【干貨】汽車輕量化中內(nèi)高壓成形技術
汽車輕量化是汽車未來發(fā)展的主流趨勢，內(nèi)高壓成形技術就是在這種趨勢下發(fā)展起來的輕量化制造方法，它是利用液體壓力作用于管坯內(nèi)部，使管壁在內(nèi)部液體壓力的作用下貼覆模具型腔，由此制造出在軸線方向具有不同截面形狀的管狀部件。傳統(tǒng)的制造方法是用板坯沖壓成兩個半槽，然后焊接到一起。這種制造方法會導致零件焊接變形，重量增加，零件設計方法單一。用液壓內(nèi)高壓成形的方法可以制造出截面更加復雜的管狀部件，而且形成封閉的截面，減少了制造工序、模具數(shù)量和焊縫的數(shù)量，提高了零件整體性，提供了靈活的截面設計方法，提高了零件的強度、剛度和尺寸精確性，回彈較小，并且顯示出了很明顯的減重效果。
內(nèi)高壓成形的原理
1.內(nèi)高壓成形原理
管材內(nèi)部充入高壓液體，使其作用在管材內(nèi)表面，同時在軸向力的輔助下進行補料，使管材外壁充分貼覆到模具型腔。管材內(nèi)高壓成形工藝主要由以下步驟組成：將管坯放入模具型腔，模具閉合;對管材兩端用密封沖頭密封，將高壓液體通過沖頭進入管材內(nèi)部，在高壓液體的作用下管材外壁逐步接近并貼覆型腔;待管坯外壁大部分貼覆模具后，增大液體壓力，使其圓角等局部難以成形的部位充分貼覆型腔，最后獲得需要的零件。
2.管件內(nèi)高壓成形技術缺陷
管件內(nèi)高壓成形過程中由于材料、模具、工藝條件不合理等因素，常會導致成形過程中出現(xiàn)起皺、破裂、屈曲等缺陷。
(1)起皺
主要是因為內(nèi)壓力不足、軸向進給量過大而引起的。起皺的數(shù)量、高度與加載路徑、管坯幾何尺寸等有關。起皺分為有益起皺和有害起皺兩種。有害起皺將形成死皺，在后序中無法消除，但是有些合理幾何形狀的起皺，即有益起皺是必要的，因為這些起皺在內(nèi)高壓成形過程中有利于零件的成形。(2)破裂 因內(nèi)部壓力過高、軸向進給量不足，或二者的匹配不合理，使管壁迅速變薄產(chǎn)生局部變薄以至破裂的現(xiàn)象。為避免破裂，應該使管壁在發(fā)生縮頸前貼覆模具。
(3)屈曲
在成形過程初始階段，軸向載荷高、內(nèi)壓力低，模具中的管坯自由段長、導向段短而引起管坯的整體彎曲。它可以通過合理選擇管坯長度，選擇合適的預成形工藝，調(diào)節(jié)成形過程中的參數(shù)來避免。
內(nèi)高壓成形生產(chǎn)線關鍵因素
1.內(nèi)高壓成形用液壓機
建立一條內(nèi)高壓生產(chǎn)線，需要具備數(shù)控彎管機、預成形設備、數(shù)控液壓機、切管設備等，最基本的設備是數(shù)控液壓機。數(shù)控液壓機主要由合模機構、水平軸向進給液壓缸、高壓源、計算機控制系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)等組成。其中合模機構主要是提供開合模具的作用;軸向進給液壓缸的主要作用是對管端進行密封，并且可以提供給料力。由于普通的液壓泵最多能夠提供50MPa的壓力，而內(nèi)高壓成形過程中需要的壓力往往能夠達到300～400MPa，因此在管件脹形過程中需要配置增壓機構來提供脹形高壓。另外液壓機還配有水壓系統(tǒng)在脹形時提供脹形液體，并對其進行回收和過濾。成形過程中的各類參數(shù)，如成形過程中的內(nèi)壓和軸向進給的路徑匹配則通過計算機控制系統(tǒng)控制并且能夠預先設定。
為進一步提高單件生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)時間，國外有些公司制造了短行程液壓機。除了具有典型液壓機的配置外，該機床開合模機構采用單獨的上液壓缸，能夠完成模具快速開合模。兩側的定位缸則通過定位機構在滑塊和上部橫梁之間起到定位作用。通過底部兩個液壓缸提供閉合壓力，并且僅僅脹形時造成機身，模具變形形成間隙，因此其行程非常小，生產(chǎn)率較高。
國際上能夠提供內(nèi)高壓成形成套技術與設備的制造商多數(shù)集中在歐洲，如德國舒勒公司、SPS公司;另外日本的AP&T和TOYO TA&NIPPONSTEEL等公司也研發(fā)了系列內(nèi)高壓成形液壓機，并研發(fā)了一種機械鎖模結構，很適合大長度、大體積的零件生產(chǎn)。我國一汽集團技術中心也研發(fā)了一種適合批量生產(chǎn)的數(shù)控液壓機，已經(jīng)申請專利。哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)了最大壓力可達400MPa的數(shù)控液壓機，并且可以配備不同規(guī)格的水平液壓缸，已用于工業(yè)生產(chǎn)。
2.管件預處理工藝
