管件液压成形技术及其在汽车工业中的应用
管件液压成形技术及其在汽车工业中的应用
发表时间：2017-12-13T17:13:02.620Z 来源：《建筑科技》2017年第11期作者：郭万强
[导读] 汽车轻量化是人们长期以来追求的目标。
长城汽车股份有限公司技术中心河北保定 071000
摘要：汽车轻量化是人们长期以来追求的目标。随着人们环境保护意识的提高、对燃料和原材料成本的节约要求及环保法规对废气排放的严格限制，汽车自身的轻量化显得日益重要。除了重新设计车体构造、采用轻体材料外，减轻质量的另一个主要途径就是在结构上采用“以空代实”和变截面等强构件，即对承受以弯曲或扭转载荷为主的构件采用空心结构，既可以减轻重量节约材料又可以充分利用材料的强度和刚度。管件的液压成形技术正是为适应这一要求而开发的一种制造空心轻体构件的先进制造技术。
关键词：管件；液压成形；加载路径
引言
管件液压成形技术（简称THF，国内亦称内高压成形技术）最早由 Gray 等人[1]在 1940 年提出，并用该技术成功地制造出三通管件，之后逐渐在管道领域扩展，采用不高于 30 MPa 的低压制造各种三通管件和局部鼓包类零件。随着塑性成形理论、成形设备、模具设计制造、超高压产生、高压密封、计算机控制及新材料制备等高新技术的不断发展，上世纪90年代，德国率先将管件液压成形技术应用到汽车零部件制造领域，成形液压力达到200~400 MPa，取得了良好规模效益。
1 成形原理
管件液压成形技术通常是用管坯作为原材，通过对管腔内施加液体压力、轴向施加负荷作用，使其在给定模具型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的技术。先将管坯放入下模腔内；然后管件两端的柱塞冲头在液压缸的作用下压入，将管件腔密封，液体介质不断通过冲头内的液体通道流入管件腔；此时上模向下移动，与下模共同形成封闭的模腔，最后高压泵与阀门控制液体压力不断增大，冲头向内推动管件，管壁变形并逐渐贴模，最终得到所需形状的零件。当零件轴线不是直线、零件局部最小截面小于管坯截面时，需进行预弯曲、预冲压等预成形工艺，以便管坯能放入模具中，并使管坯接近零件形状，再充液胀形成形。
2 液压成形主要特点
（1）减轻重量，节约材料。对于汽车副车架等典型产品，液压成形件比冲压件减轻20%。对于阶梯轴类件，采用空心结构取代实心结构重量可以减轻40%~50%。（2）减少零件和模具数量，提高工作效率。采用冲压焊接工艺生产副车架零件模具数量一般不少于6套。采用液压成形技术后，除弯曲和预成形等辅助模具外，液压成形模具仅需要1套。传统板金冲压/焊接成型制程：传统成型分6块工作焊接组合；模具至少6套；焊接处强度刚性较弱；产生多余废料，成本浪费约10%；组合成本浪费24%；组合时间（C.T）8 min。管件液压成形制程：一体成型；仅需一套液压成形模具，成本较低；无焊接缝道，强度刚性较佳；无多余废料（两端定尺修齐）；组合时间（C.T）1 min。（3）可减少后续机械加工、组装焊接量和焊接尾气排放，并降低焊接热变形。（4）提高强度与刚度，尤其疲劳强度。由于零件为封闭截面形状，且焊点数量大幅度减少，零件的刚度和疲劳强度显著提高。（5）降低生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析，液压成形件比冲压件平均降低15%~20%，模具费用降低20%~30%。（6）有利于环保。液压成形无废弃物排放，且介质循环使用。
3 关键技术问题
3.1 材料性能与成形性
管件液压成形性与材料密切相关，通常用于冲压成形的材料均可以用于管件液压成形。适用于汽车的液压成形管坯材料有低碳钢、不锈钢、铝合金、低碳高强度钢等。准确的管材力学性能参数是管材塑性成形工艺规划的基础。管材的力学性能参数通常沿用的是同种材料平板试件的单向拉伸试验数据结果。由于平板试件不能反映出滚弯、焊接等制管工序对板材力学性能的影响和成形性能的消耗，也无法精确反映管材在实际塑性成形中所处的复杂应力状态，从而影响数值模拟结果和工艺规划。田仲可基于各向同性硬化假设，提出一种轴压胀形、单向压缩试验与数据拟合技术相结合的估计管材硬化模型参数的方法。美国的T.Sokolowski[3]设计的液压胀形试验，更能反映管件液压成形过程的塑性变形行为。该试验中变形区管件承受双向载荷，在试验中连续记录内压力、胀形高度、管壁厚度，通过试验数据和理论分析来确定给定管材的应力应变关系。通过在不同压力等级下对材料进行试验，并利用所确定的材料参数进行数值模拟，模拟成形高度与试验非常接近。
3.2 成形过程的有限元仿真分析
管件液压成形属于非线性大位移塑性变形，采用普通的物理试验方法获取工艺及模具等相关参数费时费力，而且得不到准确的结果，因此常用计算机数值模拟方法来仿真管件弯曲、预成形及液压成形的全过程。先根据经验数据设定各种工艺参数及加载条件，仿真管件成形过程中的应力应变分布、壁厚变化、管件外壁与模具型腔的贴合状态、管件材料的成形极限等，进而选择合理的仿真结果进行物理试验，确定出合适的管件材料、最佳压力加载曲线、补料进给曲线、摩擦因数及模具圆角等工艺参数，并避免成形过程中出现屈曲、起皱、破裂等成形缺陷，保证零件的成形质量。
4 在汽车零部件中的典型应用
管件液压成形技术自应用到汽车零部件的生产后得到了快速发展，目前已成为欧、美、日、韩等汽车技术先进国家零部件制造的主流技术之一。BMW、AUDI、VW、OPEL、VOLVO、GM、FORD、CHRYSLER、HONDA、TOYOTA、HYUNDAI等主机厂推出的中高档车型上均有管件液压成形件，国内的合资厂如一汽-大众、上海大众等也应用了管件液压成形件，并逐渐向自主品牌车型推广，如一汽轿车的奔腾系列、上海汽车的荣威系列等。根据目前各汽车主机厂车型应用情况的统计，管件液压成形技术制造的典型汽车零部件有底盘悬架系统零件、车身结构件、发动机系统零件及支撑框架类零件4大类。（1）底盘悬架系统零件：前后副车架、发动机托架、前后桥、驱动桥壳、保险杠、梯形臂、牵引杠、控制臂、横向稳定杆、从动连杆、转向管柱等。（2）车身结构件：A柱、B柱、C柱、车顶横梁、车顶纵梁、车身纵梁、挡风玻璃支架、后座纵梁、门槛梁、后边梁等。（3）发动机系统零件：进气歧管、排气歧管、凸轮轴、曲轴、三元催化转化器等。（4）支撑框架类零件：仪表板支架、散热器支架、座椅框架等。
结语
随着计算机控制和高压液压系统技术的发展，管件液压成形技术在汽车制造领域中的应用将更加广泛。管件液压成形与管坯材料、模