先進(jìn)液壓成形技術(shù)與輕量化汽車零部件的研發(fā)

文/ 徐勇，張士宏·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

先進(jìn)液壓成形技術(shù)與輕量化汽車零部件的研發(fā)

文/ 徐勇，張士宏·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

徐勇，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，副研究員，主要從事高性能薄壁零件先進(jìn)液壓成形技術(shù)和裝備的研發(fā)應(yīng)用及計(jì)算機(jī)輔助精確成形仿真技術(shù)的研究，擁有專利17項(xiàng)。

近年來(lái)碳排放超標(biāo)，全球不斷變暖以及能源過(guò)度開采及消耗等問(wèn)題成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)，因此以節(jié)省能源、減少尾氣排放為目的的汽車輕量化成為了汽車制造業(yè)的重要研究課題，所以要加速實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類零部件的輕量化設(shè)計(jì)與改造。輕量化的主要途徑包括：材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化以及輕量化成形技術(shù)等。而液壓成形技術(shù)作為制造復(fù)雜形狀薄壁板、管零件的先進(jìn)制造技術(shù)，有利于零部件的輕量化、無(wú)余量化、高精度及整體化發(fā)展。隨著人們對(duì)產(chǎn)品性能以及減重要求的不斷提升，希望能夠?qū)⒏喔挥刑厣牟牧霞{入到液壓成形技術(shù)的可行范圍中，生產(chǎn)出品質(zhì)更加優(yōu)良并且結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的新型汽車輕量化零部件，因此不斷豐富液壓成形理論、開發(fā)液壓成形的新材料新工藝、并且提升大型智能液壓成形裝備制造水平，是液壓成形技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

液壓成形工藝原理及優(yōu)勢(shì)

液壓成形是依托液體高壓作用與模具型腔相配合，最終使金屬坯料成形出整體化復(fù)雜變截面構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。按使用坯料的不同，可以分為三種類型：板材液壓成形、殼體液壓成形和管材液壓成形。其中管材液壓成形是以金屬管材為毛坯，借助專用液壓設(shè)備向密封的管坯內(nèi)注入液體介質(zhì)，使管內(nèi)液體產(chǎn)生高壓（工作壓力通常100～400MPa，最高達(dá)1000MPa），與此同時(shí)在管坯兩端通過(guò)軸向沖頭向內(nèi)施加推力進(jìn)行補(bǔ)料，在兩種外力的作用下，管坯材料塑性變形，并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，使金屬管坯變形成為具有三維形狀的空體構(gòu)件，如圖1所示，目前該技術(shù)在汽車零部件制造當(dāng)中的應(yīng)用也最為廣泛。但無(wú)論是管材液壓成形或管材液壓脹形、內(nèi)高壓成形等均是指同一種成形技術(shù)。

圖1 管材液壓成形工藝原理圖

液壓成形技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率，并可以顯著地減輕零部件重量并增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)機(jī)械加工、沖壓焊接方式相比，液壓成形具有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：減輕重量、提高零件的強(qiáng)度、剛度，尤其是疲勞強(qiáng)度、提高尺寸精度以及減少零件、工序和模具數(shù)量，降低生產(chǎn)成本等。如發(fā)動(dòng)機(jī)托架的組成零件由6個(gè)減少到1個(gè)；散熱器支架的組成零件由17個(gè)減少到10個(gè)。對(duì)于各類階梯軸，可以免去中心孔的加工，對(duì)于沖壓焊接，則可以完全免去焊接工藝。以散熱器支架為例，焊接點(diǎn)由原來(lái)174個(gè)減少到20個(gè)，裝備工序由13道減少到6道，生產(chǎn)效率提高66 %。根據(jù)德國(guó)某公司對(duì)已應(yīng)用零件統(tǒng)計(jì)分析，液壓成形件比沖壓件平均降低成本15%～20%，模具費(fèi)用降低20%～30%。

