管材液压成形在汽车节能减排中的开发应用

qccl · 发表于 2019-10-30 09:15:10

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【汽车轻量化在线】摘要：本文重点介绍了液压成形工艺原理、工艺流程、工艺分析、模具设计及制造生产上的技术要点。实际生产表明，液压成形冲压工艺方案可有效兼顾轻量化、安全性及开发成本，实现汽车的节能减排。

关键词：液压成形；工艺原理；工艺设计；技术要点

随着生态化的发展进程，全球对环境和资源保护意识的逐渐加强，世界各国在发展经济同时，越来越重视生态环境的协调发展，绿色环保和节能减排成为发展主题。车企可以通过发展新能源汽车、调整产品结构、研发高效驱动系统、汽车轻量化等多种方式，实现节能减排。其中，轻量化作为解决汽车节能减排的主要途径之一，是未来汽车行业发展方向之一，特别是对于发展迅速的新能源汽车来说，重量的减轻，直接意味续航里程的增加，如表1所示。轻量化技术的发展对产品结构提出了更高更强的要求，使得产品向高质量、高性能、高集成、短周期、低能耗、低污染及低成本发展。轻量化成形技术要求满足新材料、高强度及更复杂的产品开发，以保证产品整体轻量化水平，轻量化有两种实现路径：轻质材料应用和结构优化。

表1 轻量化对汽车节能减排的贡献

管材液压成形技术将结构轻量化和加工柔性化有效的结合起来，是一种近净成形技术[1]。采用管材液压成形技术进行汽车管梁构件开发，节材减重效果明显，空心轴类可减重40%～50%，最高可达75%。不仅能减轻车身质量实现节能减排，同时还能提高汽车的安全性能，兼顾轻量化的同时，节约开发成本。该技术，不仅受到通用、大众、沃尔沃、通用、宝马、奔驰等外资汽车品牌的青睐应用，长城、吉利及江淮等自主品牌汽车也逐渐开始应用。可采用液压车身零件及总成，如图1所示，主要是沿构件轴线变化的圆形、矩形或异形截面空心构件。

图1 可液压车身零件及总成

1 管材液压成形工艺原理及流程

管梁液压采用等厚度圆管为加工对象，将经过弯曲预成型的管材5放入模腔8内，合模后通过对轴向加力F1补料以及内部的加压F2，进而实现在其管坯压入到给定模具型腔内发生塑性变形，实现管壁与模腔内表面贴合，从而形成一个成型零件，如图2所示。

图2 管材液压成形原理图

1.上滑块 2.上底板 3.下底板 4.下滑块 5.管坯6.水平进给缸 7.气缸控制台 8.模腔

实际生产中，首先通过高强度板进行制管，然后通过弯管设备或工装进行弯管，对于需要形状复杂的零件需要先进行预成形，再进行液压成形，获得液压成形工序件后通过激光切割完成功能孔和边界的加工，具体工艺流程如图3所示。

图3 管材液压成型工艺流程图

2 管材液压成形工艺分析

管材液压成形主要包括管材的液压涨形和内高压成形（管材轴压涨形）两种工艺[2]，两种管材液压成形区别，如表2所示。

在汽车管材液压成形应用中，为了增加管坯成形性和零件成形后强度[3]，都会增加轴向压力，因此本文主要讲解的管材液压成形是内高压液压成形技术。其成形过程示意图如图4所示。

