管材成形技術(shù)及其在汽車上的應(yīng)用

文／謝文才·一汽解放汽車有限公司

管材成形技術(shù)

制管

焊管加工流程包括：鋼卷(或板)剪切、成形、焊接、探傷、校直、切斷、包裝等，如圖1 所示。成形工藝的不同，焊接工藝也不同。高頻焊接適用于直縫焊管，尺寸精度好、價(jià)格低、生產(chǎn)效率高，優(yōu)良的綜合機(jī)械性能；激光焊管設(shè)備昂貴，用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，接頭性能好。常見(jiàn)成形工藝及焊接工藝見(jiàn)表1。

圖1 焊管加工流程

表1 不同成形工藝使用的焊接方式

彎曲

繞彎成形是指管坯被夾模和壓模壓靠在可繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的彎管模上，夾?？稍谂c彎管模軸心具有固定半徑的圓弧軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)管坯在徑向壓力和壓模切向摩擦力作用下與彎管模一起旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)彎曲成形。圖2 為彎管原理圖，圖3 為彎管設(shè)備。

圖2 彎管原理示意圖

圖3 彎管設(shè)備

脹形

⑴內(nèi)高壓成形。成形工序?yàn)椋汉夏！湟骸邏好浶?。成形原理?jiàn)圖4。

圖4 內(nèi)高壓成形原理

⑵低內(nèi)壓成形。其原理為：管坯內(nèi)填充液體介質(zhì)作為支撐內(nèi)壓和傳力介質(zhì)，通過(guò)壓力機(jī)閉合模具產(chǎn)生的機(jī)械力和管內(nèi)液體壓力的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)管材的塑性變形，如圖5 所示。

圖5 低內(nèi)壓成形

⑶熱氣脹。其原理為：將硼鋼管加熱到奧氏體化溫度，然后快速放到模具內(nèi)，同時(shí)在管腔內(nèi)通入高壓氣體，使鋼管在模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱氣脹成形+淬火，如圖6 所示。

圖6 熱氣脹成形原理

管端成形

管端成形過(guò)程為：上模具隨壓機(jī)滑塊下行，下?；瑝K在上模斜楔的作用下向管腔運(yùn)動(dòng)，同時(shí)芯子也隨下?；瑝K向管腔運(yùn)動(dòng)，直至全部進(jìn)入到管腔內(nèi)；壓機(jī)滑塊繼續(xù)下行，此時(shí)下模滑塊已經(jīng)停止運(yùn)動(dòng)，上凹模與鋼管接觸，并使鋼管發(fā)生塑性變形直至與下凹模具接觸，鋼管成形完畢，同時(shí)壓機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)；壓機(jī)滑塊向上運(yùn)動(dòng)，上下模具分離，下模具滑塊帶動(dòng)芯子從鋼管中退出，完成一個(gè)工作循環(huán)。管端成形模具設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7，成形管件見(jiàn)圖8。

圖7 管端成形模具設(shè)計(jì)

圖8 管端成形管件

管端修邊沖孔

浮動(dòng)凹模安裝在滑塊上，浮動(dòng)凹模隨滑塊一起運(yùn)動(dòng)，伸進(jìn)管子型腔內(nèi)部，停止不動(dòng)；上模修邊凸模向下運(yùn)動(dòng)，先將上側(cè)圓弧修掉，廢料與凸模一起向下運(yùn)動(dòng)，接觸到固定凹模時(shí)，再將下側(cè)圓弧修掉，與此同時(shí)沖孔凸模將圓孔沖出；然后，浮動(dòng)凹模隨滑塊一起從彎管型腔內(nèi)退出。管端修邊沖孔模具見(jiàn)圖9，成形管件見(jiàn)圖10。

圖9 管端修邊沖孔模具

圖10 管端修邊沖孔成形管件

管材成形技術(shù)在乘用車上的應(yīng)用

底盤(pán)零件

⑴前副車架主體結(jié)構(gòu)為管材內(nèi)高壓成形，形狀多為“Ω”形或“U”形，材料多為普通的高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在440MPa 左右，厚度在1.8 ～2.5mm。一般成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→管端成形。幾種常見(jiàn)前副車架總成見(jiàn)圖11。

圖11 兩種前副車架總成

⑵B 級(jí)車后副車架邊梁、橫梁為管材內(nèi)高壓成形，形狀多為“井”字形或“π”字形，材料多為普通的高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在440MPa 左右，厚度在1.8 ～2.5mm。一般成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→切開(kāi)(可選)→管端成形。幾種B 級(jí)車后副車架見(jiàn)圖12。

圖12 幾種B 級(jí)車后副車架

⑶A 級(jí)車后扭力梁橫梁、縱臂多為管材內(nèi)高壓成形，材料多為先進(jìn)高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在780MPa左右，厚度在3.0 ～4.0mm。一般橫梁成形工藝為：預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→管端成形；縱臂成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→切開(kāi)(可選)→管端成形。幾種A 級(jí)車后軸見(jiàn)圖13。

