1、成果介紹

針對極小特征成形難的問題，大連理工大學何祝斌教授團隊提出氣液混合低壓成形新工藝，將傳統“高壓脹形”轉變為“低壓壓形”。通過模具運動提供主要成形力，氣液混合介質提供穩定內部支撐，使薄壁管在較低壓力下實現快速成形。研究人員以 AA6061薄壁管為研究對象，系統揭示了成形過程中的壓力演化、變形機制和圓角成形極限。結果顯示，通過模具壓縮驅動材料沿環向流動并主動向圓角區補充和堆積，可顯著提高圓角成形能力，3-5%的環向壓縮即可成形出相對圓角半徑小于 1 的超小圓角局部特征，突破薄壁管小圓角制造極限。

相關工作以論文題目“Gas-liquid low-pressure forming breaks tube corner-forming limits”發表在International Journal of Mechanical Sciences期刊上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2026.111672

2、文章亮點

(1)開發了一種用于輕合金薄壁管超小圓角成形的氣液混合低壓成形工藝。該工藝以模具壓縮驅動材料流動，并利用氣液混合介質提供自調整內部支撐，可在較低壓力下實現薄壁管類構件超小圓角的穩定成形。

(2)建立位移–壓力耦合算法，并揭示了彎曲主導向壓縮主導轉變的變形機制。該算法耦合了位移–體積–壓力的演化，為有限元分析提供動態壓力邊界，并揭示了由等周長彎曲向周向壓縮轉變的成形機制。

(3)實現相對圓角半徑小于1的成形，并驗證了超小圓角管類構件成形的可行性。結果表明，該方法可獲得r/t<1的超小相對圓角半徑，突破了傳統管材小圓角成形的極限，并成功用于薄壁管類構件的批產。

3、研究背景

隨著輕量化和一體化制造需求提升，薄壁管件逐漸向復雜變截面、空間彎曲軸線及局部小圓角特征等方向發展。然而，傳統高壓脹形在極小圓角制造時面臨瓶頸。隨著圓角半徑減小，內壓有效作用面積和局部變形驅動力受限，繼續升壓不僅難以改善圓角填充，還會導致局部減薄、開裂，并顯著提高設備噸位、密封難度和制造成本。

低壓成形為突破這一瓶頸提供了新思路。與傳統“內壓脹形”不同，“低壓成形”主要依靠模具運動施加壓縮載荷，驅動材料主動向小特征區域流動，內部流體介質則用于輔助支撐避免壓縮失穩。但現有單一流體介質低壓成形仍難以兼顧壓力控制與穩定支撐：液體介質壓力波動劇烈，氣體介質支撐能力不足。因此，如何獲得穩定的低壓支撐、可控的壓力調節、精確的材料流動，成為實現復雜薄壁管超小圓角成形的關鍵。

4、主要研究工作

圖1. 由拉伸變形轉變為壓縮變形，可促進材料流動，有利于成形超小圓角。

圖2. 管材氣液混合低壓成形過程：（a）向管內充填氣液混合多介質并進行壓形；（b）成形過程劃分：前期彎曲變形，后期壓縮變形為主。

圖3. 管材成形過程形狀及尺寸演化示意圖。

圖4. 管材氣液混合低壓成形有限元建模的難點與解決方法。

圖5. 管材氣液混合低壓成形實驗裝置及模具。

圖6. 不同初始壓力 P? 和氣相體積分數 k 壓力演化規律及其對圓管壓方氣液混合低壓成形起皺演化的影響規律示意圖。

圖7. 氣液混合低壓成形實驗與位移–壓力驗證。

圖8. 圓壓方過程形狀演化規律（t = 1.2 mm）：（a）截面由圓形向小圓角近矩形演化；（b）截面壓縮率隨位移增加，最高約 7%；（c）圓角半徑由 19 mm 降至 0.9 mm。

圖9. 圓管壓方不同階段的周向應力分布：（a）彎曲階段，應力集中于圓角；（b）壓縮階段，圓角和側壁周向壓縮增強；（c–d）圓角與側壁的內外表面拉壓應力狀態。

圖10. 不同壁厚薄壁管圓管壓方成形實驗結果。

圖11. 截面壓縮率對圓角半徑的影響：（a）壓縮率演變；（b）圓角半徑演變；（c）圓角半徑與壓縮率耦合演化；（d）圓角成形階段劃分。

圖12. AA6061 管材圓角成形極限：（a–b）彎曲極限：平均 r/t ≈ 2.1；（c–d）壓縮極限：平均 r/t ≈ 0.9。

圖13. 氣液混合低壓成形專用設備及應用：（a）系統組成；（b）小圓角成形對比；（c）車架管件應用。

5、主要結論

針對薄壁管極小圓角成形受限的問題，本文提出了一種氣液混合低壓成形新方法。該方法將傳統“高壓脹形”轉變為“低壓壓形”，通過模具運動驅動材料流動，并利用氣液混合介質提供內部支撐，實現了薄壁管超小圓角的穩定成形。主要結論如下：

• 建立了位移–壓力耦合方法：本文建立了模具位移、管坯體積變化、氣液介質壓縮和內部壓力演化之間的耦合關系，獲得了適用于有限元仿真的動態位移–壓力加載曲線。該方法提高了氣液低壓成形仿真的真實性，并可用于工藝參數優化和失穩抑制。

• 揭示了“彎曲主導—壓縮主導”的變形機制：氣液混合低壓成形過程并非單一脹形，而是先經歷近似等周長的彎曲階段，隨后進入周向壓縮階段。隨著模具繼續閉合，材料在壓縮作用下進一步流向圓角區域，使圓角半徑持續減小，從而突破傳統液壓脹形的小圓角限制。

• 實現了r/t<1的超小圓角成形：實驗結果表明，AA6061 薄壁管在彎曲階段的平均相對圓角半徑約為 r/t = 2.1，進入壓縮主導階段后可進一步降低至約 r/t = 0.9，成功實現了小于壁厚的超小圓角成形。

• 驗證了復雜薄壁管構件的應用潛力：以高端運動車車架2.2mm壁厚管件為例，氣液混合低壓成形可獲得小于 1.5 mm 的外圓角半徑，且圓角區增厚至 3.2 mm；相比之下，高壓脹形外圓角半徑大于 5 mm，且圓角區減薄至 1.8 mm。表明氣液低壓成形在復雜薄壁管件高精度、小圓角制造中具有廣闊的應用前景。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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