内高压成形的应用进展[1]

文章编号:1004-132Ⅹ(2002)09-0783-04内高压成形的应用进展苑世剑　教授苑世剑 王仲仁 摘要:介绍了内高压成形原理、优点、应用范围、适用材料、国内外研究现状和工业尤其在汽车工业的应用情况,并综述了内高压成形领域实验研究、数值模拟、专用设备、模具结构和润滑等方面的情况。

关键词:液力成形;内高压成形;轻体构件;汽车零件中图分类号:T G53 文献标识码:A收稿日期:1999—12—29基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975021) 液力成形(hydro fo rming )是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。

作为生产支叉管等管路配件的一种方法,可追溯到30年前,但成形压力一般小于30M Pa [1]。

近年来,由于超高压液压技术的成熟,德国和美国已将该成形技术用于机器零件的制造,其成形压力一般大于400M Pa,有时超过1000M Pa 。

目前,已用于汽车等机器制造领域的实际生产。

在飞机、航天器和汽车等领域,减轻质量是人们长期追求的目标,也是现代先进制造技术发展的趋势之一。

进入20世纪90年代,由于燃料和原材料成本原因及环保法规对废气排放的严格限制,使汽车结构的轻量化显得日益重要。

除了采用轻体材料外,减重的另一个主要途经就是在结构上采用“以空代实”,即对于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质量节约材料又可以充分利用材料的强度和刚度。

内高压成形正是在这样的背景下,开发出来的一种空心轻体构件的先进制造技术。

1　成形原理和工艺分类内高压成形原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形。

基本工艺过程是,首先将管坯放入下模(图1a 下部),闭合上模,然后在管坯内充满液体,并开始加压,在加压的同时管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料使管坯成形(图1a 上部)。

对于轴线为曲线的构件,需要把管坯预弯成接近零件形状,然后加压成形。

根据模具的分模方式和工件的形状,内高压成形可分为水平分模(见图1a )、垂直分模(见图1b )和带凸台或支叉零件成形(见图1c )3种基本类型[1,2]。

(a )水平分膜 (b )垂直分模 (c)带凸台或支叉零件成形图1　成形原理和工艺分类2　优点与传统的冲压焊接工艺相比,内高压成形主要优点如下[2～4]:(1)减轻质量,节约材料　对于图2所示空心轴类零件可以减轻40%～50%,有些件可达75%。

汽车上部分采用冲压工艺与内高压成形的产品结构质量对比见表1。

(a )机械加工(b)内高压成形图2　阶梯轴表1　汽车上部分冲压件与内高压成形件的重量对比名称冲压件(kg )内高压成形件(kg )减重(%)散热器支架16.5011.5024副车架12.007.9034仪表盘支梁2.721.3650 (2)减少零件和模具数量,降低模具费用　内高压件通常仅需要一套模具,而冲压件大多需要・783・内高压成形的应用进展——苑世剑　王仲仁多套模具。

(3)可减少后续机械加工和组装焊接量　以散热器支架为例,散热面积增加43%,焊点由174个减少到20个,装备工序由13道减少到6道,生产率提高66%。

(4)提高强度与刚度,尤其疲劳强度　仍以散热器支架为例,垂直方向提高39%,水平方向提高50%。

(5)降低生产成本　根据德国某公司对已应用零件统计分析,内高压件比冲压件平均降低成本15%～20%,模具费用降低20%～30%。

3　应用范围和适用材料(1)应用范围　内高压成形适用于制造航空、航天、汽车行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或异型截面空心构件,如汽车的排汽系统异型管件、非圆截面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架(约占汽车总重量的11%～15%)和空心轴类件、复杂管件等[5]。

(2)适用材料　碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金及镍合金等,原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。

4　国外研究进展4.1　失效形式内高压成形是内压和轴向进给联合作用的复杂成形过程。

如果内压过高,减薄过度甚至开裂;如果轴向进给过大,会引起管子屈曲或起皱,见图3[1]。

只有给出内压力与轴向进给的合理匹配关系,才能获得合格的制件。

　(a )弯曲(b )起皱　(c )破裂图3　失效形式4.2　实验研究在内高压成形实验研究方面,进行的主要工作有薄管失效形式及防止措施[5];成形过程中工件的应力应变和几何形状的测量[6];管材的成形极限;FLD 图的适用性[5];内高压成形的摩擦特性[7];管材性能的测试方法[8];内压与轴向位移的合理关系及控制方法。

