基于汽車輕量化的管材內(nèi)高壓成形技術(shù)研究

王文彬，朱梅云

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

基于低碳、節(jié)能、綠色、安全等設(shè)計理念，汽車輕量化是現(xiàn)代汽車設(shè)計制造的主流趨勢，汽車輕量化技術(shù)可以提高燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。如圖1所示，汽車車重每減少100kg，每升油可多行駛1km；車重每減少10%，可以降低6%～8%的油耗，并且降低5%～6%的排放[1]。

圖1 汽車的燃油經(jīng)濟性與汽車自重的關(guān)系

近年來，汽車輕量化技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，其中，板材內(nèi)高壓成形技術(shù)是汽車輕量化的主要途徑之一[1～2]。板材內(nèi)高壓成形技術(shù)（Internal high pressure forming）是以管材作坯料，通過管材內(nèi)部施加高壓液體和軸向補料把管材壓入到模具型腔使其成形為所需形狀的工件。由于使用乳化液作為傳力介質(zhì)，又稱為管材液壓成形（Tube hydroforming）或水壓成形。液壓成形是指采用液態(tài)的水、油或黏性物質(zhì)作傳力介質(zhì)，代替剛性的凹?；蛲鼓＃共牧显趥髁橘|(zhì)的壓力作用下貼合凸?；虬寄６尚?，它是一種柔性成形技術(shù)。根據(jù)成形對象的不同，液壓成形技術(shù)可以分為殼液壓成形技術(shù)、板材液壓成形技術(shù)和管材液壓成形技術(shù)三大類。

由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展，大量冷成形性能差的新材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件得到了越來越多的應(yīng)用，這為板液壓成形技術(shù)的發(fā)展提供了機遇。板液壓成形作為一種先進的加工工藝，具有模具成本低、模具制造周期短、成形極限高等特點，與傳統(tǒng)工藝相比，液壓成形適應(yīng)了當(dāng)今產(chǎn)品的小批量、多品種的柔性發(fā)展方向，受到世界各國學(xué)者的一致關(guān)注。

液壓成形技術(shù)是一種軟凸模成形技術(shù)，與一般的成形工藝相比可減少模具數(shù)量。因采用液壓加載，模具不易損壞，壽命提高，板件與模具貼合程度好，零件凍結(jié)性好，殘余應(yīng)力通過高壓塑性變形接近完全消除，彈復(fù)小，板材成形極限可明顯超過拉深工藝和純液壓脹形工藝。這種工藝技術(shù)尤其適用于形狀復(fù)雜、尺寸多變的大型板料零件的生產(chǎn)。

圖2 汽車車身內(nèi)高壓技術(shù)應(yīng)用

本文主要針對沖壓管材內(nèi)高壓成形技術(shù)，研究并分析板材內(nèi)高壓成形性，以實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)件輕量化技術(shù)。圖2是汽車車身內(nèi)高壓成形技術(shù)應(yīng)用案例。

1 內(nèi)高壓成形工藝

1.1 內(nèi)高壓成形屈服壓力計算

管材內(nèi)高壓成形屈服壓力計算如公式（1）所示，內(nèi)高壓技術(shù)零件變徑截面圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)高壓技術(shù)零件變徑圖

式中：t——壁厚；

D——外徑；

σs——屈服強度。

1.2 內(nèi)高壓成形過渡圓角工藝

如圖4所示為內(nèi)高壓技術(shù)成形壓力與過渡圓角半徑的關(guān)系，從圖可以看出，圓角半徑越小，成形壓力越高，合模力大，密封困難，功率增大。在滿足使用要求的情況下，過渡圓角半徑應(yīng)該盡量大，一般，過渡圓角半徑設(shè)計為r=（4～10）t,成形壓力約為屈服強度的 1/4～1/10。

1.3 內(nèi)高壓成形工藝曲線加載方式

圖4 內(nèi)高壓成形壓力與過渡圓角半徑的關(guān)系

內(nèi)高壓成形工藝曲線的加載方式對沖壓件成形質(zhì)量有著重要影響，不同曲線加載方式會成形出不同質(zhì)量的沖壓件。加載曲線位置不同獲得的零件壁厚程度不同，靠近上限壁厚減薄大，靠近下限，壁厚減薄小。在產(chǎn)品的成形區(qū)間，應(yīng)該是不起皺、不破裂的軸向應(yīng)力和內(nèi)壓之間匹配的區(qū)間。成形區(qū)間的內(nèi)壓寬度越大，工藝控制越容易。如圖5所示。

圖5 成形區(qū)和加載曲線的關(guān)系圖

1.4 內(nèi)高壓成形區(qū)長度與極限膨脹率的關(guān)系

內(nèi)高壓成形區(qū)長度對其產(chǎn)品極限膨脹率有著重要影響，如圖6所示，極限膨脹率隨著成形區(qū)長徑比變化存在峰值。長徑比大，極限膨脹率隨長徑比增加而減小，變化幅度不大；長徑比很小時，極限膨脹率隨成形區(qū)長徑比的減小而急劇下降。

圖6 成形區(qū)長度與極限膨脹率的關(guān)系

2 內(nèi)高壓成形預(yù)成形工藝技術(shù)

內(nèi)高壓成形工藝預(yù)成形工序是在數(shù)控彎管機上將鋼管彎曲成要求的形狀，同時還要滿足鋼管壁厚減薄率的要求。預(yù)成形工序是內(nèi)高壓成形能否實現(xiàn)的關(guān)鍵，預(yù)成形的設(shè)計應(yīng)考慮到以下幾方面：

（1）預(yù)成形后的管坯可容易的放入內(nèi)高壓成形模具中；

（2）保證在內(nèi)高壓成形工序中，在同一截面上鋼管的變形的均勻性；

（3）在內(nèi)高壓成形之前進行材料的儲備。內(nèi)高壓成形工序中，模具型腔與產(chǎn)品形狀相同，在模具設(shè)計中要考慮沖孔缸和水平缸的位置，包括與這些缸體相連的液壓管路、控制管線的排布等。

3 內(nèi)高壓成形模擬實驗

內(nèi)高壓成形模擬實驗采用規(guī)格為直徑?63.5mm,壁厚2.0mm的低碳鋼管，管材的力學(xué)性能在自動材料試驗機上進行。主要力學(xué)性能如表1所示。圖7為試驗管材模擬成形極限圖，圖8為試驗管材模擬厚度分布圖。

表1 試驗材料力學(xué)性能

從圖7、8成形極限FLD及成形厚度分布圖可以看出，在位置1處，鋼管的壁厚最小，壁厚減薄率為12.38%；在位置2處，鋼管的壁厚最大，壁厚增大率為55%。圖7的綠色區(qū)域代表減薄區(qū)域，紫色區(qū)域代表增厚區(qū)域，圖7和圖8位置吻合。

圖7 內(nèi)高壓成形管材成形FLD

圖8 內(nèi)高壓成形管材成形厚度分布圖

4 結(jié)論

（1）內(nèi)高壓成形技術(shù)研究結(jié)果表明，內(nèi)高壓成形技術(shù)的整形過渡圓角工藝設(shè)計、內(nèi)高壓成形工藝曲線加載方式、內(nèi)高壓成形區(qū)長度與極限膨脹率對其成形質(zhì)量有著重要影響。

（2）內(nèi)高壓成形實驗研究證明：在彎管工序中，要控制鋼管的壁厚減薄率。

（3）內(nèi)高壓成形技術(shù)的應(yīng)用，有效推進了汽車輕量化技術(shù)的快速發(fā)展。