液壓成形技術(shù)在汽車制造業(yè)的發(fā)展

隨著世界范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，尤其是汽車制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)成本、生產(chǎn)技術(shù)及整車性能和配件質(zhì)量要求的不斷提高，管材液壓成形工藝開始受到業(yè)界關(guān)注。奔馳汽車公司在1993年就建立了管件液壓成形車間。目前，通用、福特、歐寶等汽車公司都建立了液壓成形生產(chǎn)基地。寶馬、奧迪、奔馳、大眾、克萊斯勒、沃爾沃等車型也都已采用了管件液壓成形的零件。日本自1997年開始TOYOTA，HONDA，NISSAN，MAZDA，MITSUBISHI，SUBARU等 汽 車 廠均已導(dǎo)入相關(guān)設(shè)備進(jìn)行零件的生產(chǎn)與開發(fā)。韓國(guó)的HYUNDAI，KIA也開始應(yīng)用液壓成形技術(shù)生產(chǎn)相關(guān)零部件。管材液壓成形件在汽車上的應(yīng)用如圖2所示。美國(guó)鋼鐵研究院汽車應(yīng)用委員會(huì)的調(diào)查報(bào)告：在北美制造的轎車中，空心輕體件在轎車總量的比例已從15年前的10%上升到16%，而在中型商用車、大吉普車和小貨車的比例還要更高。估計(jì)到2020年北美生產(chǎn)的典型車型中將有50%結(jié)構(gòu)體零件采用管件液壓成形技術(shù)制造。DaimlerChrysler預(yù)估，2020年管件液壓成形零組件將較2012年增長(zhǎng)3倍。Dana公司(汽車零組件國(guó)際大廠）預(yù)估，2020年管件液壓成形零組件將占汽車底盤零組件的50%，為此，Dana將于未來(lái)五年內(nèi)于加州、泰國(guó)、巴西、委內(nèi)瑞拉及阿根廷等國(guó)家至少建立起12臺(tái)以上的液壓成形機(jī)生產(chǎn)線。Global Trade Consulting最新的報(bào)告指出，美國(guó)汽車用液壓成形零組件在2008年產(chǎn)值為7.3億美元，2012年約達(dá)16億美元，2016年有約達(dá)19億美元，而在未來(lái)3年(2017～2019年）內(nèi)，年平均增長(zhǎng)率將達(dá)到20%。

圖2 液壓成形技術(shù)在汽車上的應(yīng)用

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已有五十多個(gè)自主汽車品牌，汽車配件廠已超過(guò)8000家。但是液壓成形技術(shù)僅在一汽、長(zhǎng)城和長(zhǎng)安等部分車企的部分車型中獲得一定應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)大部分汽車管類零件仍然沿用傳統(tǒng)的沖壓加拼焊的組合工藝，制造工序復(fù)雜、效率低、成本高且產(chǎn)品的綜合質(zhì)量和性能不佳。

液壓成形設(shè)備現(xiàn)狀

隨著汽車生產(chǎn)向“多品種、小批量、個(gè)性化”趨勢(shì)發(fā)展，需要成形的零件越來(lái)越趨向于復(fù)雜化、大型化，這對(duì)液壓成形設(shè)備提出了更高的要求。針對(duì)這種情況，日本的AMINO公司于20世紀(jì)90年代開發(fā)了大型充液拉伸設(shè)備，可以成形尺寸達(dá)2500mm×1400mm的大型覆蓋件，最大合模力達(dá)到40000kN。瑞典開發(fā)了配備在液壓機(jī)上的充液拉伸裝置，該裝置具有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高壓液體的灌注、升壓、保壓、卸壓等要求，壓力可進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20～120MPa。德國(guó)斯圖加特大學(xué)金屬成形技術(shù)研究院研制的用于板料成形的液壓拉伸設(shè)備工作臺(tái)尺寸達(dá)2000mm×2000mm，最大合模力達(dá)到2000kN。美國(guó)的ITC Interlaken公司開發(fā)了一臺(tái)液壓成形設(shè)備。該設(shè)備可以成形汽車上的不銹鋼燃料注油管，使用該液壓成形機(jī)成形的注油管不僅零件質(zhì)量好，且加工效率也很高。目前，國(guó)際上能夠提供液壓成形成套技術(shù)與設(shè)備的制造商多數(shù)集中在歐洲和北美，其中，以德國(guó)SPS公司、舒勒公司和瑞典AP&T公司、美國(guó)ITC Interlaken Technology和HDT HydroDynamics Technologies為主要代表。此外還有日本的山本水壓所、Amino、川崎油工、Opton、AIDA，德國(guó)的 Gr?bener Maschinentechnik、S.DUNKES，意大利的NAVA，加拿大的Valiant Machine & Tool，韓國(guó)的KANG Engineering等公司。圖3為一些代表性國(guó)外企業(yè)制造的大型液壓成形設(shè)備。此外，國(guó)外還有很多的高校及研究所具有一些中小規(guī)模的液壓成形實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要用于成形機(jī)理的研究工作。

圖3 國(guó)外代表性液壓成形設(shè)備

我國(guó)從事液壓成形設(shè)備專業(yè)開發(fā)和制造的單位較少且對(duì)于高端裝備的制造水平較低。哈爾濱工業(yè)大學(xué)是較早在國(guó)內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的科研單位，已開發(fā)了相關(guān)設(shè)備，主要用于航空、航天領(lǐng)域相關(guān)零件制造。而在汽車制造行業(yè)，尤其是進(jìn)、排氣系統(tǒng)的零部件的制造，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司的內(nèi)高壓成形機(jī)（圖4）。該公司目前開發(fā)的液壓成形設(shè)備系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)全伺服控制和工藝參數(shù)智能優(yōu)化，其控制精度可達(dá)到進(jìn)口設(shè)備水平。

