轴向水力挤压：一种基于应力转换的新方法，可同步减少轮廓空心构件的多维偏差

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS & MANUFACTURE》：Axial hydro-extrusion: A novel stress-transformation-based method to synchronously reduce multi-dimensional deviations of profiled hollow members

　　王青峰|孙磊|谢文龙|侯德奇|赵龙|张存胜|褚观南
中国山东省威海市哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，264209

摘要
为了解决挤压成型薄壁空心件中的多维几何偏差问题（这些问题使用传统工艺难以纠正），本研究提出了一种基于新型应力转换机制的轴向水挤压方法，以实现多维偏差的同步控制。与传统基于拉伸的成型方法不同，该方法通过轴向进给和内部压力诱导全局塑性挤压变形，将不均匀的轴向、周向和剪切应力转化为几乎均匀且以压缩为主应力状态。这种转变消除了应力梯度，从而控制了不同方向的偏差，并实现了空心件外轮廓的同步校正。首先分析了加固件对轴向水挤压过程中空心件外轮廓起皱和形状精度的影响，建立了一个临界不稳定性内部压力模型。接着，通过理论和仿真方法研究了不同几何偏差在模具变形过程中的应力状态及其在轴向挤压过程中的变化，阐明了不同方向偏差变化的原因。此外，还开发了一个考虑加工硬化的临界挤压位移模型，以量化应力转换过程并分析初始偏差对临界挤压位移的影响。最后，设计了一种专用于单腔和多腔空心件的轴向水挤压成型平台，实现了超过95%的尺寸偏差减少。本研究为解决复杂薄壁空心件中的多维几何偏差同步控制问题提供了新的策略。

引言
随着航空航天、新能源汽车、轨道交通等领域对能耗降低和性能优化的需求不断增加，以及对现代设备多功能集成需求的增长，单一结构无法满足复杂工况下的承载要求。多功能集成轮廓薄壁多腔空心件通过优化截面形状和腔体分布，可以在保持结构刚度和承载能力的同时减少工件数量、重量和装配难度，使其适用于飞机和新能源汽车电机（如图1所示）。轮廓薄壁多腔空心件的尺寸、薄壁和轮廓形状难以通过传统的单次成型方法实现。单个薄壁件可以通过模具成型后再焊接成多腔空心件，但众多焊接接头会增加件重并增加泄漏风险，无法满足轻量化和稳定性的要求。焊接件的热变形会导致尺寸精度较差，从而影响装配或导致报废（如图1所示）。连续热挤压通过高温软化材料，并通过流道模具连续成型，具有生产效率高、材料利用率高、产品质量一致和工艺灵活性强的优点，适用于制备轮廓薄壁多腔空心件。然而，由于薄壁件的大尺度、复杂性、轻量化特性以及挤压过程中的参数不当、热变形和模具磨损，常会出现轴向弯曲、截面变形和扭转等几何偏差（如图1所示）。这些偏差无法仅通过优化挤压完全消除，导致装配干涉或报废，限制了工程应用。因此，需要一种几何校正工艺来有效控制复杂偏差，纠正件几何形状，确保成型质量和装配精度。

迄今为止，已有许多研究报道了各种零件的偏差控制方法。根据成型原理，这些方法可分为变形补偿和应力调节方法。变形补偿是指从形状偏差节点向目标形状节点进行反向变形。杨等人提出了一种结合角度补偿因子的集成补偿方法，其精度高于现有的方向补偿方法。张等人使用理论公式开发了变曲率空心件的回弹预测模型，并通过反向传播实现了弯曲补偿。赵等人实施了周向拉伸或压缩变形以增强周向几何校正。王等人通过构建曲率和扭转映射函数，数值近似了变曲率空心件的回弹预测和补偿。在变形补偿中，偏差的方向和量是影响位置误差和补偿水平的关键因素，通常适用于单一形状缺陷。轮廓薄壁空心件中的复杂形状和尺寸偏差的结合使得补偿方向和量的测量变得复杂。