對于軸線具有空間幾何形狀的零件，在內(nèi)高壓成形之前，需要進行預彎曲。另外，對于截面形狀復雜的零件，管坯彎曲后需要進行預成形工藝，即將彎曲后的管坯截面變成有利于內(nèi)高壓成形的形狀。這樣可以預先配置管材材料分布，有利于內(nèi)高壓成形工序。另外，在預彎曲和預成形后，材料內(nèi)部會存留殘余應力，導致成形工序中材料變形不均勻，甚至在成形過程中發(fā)生破裂。因此，在管坯預彎曲和預成形時要注意保證管坯材料厚度均勻。為減少殘余應力，可以增加熱處理工序(如退火)來消除內(nèi)部殘余應力。
液壓成形用模具
1.模具結構管件
內(nèi)高壓成形模具主要結構有上模板、下模板以及起密封沖頭和軸向給料機構。管內(nèi)高壓液體起到凸模的作用。模具的作用是提供封閉的凹模型腔，對膨脹后的管材外壁進行約束，使其在高壓液體的作用下充分貼覆模具型腔。液壓成形設備一般擁有兩個方向以上的液壓缸。模具的組成結構可以有三個方向的運動，一些科研單位針對枝形零件研發(fā)了可以進行模塊運動的模具，通過模塊的運動和管材內(nèi)部高壓液體的共同作用來完成管材的成形。通過模具模塊的運動來提高零件成形質(zhì)量是內(nèi)高壓成形工藝中較為關鍵的問題。另外，模具通常采用鑲塊式結構，可以根據(jù)模具各部位耐磨性、強度、工作條件的不同采用不同的材料和工藝進行加工，這樣既提高了模具結構的可加工性，又提高了模具結構的維修性能，滿足了經(jīng)濟性能要求。模具常用的材料主要有45鋼和其他性能優(yōu)良的合金模具鋼。生產(chǎn)中應該根據(jù)產(chǎn)量的大小、工作狀況等因素選擇合理的模具材料。
2.模具潤滑
內(nèi)高壓成形過程中，管壁外側在內(nèi)部高壓液體的壓力下會緊緊貼在送料導向型面上，導致管壁的摩擦增大，影響到軸向補料。管材在逐步貼近模具型腔的過程中與型腔的接觸摩擦也會增大，導致管材局部過度變薄。另外，由于模具導向區(qū)表面質(zhì)量不好，對零件表面產(chǎn)生傷害，影響零件的表面質(zhì)量。因此，在設計模具的時候應該考慮導向區(qū)和型腔的減摩擦技術，采用合適的潤滑方式，減少摩擦，為軸向補料和局部成形提供良好的條件。
管件液壓成形材料
內(nèi)高壓成形技術對管材的性能要求很高，要求管材成形后能夠滿足其使用性能要求。因此，對管材的性能指標如屈服強度、伸長率、材料硬化指數(shù)等要求較高。
在汽車工業(yè)上用于內(nèi)高壓成形的材料主要為低碳鋼、不銹鋼和輕合金等，如低碳鋼(1010、1008)，鋁合金(5019-O、5754-O、6060-T4、6063-T4、6082-T4)，他們主要用于車體部件。不銹鋼管304、309等主要用于排氣系統(tǒng)，它們抗拉強度約為300～450M Pa。另外相關部門試圖采用DP鋼(雙相鋼)和TRIP鋼(相變誘生塑性鋼)進行內(nèi)高壓成形，與傳統(tǒng)的管材不同的是這兩類管材抗拉強度達到1000MPa，但是延伸率卻降低了10%左右。成形難度增加，容易開裂。因此對于DP鋼和TRIP鋼的利用需要對其制造工藝進行研究，以進一步提高塑性。
對于內(nèi)高壓成形用鋼管，膨脹率較小的零件，通過內(nèi)高壓成形的方式較容易獲得，成形后管材壁厚變薄較小，不會影響到零件的使用性能。但是，成形率過高的零件，在成形過程中會導致管材局部過度變薄，以致影響到了零件的使用性能，通過軸向補料的方式也很難彌補。
因此，一些研究部門開始對內(nèi)高壓成形用鋼管制造進行了專門的研究，采用沿軸線方向具有不同壁厚的異壁厚管材進行內(nèi)高壓成形，旨在保證能夠得到管壁均勻的零件。在對異壁厚管的成形進行了大量有限元模擬和試驗對照的基礎上，指出采用異壁厚管能夠提高管材的成形性能，提高零件的質(zhì)量，并且指出這種通過增加管坯的局部厚度的方式，并不會使零件的重量增加，采用異壁厚管為解決管材內(nèi)高壓成形局部變薄的問題提供了新的思路。圖6為模擬與實案對比。
利用內(nèi)高壓成形技術進行生產(chǎn)，首先應當考慮使用怎樣的材料制造產(chǎn)品，同時在該種材料的情況下，具有工藝可行性，并且能夠滿足其汽車的行駛要求。
結語
汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向之一，而內(nèi)高壓成形技術為汽車輕量化的實現(xiàn)提供了可行的工藝方案。本文對管件內(nèi)高壓成形技術的基本原理、材料、內(nèi)高壓生產(chǎn)線等相關方面進行了介紹，以期這項技術在中國早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
來源：金屬板材成形之家(作者：吉林大學/張寶亮 王智明)
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