形方式

軸向壓縮脹形過程中，根據軸向壓力施加的情況，又可分為兩種變形方式(圖4)。軸向壓力與內壓力同時作用的變形方式(圖4a)利用聚氨酯橡膠或液體的體積不可壓縮特性，只要準確確定壓頭3進入管坯內腔的直徑高度或試模時改變橡膠棒2的長度，便可實現軸向壓力與內壓力同時作用的變形方式。但兩者比值F/p不易控制，只有通過改變橡膠硬度或調整液體壓力才能實現。軸向壓力與內壓力分別作用的變形方式(圖4b)是利用壓頭1和壓板4分別對管坯施加內壓力和軸向壓力，因而調整壓力比值F/p較為方便，只是模具結構相應復雜些。

圖4軸向壓縮脹形的兩種變形方式

在此應當特別指出，對于軸向壓縮脹形工藝，無論采用哪種變形方式，都要求在施加軸向壓力前，先對管坯內腔施加足夠內壓力，以使脹形區材料產生塑性流動及其初步脹形，而后在施加軸向壓力過程中，內壓力僅起管坯材料成形的導向和防皺作用。另外，軸向壓縮脹形的成形極限不僅與材料的伸長率有關，而且受軸向壓縮量、軸向壓力和內壓力的大小及其兩壓力比值的直接影響。當然，脹形件形狀及其脹形部位距管坯端部的距離，也是影響成形極限的重要因素。

3.復合脹形

由于復合脹形是在軸向壓縮脹形的基礎上，又另外施加其它變形力或與其它成形工序同時進行的脹形工藝，故其力學模型及變形特征也不盡相同。在此列舉兩個典型復合脹形新工藝，具體分析其力學模型及其變形特征。

(1)反壓—軸壓脹形工藝

等徑三通管反壓—軸壓脹形的力學模型如圖5所示，它是在軸向壓縮脹形的同時，另外對脹形區施加反壓力F3。在脹形過程中，F1施加在置于管內的橡膠棒端面上，用于提供內壓力；F2施加在管坯端面上，提供軸向壓力；F3施加在脹形支管的頂部，以平衡支管內的橡膠內脹力。因此，與軸向壓縮脹形工藝相比，由于徑向反壓力的作用，使脹形區最大變形處的應力狀態得到明顯改善，金屬便在較高的靜水壓力下產生變形，這就為進一步發揮材料的塑性提供了有利的變形條件。

圖5反壓—軸壓脹形的力學模型

該復合脹形工藝的技術關鍵，除了需保證軸向壓力與內壓力的比值合理外，施加的反壓力大小無疑是重要的影響因素。反壓力過小，不能有效地抑制脹形區變?。环磯毫^大，不僅使軸向壓力和內壓力增大，從而導致凹模圓角處管壁厚度顯著增加，甚至會在大的壓縮應力作用下使主管直壁產生失穩折皺，以致損壞模具。因此，施加的反壓力大小，應以僅能維持平衡支管內的橡膠內脹力為依據。理論與實驗研究表明，該復合脹形工藝可有效抑制脹形區壁厚變薄，顯著提高脹形成形極限和成形質量。當然，為減少彎曲變形抗力，在管件使用要求允許的前提下，盡量增大凹模圓角半徑，以使金屬容易流向凹模支管空腔，也是提高成形極限的重要因素。

(2)縮口—軸壓脹形工藝

凸筋類管接頭縮口—軸壓脹形的力學模型如圖6所示，它是在管坯無內壓的情況下，通過軸向壓力作用，在一道工序中同時完成縮口和脹形成形，因此生產效率高，成形質量好?？s口—軸壓脹形使用經縮口后的預制管坯(如圖6左半部分所示)。

圖6縮口—軸壓脹形的力學模型

其復合脹形過程由縮口和軸壓脹形兩個變形階段組成。縮口變形階段是將預制管坯的錐體部分收縮成圓筒體，一旦縮口變形結束，模具便對圓筒體端面施加軸向壓力F，從而進入軸壓脹形變形階段，直至成形過程結束。在脹形區最大變形處，材料處于一拉一壓的平面應力狀態和立體應變狀態，它與軸向壓縮脹形工藝的應力應變狀態(圖3)相同。但由于對管坯未施加內壓力，故力學模型不同。

該復合脹形工藝的技術關鍵，主要在于模具結構設計及其模具結構尺寸參數的選擇。而脹形成形極限的大小，除與材料的伸長率有關外，還受管坯尺寸(如高徑比、高厚比、預縮口錐角)及模具結構尺寸參數(如凹模圓角半徑、內支承塊高度)的重要影響。

四、結束語

管材脹形工藝在管件加工中的應用十分廣泛，尤其是近年來國內外研究開發的脹形新工藝已開始成功地用于生產。本文從變形力學的角度出發，根據脹形時變形條件及力學模型的不同，將多種脹形方法歸納為三類脹形工藝，從而分別探討各類脹形工藝的變形力學特征及其工藝影響因素，這對于認識脹形成形機理的力學本質，分析影響脹形的工藝要素及采取相應措施預防脹形缺陷，從而保證脹形成形質量均有重要意義。

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