圖4 國(guó)產(chǎn)整體式全伺服內(nèi)高壓成形機(jī)

除此之外，大多數(shù)情況零件的復(fù)雜性要求液壓成形考慮額外的預(yù)成形操作。這些預(yù)成形操作包括初始部件的彎曲和機(jī)械加工，以保證部件能放入液壓成形模具或獲得理想的材料分布。通常在汽車零部件制造業(yè)所使用的液壓成形工藝鏈包括彎管、預(yù)成形、退火、液壓成形、沖孔和切邊等幾道主要工序，因此液壓成形生產(chǎn)線也就需要與之相對(duì)應(yīng)相關(guān)設(shè)備來(lái)完成這些操作。圖5展示的是一個(gè)全自動(dòng)化管材液壓成形生產(chǎn)線，它包括彎管預(yù)成形前的潤(rùn)滑操作和液壓成形及成形后的切割和清洗。工件在這些加工步驟之間的搬運(yùn)由機(jī)器人完成，還組裝幾個(gè)緩沖倉(cāng)庫(kù)來(lái)提高液壓成形生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

圖5 管材液壓成形生產(chǎn)線示意圖

先進(jìn)液壓成形工藝的研發(fā)與應(yīng)用

加載路徑是管材液壓成形中最重要的工藝參數(shù)。當(dāng)內(nèi)壓上升過(guò)快而補(bǔ)料不足時(shí)，管坯出現(xiàn)過(guò)分拉薄甚至開裂等失穩(wěn)形式。反之，當(dāng)內(nèi)壓上升太慢而補(bǔ)料過(guò)快時(shí)，管坯易出現(xiàn)起皺、屈曲、折疊等失穩(wěn)模式。因此，合理匹配內(nèi)壓加載路徑和補(bǔ)料量及補(bǔ)料速度之間的關(guān)系，可確保管坯順利成形，減少?gòu)U品率、降低生產(chǎn)成本。伴隨著高液壓計(jì)算機(jī)精確控制技術(shù)的飛速發(fā)展，日本學(xué)者提出一種全新液壓加載方式——脈動(dòng)型加載，并在管材液壓成形過(guò)程中得到了初步的研究和應(yīng)用。脈動(dòng)加載是指成形過(guò)程中液壓在增加的同時(shí)進(jìn)行一定頻率和幅值的波動(dòng)，或指外力通過(guò)有規(guī)律地卸載，呈現(xiàn)出間歇式的加載形式，因此脈動(dòng)加載又稱作沖擊加載和波動(dòng)加載等。研究指出采用脈動(dòng)液壓成形工藝可以有效預(yù)防管材縮頸、脹破和起皺的缺陷，其原因是由于內(nèi)壓的往復(fù)變化能夠有效降低管材與模具表面之間的摩擦力，提高管材的軸向進(jìn)給補(bǔ)料量，從而抑制管材的局部減薄，使管材變形更加均勻。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所在國(guó)內(nèi)率先開展了脈動(dòng)液壓成形技術(shù)的研究（圖6），結(jié)合材料形變過(guò)程中的組織性能演變規(guī)律，揭示了脈動(dòng)加載能夠大幅提高奧氏體不銹鋼成形能力的全新現(xiàn)象和微觀機(jī)理，并設(shè)計(jì)開發(fā)出了高精度脈動(dòng)液壓成形專用設(shè)備，對(duì)脈動(dòng)幅值和頻率等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和優(yōu)化，能夠顯著提高產(chǎn)品的成形能力和成形質(zhì)量，已在多種新型汽車零部件中得到示范性應(yīng)用。如圖7所示零件。

圖6 脈動(dòng)液壓成形加載路徑曲線

圖7 脈動(dòng)液壓成形某重型卡車一體化中冷器零件

此外，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征以及選用材質(zhì)的不同，目前諸如高速?zèng)_擊液壓成形、液壓鍛造以及液壓內(nèi)外沖孔等多項(xiàng)先進(jìn)液壓成形技術(shù)也已部分應(yīng)用于排氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、引擎與動(dòng)力系統(tǒng)、車身及安全部件等新型整體輕質(zhì)汽車零部件的制造加工，并有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

液壓成形技術(shù)作為目前較為成熟的輕量化制造技術(shù)之一，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)鮮明，是開發(fā)具有復(fù)雜異形截面、薄壁、深腔以及難變形材料等高性能輕量化汽車零部件的精密成形技術(shù)，其中包括液壓成形模具和設(shè)備的研制，實(shí)現(xiàn)結(jié)合材料特性的定量化工藝設(shè)計(jì)，加速包括新原理、新工藝和新產(chǎn)品在內(nèi)的先進(jìn)液壓成形技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，未來(lái)有望在中國(guó)獲得更為廣闊的市場(chǎng)空間，實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜特征的新型輕量化汽車零部件百萬(wàn)量級(jí)產(chǎn)業(yè)化。