管材内高压成形主要工作流程[4]：

（1）合模。将管坯放入下模腔，上滑块带动上模腔下行合模，并升至调定压力，保压。

（2）充液。合模后，左右水平进给缸同步进给，直至密封管端，接着关闭进给排液阀，向管坯内充压液，直至达规定压力。

表2 液压涨形和内高压成形区别

（3）涨形。管坯充液结束，左右缸同步继续进给补料，此时管坯在超高压液体作用下产生塑性变形。

（4）开模取件管坯成形后，合模缸、进给缸各自卸压并返回，此时顶出并取下工件，完成一次内高压管材成形。

3 管材液压成形工艺优缺点及应用

管材液压成形工艺同传统的管材弯制、冲压及焊接加工相比具有以下优势：

（1）设计更灵活：通过内高压涨形内力，实现多特征需求，使液压成形产品的设计更灵活。

（2）重量更轻：通过有效的截面设计和壁厚设计，结构件由标准管材经液压成形膨胀成更复杂的单一整体零件，实现较少的管材和较少的装配元件，达到轻量化目标。

（3）质量高：管材经液压成形，强度和刚度得到提高，液压成形产品较焊接件整体性疲劳强度更高，尺寸精度更高，加工误差提高50%，实现±1.5mm降为±0.5。

（4）成本更低：通过液压成形一体产品，实现较少的原材料和较少的二次操作（如焊接、连接及装配等），减少了零件和模具数量，实现了更低成本的零件设计。

图4 管材内高压成形过程示意图

以副车架开发为例，开发零件如图5所示。模具工装成本可节约60%；产品开发成本节约20%；产品实现30%的减重。

图5 液压成形副车架

管材液压成形具备诸多优点的同时，也存在一些显著的缺点：

（1）初期投资较大，液压成形过程复杂，需要昂贵而复杂的液压系统装置和大型液压成形设备。

（2）生产效率较低，因成形过程存在合模→充液→加压→保压以及成形后的卸压，分模等工作内容，所需时间远较普通冲压成形用时长，单位时间生产零件较少。

（3）成形毛坯要求高，成形毛坯为无缝管，成形工艺对毛坯内部缺陷敏感且部分零件需要预成形[4]。

（4）缺乏成形工艺及工装设计经验，由于该项成形技术相对较高且较新颖，其在模具设计及工艺参数设计准则方面缺乏相关经验积累与可借鉴的资料，同时成形仿真模拟和结构设计能力存在一定保密性。

4 管材液压成形的影响因素及工艺缺陷

管材液压塑性成形的影响因素主要有：①管坯材料的成形特性：管坯强度、延展性、塑性流动、硬化特性等材料特性直接决定成形过程的成败及成形零件的质量[5]；②管坯质量和几何参数；③加载路径；④摩擦润滑条件；⑤管坯预成形加工及质量；⑥成形设备的成形能力及精度。

内高压成形的工艺缺陷：在内高压成形过程中，影响因素较多，且诸多因素之间相互关联，相互制约，容易造成屈曲、起皱、破裂、折叠等工艺缺陷[6]。

5 扭力梁管材液压成形设计

下面以扭力梁管材液压成形开发为例进行说明。选取Dynaform材料库中的HSLA550材料，选用36号材料模型，屈服强度δs=550MPa，抗拉强度δb=650～730MPa。其工艺设计基本流程如图6所示。

图6 DL设计流程图

5.1 仿真分析

各阶段工艺性仿真分析结果，如图7所示。

5.2 结构设计

镶块分块布置如图8所示，尽量沿轮廓线法向垂直面分割，避免出现尖角，镶块大小300～400为宜。

模架设计：管梁内高压成形根据零件厚度来定，水压平均会设定在200MPa左右，镶块会受到很大的变形张力，模架基座一般都采用整体锻造（材质718），挡墙厚度要求≥100，如图 9、10。

6 管材液压成形设备

（1）弯管设备及检具，如图11、12所示。

（2）预成形设备，管材预成形冲压模具，如图13所示。

（3）液压成型设备，除了大吨位压机外，还需配备高压液压系统和快速模具更换系统，如图14、15所示。

（4）激光切割设备，完成液压管材工序件功能孔及边界加工，如图16所示。

7 结论

本文通过对汽车管材液压成形技术在汽车节能减排中的应用进行研究，讲解了汽车节能减排中管材液压成形技术的工艺原理、工艺流程、工艺设计及模具设计等的设计要点，指出了管材液压成形在节能减排开发应用中应注意的事项。实际生产表明，管材液压成形技术实现了结构轻量化和加工柔性化有效的结合起来，实现汽车制造高质量、低成本的轻量化结构设计方案。