金属波纹管过去常采用焊接成形、半无模成形、高温气胀成形等传统工艺，但是传统成形工艺的工序较多、成形表面质量较差，同时高温成形所需的能耗较高。

因此，近年来高质量、高效率、低成本的液压成形技术成为生产金属波纹管的优选工艺之一。金属波纹管液压成形技术是通过向密封的管坯内注入高压液体，与此同时管坯两端的左右冲头相向进给施加轴向压力，在两种外力的作用下使管坯发生塑性变形获得最终成形的波纹管。

采用液压成形工艺生产波纹管既减少工序又降低成本，同时生产的管材零件具有产品质量好，尺寸精度高等优点。近年来，波纹管液力成形技术在成形理论和生产工艺上都取得了长足的进步。

下面介绍一种由徐勇等研究人员针对具有连续窄波距、薄壁小直径等复杂特征的金属波纹管产品而采用耦合模具运动的整体液力成形工艺方法。

研究人员首先应用UG建模软件进行模具设计，基于Dynaform软件对整体液力成形工艺进行模拟，然后分别对管坏壁厚、模瓣间距、初波胀形压力和整形压力关键工艺参数进行系统分析。最后，开展相关实验，验证其成形工艺的可行性。

一、波纹管的几何特征和整体液力成形原理

金属波纹管的结构特征如图1所示，零件主要有两种管壁形态组成，左右两侧保持管材原始形状，如图中A和C部分所示;中间部分成形连续波纹，如图中B部分所示;其中D表示管坯外径;E表示波纹管的波距;F表示成形后波纹部分的外径。

针对波纹管整体液力成形的特点，参考动模成形工艺，采用初波胀形-合模挤压的分步成形方法，可以有效抑制管壁减薄。

该成形方法可以分为四个阶段：

(1)按设计尺寸截取管坯，将管坯放置在下半模上，并闭合上、下半模，左右冲头延伸至管坯的两个端口中形成密闭的空腔，同时向管坯内注入液体;

(2)增大管坯内部液体压力，高压液体均匀作用于模腔，左右冲头固定，利用液体压力和模腔的约束形成初波;

(3)在初波成形完成后，施加轴向压力使模具进给，直至贴合，将初波挤进模腔，之后进一步增大管坯内部液体压力，使得管壁与模腔贴合并固定波形。

(4)成形完成后先卸内压力，再卸载轴向推力，分开上下模具，冲头退出，取出波纹管管件。

二、有限元模拟及分析

1、建模

使用管材：SUS奥氏体不锈钢管材，管材外径Φ15mm

使用软件：UG、Dynaform

模型如图3所示，模型的网格尺寸设定为0.5mm，共有个单元，中部成形9个连续的“U”形波纹。

2、分析

本文以成形后管材波峰处的减薄率δa，波谷处的增厚率δb和波纹段直径D为考核指标，分别研究管坯壁厚、模瓣间距、初波胀形压力和整形压力对波纹管成形质量的影响。由于波纹管的成形结果存在一定的对称性，因此，本文以右侧四个波形作为主要研究对象，进而节约运算时间。

2.1管坯壁厚对波纹管成形质量的影响

有限元模拟如图4所示。

综合分析并结合图4可知，当管坯壁厚为0.5mm时可满足减薄率小于20%且成形后波纹段直径大于20mm的要求，同样波谷处由减薄变为增厚，可获得综合性能较好的波纹管零件。

2.2模瓣间距对波纹管成形质量的影响

模瓣间距是指波纹管成形前相邻模瓣之间的距离。模瓣间距首先影响到成形过程中的补料量和初波胀形阶段圆管的起波弧度，从而进一步影响成形后波纹管的波纹段直径和壁厚减薄率。

有限元模拟如图5所示。

分析可知，当模瓣间距=6mm时波纹管的减薄率为19.3%20%，成形后的波纹段直径为20.87mm20mm，所以最终确定模瓣间距为6mm。

2.3成形压力对管材成形质量的影响

初波阶段的有限元模拟如图6所示。

分析可知，在初波胀形阶段初波的高度不宜超过18mm，所以最终将初波胀形压力定为25MPa。

整形压力对波纹管成形质量的影响如图7所示。

分析可知，当整形压力为MPa时，减薄率、波纹段直径、增厚率，满足减薄率20%以及波纹段直径大于20.12mm的成形要求，且波谷处的增厚适中，成形后波纹管的质量优异。

三、实验

基于有限元模拟结果，对波纹管进行液压成形实验。实验设备为兴迪源机械自主研发的T的金属波纹管液压成形设备，如下图所示。

该设备模腔内的液压压力以及冲头进给可通过闭环伺服系统实现精确控制，压力控制精度为0.5MPa，位移控制精度可达0.1mm。液力成形模具采用卧式成形结构。上下开模，模具由上模、下模、左冲头和右冲头组成。

最终成形的波纹管样件如下图所示。

经过测量，误差0.01mm，与模拟结果对比可知，壁厚减薄率沿轴向上变化趋势是一致的，且相对误差保持在5%以内，符合要求。

另外，在模拟和实验中我们可得知，在窄波距波纹管成形工艺中，初波胀形压力和模瓣间距是影响波纹管成形质量的关键工艺参数。若初波胀形压力较小或模瓣间距较小，会导致初波胀形弧度小于成形需求的补料弧度，进而造成加压整形阶段内高压强制管坯充满模具型腔。反之若初波胀形压力较大或模瓣间距较大，造成初波胀形的补料弧度过大，会导致在加压整形阶段减薄率过大从而发生破裂。

注：本文由本平台编辑整理自《塑性工程学报》年第8期，作者徐勇、尹阔、靳鹏飞、田亚强、夏亮亮、张士宏、李博。转载请注明出处。