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汽车结构件内高压成形技术及应用 |
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作者：哈尔滨工业大学 程东明 郭斌 苑世剑 来源：《中国机械与金属》 |
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本文概要介绍了近年来中国在汽车结构件内高压成形工艺、设备和应用方面的进展，以及典型零件在汽车工业领域的应用。文中重点针对大截面差管件、弯曲轴线异型截面构件和枝杈管三类工艺，指出典型零件缺陷形式、形状精度、壁厚分布及工艺参数的影响。
随着超高压动密封技术和超高压计算机控制技术的突破，实现了生产条件下400MPa以上超高压稳定密封和对加载曲线高精度快速响应的闭环控制，从而产生了现代先进内高压成形技术。
这一技术的特点是：（1）成形压力高达400MPa；（2）内压与轴向位移按给定加载路径进行计算机控制；（3）内高压成形可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的复杂结构件，零件精度高。
哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心系统地开展了内高压成形机理、工艺、模具及设备的相关研究。不仅研究了成形极限、应力应变分布等工艺基础理论，还解决了预成形设计和壁厚控制、超高压建立及实时控制、高压稳定密封等工艺与设备的关键技术。目前，已经应用于汽车底盘零件和排气管、铝合金管件等的实际生产。
内高压成形原理和分类
按零件种类可以分为三类，第一类为变径管件，轴线为直线或弯曲度很小的二维曲线，截面形状多为圆形或矩形，因管件或截面周长差较大，成形时轴向需要补料；第二类，零件的轴线为二维或三维曲线零件，截面形状为矩形、多边形或异形，成形时轴向不需要补料；第三类为三通管、四通管或多通管件，其中难度较大是非对称的Y型三通管件。
内高压成形的优点和适用范围
对于空心变截面构件，传统制造工艺一般为先冲压成形二个半片再焊接成整体。内高压成形的特点是可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的空心构件。与冲压焊接工艺相比，内高压成形主要优点：(1)减轻质量，节约材料。对于汽车上副车架、散热器支架等典型产品，内高压成形件比冲压件减轻20%-40%。对于空心阶梯轴类可以减轻40%-50%； (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，而冲压件大多需要多套模具。副车架零件由6个减少到1个；散热器支架零件由17个减少到10个； (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，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。散热器支架刚度垂直方向提高39%；水平方向提高50%； (4) 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15%-20%，模具费用降低20%-30%。
内高压成形适用于制造沿构件轴线变化的圆形、矩形或异型截面空心构件。在汽车上应用零件种类包括：（1）底盘类零件：副车架、后轴、纵梁和保险杠等； (2) 车体构件：仪表盘支梁、散热器支架、座椅框、上边梁和顶梁等；(3) 发动机与驱动系统：岐管和排气管件、凸轮轴和驱动轴等；(4)转向和悬挂系统：控制臂和转向杆等。
适用材料包括碳钢、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。
大截面差零件内高压成形
图1为一种双锥形管件。该件的成形难度来自于两方面：（1）最大截面差达120%，接近材料均匀延伸率的3倍；（2）非对称，变形不均匀，需要特殊形状的预成形坯。材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti管材。零件中部减薄量最大，达到19%。
图1 斜锥
轴线为曲线的变截面件内高压成形
轴线为曲线的零件，往往需要在不同位置成形出不同的截面形状，其截面差并不大，但是截面形状复杂多变，有的为矩形、梯形，有的为多边形、异型截面示，尤其小圆角部位的成形更是关键。圆角和直边过渡区的局部减薄和开裂是此类零件成形的典型缺陷。
图2为一个典型的轴线为曲线的变截面构件，其成形过程为CNC弯曲－预成形－内高压成形，获得各个不同位置的多个截面形状。
图2 副车架
Y型三通管件内高压成形
Y型三通管件与T型三通管相比，由于形状的不对称，成形过程中两端的补料量不同，枝杈壁厚控制更加困难。
采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管，成形出枝杈高度为40mm，接近管材直径的Y型管件，如图3所示。成形件最薄点位于枝杈的最高点C点，厚度为1.3mm（初始壁厚2mm）。 
图3 Y型三通管（左）和排气岐管
内高压成形典型零件及其应用
1. 异型截面铝合金管件
图4是用内高压成形制造的异型截面铝合金管件。在零件弯曲部位外侧壁厚最薄，易在该部位发生开裂缺陷。通过合理的预成形可以改善壁厚分布，获得合格零件。
图4 消声道合格零件
2. 铝合金变径管内高压成形
采用材料为5A02铝合金管材，规格Φ65mm×1.5mm。该管材如通过直接胀形仅可达10%的截面膨胀率，而零件截面差达35.4%。为了保证成形件的壁厚分布，提出利用“有益皱纹”改善壁厚分布的方法。通过这一“有益皱纹”方法能够大幅改善成形性能，膨胀率达到35.4%，壁厚减薄不大于10%，如图5所示。
图5 变径管合格零件
3. 空心轴类件内高压成形
图6为空心双拐曲轴内高压成形件。通过控制加载曲线实现轴向补料，控制壁厚均匀性和避免开裂、起皱等缺陷的形成，成形出预成形件；再经二次预成形改变危险截面的形状，从而控制管坯变在最终内高压成形过程中的变形顺序，获得空心曲轴。
图6 双拐曲轴
4. 汽车结构件
图7为克莱斯勒300轿车仪表盘支架和底盘前桥的内高压成形件。仪表盘支架长度达1600mm，前桥管材直径则为76.3mm。这两个零件是首次采用中国研制的管材、工艺和设备、并通过实现国产化的批量生产得到的。
图7 汽车结构件（上：仪表盘支架；下：底盘前桥）
组合式凸轮轴
图8是用内高压液力装配技术制造的组合式凸轮轴。发动机凸轮轴传统制造工艺是采用圆钢棒料（或楔横轧坯料）车削出凸轮外形或铸造出凸轮轴外形，然后经粗磨和精磨加工出成品。近年来，随着发动机结构的改进，凸轮轴润滑方式由浸油润滑改为中心孔通油到轴颈润滑。在实心轴上钻削细长中心孔十分困难、时间长、成本高。对于铸造凸轮轴，由于铸造组织偏析，性能不均匀，使细长中心孔钻削更加困难，经常发生钻偏或钻头卡断。
图8 内高压液力装配技术制造的组合式凸轮轴
内高压成形机
可见，凸轮轴的传统制造工艺既耗费大量材料又浪费机加工时间，效率低成本高。为此，提出了预先锻造或铸造加工出凸轮，然后用钢管通过超高压胀接装配成整轴的新方法，从根本上克服了传统制造工艺的缺点。
图9 数控内高压成形机
目前中国尚没有专门生产内高压成形机的企业，为研发内高压件新产品并达成其在工业生产中的推广，哈工大液力成形工程中心已发展出系列内高压成形机，为数家汽车零部件企业开发了相关设备和生产工艺。设备最高内压达到400MPa，可实现按给定曲线加载。图9为三个水平轴的能实现加载曲线闭环控制的内高压成形机，压力控制精度达0.25MPa，轴向位移控制精度达0.05mm。(end)
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(1/21/2008) |
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