应力控制方法通过改变材料的内部应力状态来减小几何偏差。?wi?等人通过拉伸方法实现了工件的轴向矫直。Corona预测了拉伸弯曲中的截面变形和回弹。Miller等人在拉伸过程中结合内部压力减少了回弹并控制了截面变形。Zhai等人研究了预弯曲加拉伸载荷下任意截面轮廓的成型和回弹，将拉伸弯曲分为12种情况，并建立了回弹的条件和分析步骤。尽管拉伸方法可以减少偏差并提高成型精度，但过度拉伸可能导致截面变形和壁厚减薄。加热轮廓可以减小材料流动应力和平应力差，称为热几何校正。基于应力松弛原理，邓等人提出了热扭曲拉伸矫直方法，通过在扭曲拉伸矫直后保持恒定的矫直温度和应变来减小残余应力和回弹，从而在单一过程中最小化弯曲变形和扭转角度。为了在薄壁件制造中同时控制形状精度和机械性能，曲等人推荐了带有原位应力松弛时效的热成型工艺。低温下的模具有助于热成型后的原位应力松弛时效，应力松弛和时效相互增强成型部件的强度和尺寸精度。虽然加热可以减小应力差，但也会降低截面刚度，可能导致截面变形。

水成形用于生产高轮廓精度的管状部件和具有复杂形状的金属板，制造整体零件以替代某些冲压组件。孙等人研究了水成形过程中应力分布对回弹的影响，得出结论：当大部分材料处于拉伸应力状态时，弯曲力矩减小，从而减少回弹。在矩形管的水成形过程中，需要较大的内部压力来形成角部，塑性变形集中在直壁和角部之间的过渡区域。袁等人提出在角部成型过程中使用类似花瓣的预成型截面形状来降低内部压力，提高了矩形部件的轮廓精度。此外，还采用了带有径向挤压的管水成形来校正空心部件的几何形状，降低了水成形所需的压力。为了消除膨胀，全压缩低压管水成形确保成形管段的周长等于管坯的周长。林等人引入了径向水锻弯曲方法，通过进一步压缩低压管水成形来改变弯曲应力，从而降低回弹，实现高弯曲轮廓精度。褚等人证明，在适当的正向力作用下，空心部件可以发生塑性压缩，通过轴向压缩减少了变直径管的壁厚减薄率。因此，压缩变形提高了空心部件的成型质量。

尽管已经开发了多种先进的几何偏差控制和高轮廓精度技术，但在应用于轮廓薄壁空心件时，理论和应用上仍存在局限性。在技术机制方面，变形补偿方法主要是通过过度变形来抵消几何偏差。然而，一个关键缺点是必须精确测量每个部件在多个方向和多个角度的偏差，因此建立通用理论框架十分困难。这一缺点不仅增加了偏差控制的复杂性，还提高了工程应用的成本。拉伸成型方法效率高且方便，但引入的拉伸应力容易引起次级偏差，如截面变形，从而影响部件的服务性能和结构可靠性。水成形方法依靠内部压力作为主要驱动力，但通常需要极高的压力来驱动材料在部件的小圆角区域的流动，导致工艺难度和能耗增加。值得注意的是，轮廓薄壁空心件通常存在各种初始几何偏差，且内部应力在成型过程中呈多方向和非均匀分布。因此，它们的偏差表现出复杂的行为，表现为多种类型和机制的耦合，给传统的单一类型偏差控制策略带来了巨大挑战。该领域亟需解决的核心科学问题是：如何在相对较低的内部压力下，通过协同调节多方向非均匀应力状态，降低成型过程对初始几何偏差的敏感性，同时抑制多种类型的偏差并一步校正部件的外轮廓。因此，针对这类部件的复杂几何偏差行为开发新的方法和理论，不仅有助于填补薄壁空心件外轮廓校正的研究空白，还为工程实践提供了关键的理论支持，具有重要的科学意义和工程应用价值。

