水龙头内高压水胀成形工艺分析及生产实践

阮宗龙

（广东思豪内高压科技有限公司，广东 佛山 528226）

随着人们生活水平的不断提高，消费者对水龙头的需求越来越向艺术化、高档化方向发展，其外形结构和成形工艺随之越来越复杂，传统工艺成形的水龙头已无法满足该市场需求。水龙头的传统成形工艺有铅胀成形（铅对人体有害），胶胀成形（介质胶浪费严重），油胀成形（污染严重），焊接成形（尺寸不稳定）和铸造成形（有沙眼、气孔）等。而水龙头内高压水胀成形工艺有如下特点：绿色环保（介质水环保、清洁、零污染），节能降耗（伺服系统节能30%～70%，材料利用率达到80%以上），产能提高（尺寸稳定、可批量生产、效率提高10～50倍），安全可靠，应用广泛等。针对水龙头传统成形工艺的不足,本文提出一种新型的内高压水胀成形工艺方法。

1 水龙头的水胀成形工艺分析

图1 产品图

如图1所示为最终成形产品图。首先制定其工艺路线为：切管-弯管-压扁-水胀1-退火1-水胀2-退火2-水胀3-切割-抛光-镀铬。本文仅对水龙头的弯压及水胀成形工艺分析如下。

（1）选材。如图2所示，产品要求用不锈钢SUS304，最小壁厚不小于0.8mm。而经过测量，水龙头最小外径处的周长为83.26mm（即直径约ø26.5），水龙头进水口处直径为ø52，是水龙头的最大直径，水龙头出水口处直径为ø38；根据胀形的横截面积保持不变原理，选用外径为ø26、壁厚为1.6mm的不锈钢管件进行水胀加工成形。由于不锈钢管件在水胀成形过程中，水的压力会对其材质产生膨胀及拉伸作用，故在水胀成形过程中需要通过外力对其进行补料，以有效地防止胀形处的壁厚变得更薄。另外，由于进水端的直径与出水端的直径相差较大，故进水端需要采用补料及封水工艺，而出水端则不需用补料工艺，只需要考虑封水工艺即可。

图2 水龙头水胀成形工艺分析图

（2）弯管。由于水胀时其模具的型腔是固定不弯的，故弯管的形状必须与第一次水胀的模具型腔的形状基本一致，而且不锈钢管件弯的长度和弧度都要求定好位，保证每个产品基本一样。

（3）压扁。由于产品中间一段是扁的，所以要增加一个工艺,就是将弯好后的弯管中间部分压扁，同时对整条弯管进行整形，保证整条弯管的外形尺寸一致，以便于下一个生产工序（即第一次水胀）顺利进行，如图3所示。

图3 弯管压扁产品

（4）第一次水胀。经分析计算，此水龙头的工艺难点在于从原材料直径ø26水胀至进水端直径ø52，同时考虑到切割及材料流动性问题，进水端最大直径应水胀到ø53；同样道理，出水端最大直径应水胀到ø42，如图2所示。按普通不锈钢SUS304材质的延伸率40%理论值计算，实际在水胀时只有25%～30%的延伸率，故经三次水胀才能达到产品要求的尺寸。进水端第一次水胀模具设计最大处为ø32.5，按胀形比约为1.25来胀形，且既封水又送料5mm。出水端第一次水胀模具设计最大处为ø29，按胀形比为约1.12来胀形，且只封水不送料。不锈钢SUS304管内水胀压力可达120MPa，外壁全部贴满型腔，胀形最大位置处壁厚为1.28～1.33mm，产品表面没有起皱，水胀效果很好。不锈钢SUS304材质经水胀后产生内应力，延伸率也达到了极限的边缘，所以要经过高温固溶热处理，才能进行第二次水胀，如图4所示。

图4 第一次水胀产品

（5）第二次水胀。进水端第二次水胀模具设计最大处为ø41.5，按胀形比约为1.28来胀形，且既封水又送料5mm。出水端第二次水胀模具设计最大处为φ35，按胀形比约为1.2来胀形，且只封水不送料。SUS304管内水胀压力可达160MPa，外壁全部贴满型腔，胀形最大位置处壁厚为1.0～1.1mm，产品表面没有起皱，水胀效果很好，水胀后固溶退火处理，如图5所示。

图5 第二次水胀产品

（6）第三次水胀。进水端第三次水胀模具设计最大处为ø53，按胀形比约为1.28来胀形，且既封水又送料5mm。出水端第三次水胀模具设计最大处为ø42,按胀形比约为1.2来胀形，且只封水不送料。考虑到压扁处棱边问题，SUS304管内水胀压力可达250MPa，外壁全部贴满型腔，胀形最大位置处壁厚为0.8～0.85mm，产品表面没有起皱，压扁处棱边立体感更明显，水胀效果很好。经切除进出水两端的多余工艺料，达到产品设计尺寸，如图6所示。

图6 第三次水胀产品

2 工程实践

经计算，用P水=250MPa的超高压水胀压强，则主缸夹紧力F1=P水A1=250×19400×10-3=4850kN，取F1=5000kN。A1为水龙头水平放置时的投影面积，经软件测得A1=19400mm2；计算侧缸夹紧力F2=P水A2=250×0.785×262×10-3=132kN，考虑到封水工艺，取F2=400kN。此工艺生产采用我司自发研制并生产的多工位内高压水胀成形机YB98/3-820T生产，并取得了良好的效果。此产品经水胀后比之前精铸产品优化许多：重量减轻了30%,从原材料上节约了成本；外表面平整,对后期表面的抛光处理更简便；内高压水胀机器操作简单,按8小时工作,日单产2000～2500件，效率高，便于批量生产。

3 结语

综上所述，此类中空复杂零件，采用内高压水胀成形技术可以取代一些传统工艺成形，并具有轻量化、节约成本、稳定质量、提高效率、绿色环保等显著优点。

目前，内高压水胀成形技术已广泛应用于军工行业，如航天通信用波导方铜管；汽车零部件行业，如汽车排气管、水箱、保险杆、副车架、旋挂轴套、缓冲器等；卫浴行业，如水龙头；民用不锈钢管行业，如直通、三通、弯头卡压管等；民用制冷供暖铜管行业，如直通、T型、Y型、L型铜管等；民用五金行业，如电饭煲斧型锅胆、真空杯、保温杯、装饰工艺柱等。在我国，许多中空零配件还采用传统的焊接或铸造工艺，该市场有待研发和开拓。