4.3　数值模拟数值模拟能准确地反映内高压成形过程,预报成形缺陷,显示工件贴模与成形情况,给出壁厚分布。

而且可以方便地调整内压与轴向位移的匹配关系,研究其对成形缺陷和壁厚分布的影响,以获得最佳的加载曲线[9,10]。

在此基础上,再进行实验验证与调整。

因此内高压成形的数值模拟受到许多研究者和工业界的重视。

数值模拟采用的软件主要是动力显式有限元程序,如LS —DYNA 、PAM -STAM P 等。

影响模拟精度的因素如下: 管材力学性能的选取,因为从板料加工成管材的过程会引起力学性能的改变; 摩擦类型与摩擦系数的确定; 工件与模具的接触算法。

4.4　内高压成形专用设备从结构上看,内高压成形机类似于普通的液压机,具有四柱式和框架式2种结构,但内高压成形机滑块行程比普通液压机要短些。

专用的内高压成形机至少需要具有4种功能[11]: 提供合模力; 管端轴向进给; 内高压产生装置;!内压与轴向进给的实时控制。

4.5　模具结构和润滑内高压成形模具的主要组成部分包括上模、下模、左冲头和右冲头。

冲头是内高压成形模具的特殊部分,其作用为密封管端和轴向进给补料。

冲头端头的密封结构是非常重要的,关系到整个内高压成形过程能否顺利进行和生产效率。

上下模具与冲头接触滑动部分可以采用镶块结构,镶块可以使用耐磨材料,损坏后便于及时更换。

同样对于大批量生产用的模具,模膛采用镶块结构可以降低模具制造成本。

内高压成形中使用的润滑剂有以下4种: 固体润滑剂,M oS2和石墨; 石蜡和油; 高分子基润滑剂;!乳化剂。

润滑剂大多通过喷洒和浸泡涂到管坯表面。

除了采用油脂润滑剂外,在成形之前工件表面的润滑剂涂层要求进行干燥和硬化。

润滑剂涂层厚度要求均匀。

5　国外应用情况5.1　汽车工业德国于20世纪70年代末开始内高压液力成形基础研究,并于90年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制造汽车轻体构件。

德国・784・中国机械工程第13卷第9期2002年5月上半月奔驰汽车公司(DAIMLER BENZ )于1993年建立其内高压成形车间,宝马公司(BM W )已在其几个车型上应用了内高压成形的零件。

目前在汽车上应用有 排气系统异型管件; 副车架总成; 底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架;!前轴、后轴及驱动轴;∀安全构件等[4,12]。

图4为德国某公司生产的汽车用轻体件。

图4　汽车用轻体构件根据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果,在北美制造的典型轿车中,空心轻体件在轿车总量的比例已从15年前的10%上升到16%,而在中型面包车、大吉普和皮卡车中,轻体构件的比例还要高[13]。

因此美国有关大学、研究机构和公司十分重视内高压液力成形技术,已于几年前开始着手研究开发,近年来加大研究开发的力度[14]。

如克莱斯勒(Chry sler)汽车公司于1990引进内高压技术生产了仪表盘支梁。

目前通用汽车公司(GM )已用液力成形技术制造了发动机托架、散热器支架、下梁、棚顶托梁和内支架等空心轻体件。

据一项调查表明,估计到2004年北美生产的典型车型中将有50%零件采用内高压成形技术制造。

图5为用内高压成形制造的副车架。

图5　轿车副车架5.2　航空航天工业用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有结构空心框梁、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管接件等。

图6为用内高压成形制造的飞机发动机空心双拐曲轴,与原零件相比减重48%。

图6　飞机发动机空心双拐曲轴5.3　其它应用除了用内高压成形汽车和飞机上使用的各种轻体件外,还可制造空心阶梯轴。

与弯曲工艺结合,可加工轴线为曲线截面为圆形、矩形或其它形状的空心构件。

通过连接和成形的复合,可加工出轻体凸轮轴。

用不同材料的2种管材,通过内高压成形,可以加工双层复合管件,以满足不同的要求,例如具有高或低的热传导的零件,以及具有较高防腐性能的零件。

内高压成形还可以用于中间带陶瓷材料层的零件的制造,陶瓷材料可以作为保温层,还可阻碍声波和振动的传播。

6　国内研究与应用情况国内用类似的方法加工三通管、波纹管等管件和自行车零件,但成形压力较低,内压与轴向进给的控制也不严格。

用内高压成形制造汽车、飞机等机器零件还是空白。

哈尔滨工业大学是国内最早系统开展液力成形的单位,20世纪80年代中期,王仲仁教授首创球形容器无模液力成形工艺,为大型壳体制造提供了一种成本低周期短的新技术。

在壳体液力成形理论、实验和数值模拟方面,开展了卓有成效的研究工作,并在供水、液化气和建筑等领域取得了许多实际应用。

目前,哈尔滨工业大学液力成形课题组获得国家自然科学基金和黑龙江省科委的资助,开始内高压成形理论、工艺和设备关键技术的研究。

研制国内首台150M Pa 内高压成形机,该机采用计算机控制,可以按给定的加载路径严格控制内压与轴向进给,已加工出一些飞机使用的铝合金变径管、不锈钢 接头、轿车后轴纵臂和组合式凸轮轴等典型样件。

图7为矩形截面件内高压成形数值模拟及与实验的比较[15]。

7　结束语减轻结构重量以节约材料和运行中的能量是・785・内高压成形的应用进展——苑世剑　王仲仁　(a)数值模拟结果(b)实验件图7　高压成形数值模拟及与实验的比较现代先进制造技术发展的趋势之一。

内高压成形是适应这种趋势提出来的一种制造空心轻体的新工艺。

内高压成形件具有重量轻、刚度好、零件数量少、可减少后续机械加工和组装焊接量等优点,因此可以减少模具,降低生产成本,缩短加工周期。

可以用于制造汽车、航空、航天等行业中使用的各类轻体构件。

国内目前在内高压成形应用领域尚处于空白。

我国机械工业基础良好,急需用高新技术进行改造,在开发解决了内高压成形关键技术后,通过对现有技术装备的改造,可以形成空心轴类件和汽车轻体件的生产基地。

一方面可以供应国内生产的需要,另一方面还可以生产配件供应欧美汽车公司,对促进我国经济的发展具有重要的意义。

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