本研究的目标是建立一种先进的分析框架，用于精确高效地控制轮廓薄壁空心件外轮廓的多维偏差。提出了一种基于“材料在足够正向支撑下可以进行稳定塑性变形”原理的轴向水挤压成型方法。由于该方法利用了冲头的轴向进给所产生的挤压变形，因此可以直接影响应力场重构，从而实现多维偏差的同步抑制。研究了加固件对轴向水挤压条件下不稳定性和外轮廓校正质量的影响，阐明了该技术为何适用于轮廓薄壁多腔空心件。该方法解决了在复杂多腔结构中平衡成型精度和稳定性的挑战。此外，还研究了轴向水挤压过程中不同方向应力的变化，阐明了几何偏差的机制以及同时减少轴向、周向和扭转偏差的原理。开发了一种新的多维偏差控制框架，考虑了加工硬化、材料性能、几何形状和工艺参数等关键因素。设计了一个可量化的临界挤压位移模型，为空心件外轮廓校正提供了准确高效的偏差控制策略。研究包括一系列物理实验和有限元仿真，以验证该工艺的可行性和模型的可靠性。结果证实了轴向水挤压方法的成型能力以及通过建立的分析模型实现的偏差控制精度。因此，本研究为轮廓薄壁空心件的“多维偏差同步控制”提供了一种创新方法，为相关领域的高精度制造提供了理论和工程参考。

对于感兴趣的读者，我们提供了一段视频，以说明轮廓多腔件几何校正技术的概念。

**部分内容说明**
**轴向水挤压的力学原理**
图2展示了轴向水挤压的基本力学原理。具有多维几何偏差的空心件在模具和内部压力的协同作用下被安装到模具腔中；这一过程称为模具安装变形（FDD），会在材料应力状态中产生差异，当外部约束去除后会出现显著偏差。这种应力状态的差异可以通过轴向挤压进行修改。

**轴向挤压的理论模型**
为了建立具有内部压力支持的轴向挤压阶段的数学模型，做了以下假设：
(1) 由于模具的限制，空心件在周向不发生变形；因此，变形状态对应于平面应变；
(2) 假设材料是各向同性的，并遵循Mises屈服准则，同时使用Hollomon模型描述应变硬化；
(3) 杨氏模量不随变形而变化。

**材料**
本研究使用的部件包括单腔（厚度=3 mm）、双腔（厚度=3 mm）和三腔（厚度=2 mm）的6063铝合金空心件，以及多腔（厚度=3 mm）的6005A铝合金空心件。单腔和三腔空心构件处于6063-O状态（退火状态），双腔空心构件处于6063-T5状态（挤压成型后人工时效处理），而多腔空心构件则处于其他状态。在轴向液压挤出过程中，由于刚性模具和内部压力的限制，空心构件会发生塑性挤出变形；然而，当轴向挤出位移过大时，侧壁会出现皱纹。通过在空心构件中引入加固件可以进一步抑制皱纹。如图14a所示，在相同的轴向挤出位移和内部压力下，没有加固件的空心构件会出现明显的皱纹。

经过成型的多腔空心构件由于其轻质结构和多功能集成而具有广泛的应用潜力。然而，复杂的截面、薄壁以及对轮廓精度的高要求使得整体轮廓校正变得极其困难，严重阻碍了其发展和应用。如图38所示，通过连续热挤压生产的6005A-T6型多腔空心构件具有特定的截面形状。

多维几何偏差的耦合显著影响了成型薄壁空心构件的轮廓精度、工艺灵活性、制造成本和生产效率。由于在校正过程中每个方向上的应力状态都很复杂，有效控制这种耦合是一个挑战。本研究提出了一种基于应力调节的多维偏差同步控制校正方法，并建立了一个用于准确控制偏差的分析框架。

本研究提出了一个基于压缩应力转换机制的多维几何偏差同步控制分析框架，以及一种适用于具有不同偏差的成型薄壁空心构件轮廓校正的轴向液压挤出工艺。该方法依赖于塑性变形进行成型，适用于由延性材料制成的空心构件。然而，该方法不适用于脆性材料或C值极低的材料。

作者贡献声明：
谢文龙：正式分析、方法论、撰写 – 审稿与编辑。
王庆峰：概念构思、方法论、可视化、撰写 – 原稿撰写、审稿与编辑。
楚冠南：概念构思、资金获取、方法论、资源协调、撰写 – 审稿与编辑。
孙雷：实验研究、资金获取、正式分析。
张存生：数据管理、方法论指导、撰写 – 审稿与编辑。
赵龙：软件开发、验证、可视化。
侯德祺：

利益冲突声明：作者声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

致谢：
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52475331、52305348、52275319和52525508）和山东省重点研发计划（项目编号：2022JMRH0302）的财政支持。作者借此机会对这些资助机构表示衷心的感谢。