圖13 幾種A 級(jí)車后軸

車身零件

⑴車身地板縱梁，在某些高性能跑車上采用整體式或分段式內(nèi)高壓成形結(jié)構(gòu)(圖14)，材料為普通的高強(qiáng)鋼或6000 系列鋁合金。縱梁成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形。

圖14 車身地板縱梁采用整體式或分段式內(nèi)高壓成形結(jié)構(gòu)

⑵車身地板保險(xiǎn)杠總成吸能盒(圖15)采用管材內(nèi)高壓成形工藝，材料多為普通高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在440MPa 左右，厚度在1.0 ～1.5mm。吸能盒成形工藝為：內(nèi)高壓成形→切開(kāi)。

圖15 車身地板保險(xiǎn)杠總成吸能盒采用內(nèi)高壓成形

⑶車身A 柱、B 柱采用管材內(nèi)高壓成形(圖16)，材料多為先進(jìn)高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在980MPa左右，厚度在1.4 ～2.0mm。成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→管端成形。

圖16 車身A 柱、B 柱采用管材內(nèi)高壓成形

⑷車身A 柱材料除了先進(jìn)高強(qiáng)鋼外，還有采用6000 系列的鋁合金材料。例如，2015 款福特野馬A柱鋼管材料為DP1000，內(nèi)高壓成形；2014 款捷豹F-Type A 柱鋁管材料為A6082 T6，內(nèi)高壓成形，見(jiàn)圖17。

圖17 2014 款捷豹F-Type A柱使用A6082 T6

⑸最新車型的車身A 柱采用熱氣脹成形工藝(圖18)，材料為22MnB5，成形后零件的強(qiáng)度達(dá)到1500MPa 以上。成形工藝為：彎管→加熱→脹形+淬火→管端加工。

圖18 A 柱采用熱氣脹成形工藝

⑹車身前端主體采用管梁式結(jié)構(gòu)(圖19)，內(nèi)高壓成形工藝，材料多為普通高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在440MPa 左右，厚度在1.0 ～1.5mm。成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→端部成形。

圖19 車身前端主體采用管梁式結(jié)構(gòu)

⑺車身前輪罩加強(qiáng)件采用管梁式結(jié)構(gòu)，內(nèi)高壓成形工藝，材料為先進(jìn)高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在700MPa左右，厚度在1.3 ～2.3mm 之間。成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→端部成形。

管件成形技術(shù)在商用車上的應(yīng)用

皮卡

⑴皮卡車的車架縱梁和橫梁采用內(nèi)高壓成形工藝，見(jiàn)圖21。

圖20 車身前輪罩加強(qiáng)件采用管梁式結(jié)構(gòu)

圖21 皮卡車的車架縱梁和橫梁采用內(nèi)高壓成形

⑵皮卡車車身前端主體采用管梁式結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖22，采用內(nèi)高壓成形工藝，材料多為普通高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別在440MPa 左右，厚度在1.0 ～1.5mm 之間。成形工藝為：彎管→預(yù)成形→內(nèi)高壓成形→端部成形。

圖22 皮卡車車身前端主體采用管梁式結(jié)構(gòu)

⑶皮卡車的A柱、前輪罩加強(qiáng)件采用管梁式結(jié)構(gòu)，內(nèi)高壓成形工藝，見(jiàn)圖23。

圖23 皮卡車的A 柱、前輪罩加強(qiáng)件采用管梁式結(jié)構(gòu)

卡車

⑴卡車的前橋橫梁采用鋼管內(nèi)高壓成形工藝，見(jiàn)圖24。

⑵卡車的后橋橋殼采用鋼管內(nèi)高壓成形工藝，見(jiàn)圖25。

⑶商用車內(nèi)高壓零件應(yīng)用案例：中冷管、空濾器管、排氣管、尾管、緩沖器水管等，見(jiàn)圖26。

未來(lái)展望

⑴應(yīng)用領(lǐng)域。管類零件由于具有重量輕、產(chǎn)品性能好等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在乘用車得到廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)在商用車車身(如A 柱等)上進(jìn)一步得到推廣應(yīng)用。

⑵材料。考慮到整車輕量化，未來(lái)超高強(qiáng)鋼、輕質(zhì)合金材料是發(fā)展趨勢(shì)，如強(qiáng)度級(jí)別在1200MPa 及以上級(jí)別的鋼質(zhì)材料、鋁合金材料等。

⑶工藝。為了實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)鋼、輕質(zhì)合金材料的成形，傳統(tǒng)內(nèi)高壓成形工藝已經(jīng)無(wú)法滿足要求，需要不斷開(kāi)發(fā)新的成形工藝，包括低內(nèi)壓成形、熱成形等。