液力成形在管成形等领域发展概况
摘 要: 液压成形技术直是近年来国外先进钢铁企业成形新技术研发和产业化发展的重点。采用液压成形技术可以减轻零件重量、减少零件和模具数量、提高工作效率、增加零件强度和刚度,因此在汽车结构件的制造, 占有越来越高的比重。本文从液力成形的稳定性，摩擦密封，车身轻量化中的应用及其发展趋势等多个方面来进行综述。
关键词: 管材内压液力成形
一 管材内压液力成形的稳定性分析
管材内压液力成形是指管坯在内压和轴向压力的共同作用下发生变形直至最后贴模成形的塑性加工方法。应力状态系数对管在胀形过程中的稳定性具有决定性作用, 越小, 则管的稳定性越好, 即轴压在一定程度上可以提高管的稳定性, 因此, 在顺利成形的前提下, 应尽量提高轴向压力。对于其他参数相同的管, n 值越大, 管的失稳应变强度越大, 这说明管的应变强化效应越大, 则管发生均匀塑性变形的能力越大, 随着n 的升高, 管的失稳将被推迟; 厚向异性指数rh 对拉伸变形稳定性的影响随着应变状态的不同而不同, 对于拉压应变状态, 管的稳定性将随着rh 值的增加而降低。实际胀形过程中, 在管内加一定的初始内压有利于管的顺利成形; 补料应集中在胀形的中间阶段, 并且要随着内压的增加均匀分布, 这样可以避免在胀形开始和末了形成明显的缺陷。
二 管材轴压液力成形中的摩擦与密封
管材液压成形是一种用于生产中空、管状零件的塑性成形技术。随着计算机控制的发展以及高压液压系统的实现, 这一技术得到了很快的发展, 其应用范围不断扩大。管材液压成形分为有轴压胀形和无轴压胀形两种, 而有轴压胀形由于其特有的优点近来得到了广泛的应用。成形时,管坯在轴压和内压的共同作用下发生胀形, 直至最后贴模成形。与传统的中空、管状零件的生产工艺相比。该技术具有节省材料, 降低能耗, 减小加工摩擦对管材轴压胀形过程有重要的影响, 对于需要较大的轴向补料、较高成形内压、形状复杂的管件尤其如此。摩擦的影响可以分为3 个方面: 影响胀形区板料的自由移动；影响管端的顺利补料；对表面质量的影响。在管坯的液压胀形中, 通常根据不同的情况采用不同的管端密封形式。常见的密封形式有平封式
三 管件液压成形技术及其在车身轻量化中的应用
汽车工业对油耗、排放和碰撞的需求加快了车身轻量化技术的发展。作为车身轻量化的三大关键技术,高强钢、拼焊板和液压成形技术一直是近年来国外先进钢铁企业成形新技术研发和产业化发展的重点。随着高强钢的逐步系列化和激光拼焊技术研发和产业化的深入, 中国钢铁企业在前两项技术上将具备一定的技术基础和产业规模。然而, 由于液压成形技术受到研究起步晚、原材料要求高、技术难度大、设备投资规模要求高等制约, 国内至今尚未实现大规模产业化。现有车型上大量的液压成形件只能采用大批量进口或冲压焊接替代的方式生产, 制约了钢铁和汽车工业高技术产业的发展。国内目前液压成形产业尚处于起步阶段, 方兴未艾。一方面, 国内多种车型的原设计均已采用液压成形件。另一方面, 国内至今尚未
建成具备小批量稳定试制的中试研发设备和具备大批量供货能力的规模生产线, 短期内无液压成形件的配套能力。因此, 一部分车型已将液压件改成冲压焊接组合件。但该种处理方式既提高了生产成本、降低了生产效率, 更劣化零件的使用性能。另一部分车型, 为维持原设计要求均采用国外进口零件。在耗费大量外汇的同时增加了采购的风险和成本。随着国内新车型的升级和换代, 这种矛盾将越加突出。全面系统地开展汽车零件液压成形技术研究, 在保持中国钢厂与国外先进钢厂技术同步的同时, 将有助于推动中国汽车行业的技术进步和可持续发展。同时, 液压成形技术作为车身减重的重要技术之一, 其发展为汽车行业和钢铁行业所瞩目。中国钢厂若能在液压成形技术方面形成核心研发能力和自主知识产权, 将在今后汽车钢板乃至焊接钢管的市场推广中把握先机。同时, 液压成形技术的系统研究, 将有力带动钢厂在模具和冲压工艺方面的设计和开发能力, 进一步强化钢厂和汽车用户之间的供应链, 并为钢厂向下游行业的深入延伸提供有力的技术保证。
四 管件液压成形技术在汽车制造中的应用研究
汽车轻量化是目前汽车设计制造的发展方向。实现汽车轻量化一个重要方面是改进车身结构,采用轻型结构来达到减轻自重的目的。一个有效途径是对满足力学要求情况下的构件采用空心结构,既可减轻重量节约材料又可充分利用材料的强度和刚度。另一方面,传统车身零件制造常采用分离成形法,即利用不同压力机分别冲压成形单个零件,然后将各零件焊接组装成目标部件。这种方法虽然选材、制造灵活,但由于零件数目多,存在装配精度低,焊接量大,车身刚度差,冲压、装配成本高等缺点。因而,一种既能减轻车身自重,又能提高制造质量、降低生产成本的先进制造技术———管件液压成形技术(又称内高压成形技术) 发展起来了。 随着计算机控制和高压液压系统技术的发展,管件液压成形技术在汽车制造领域中的应用将更加广泛。管件液压成形与管坯材料、模具条件、加载路径控制等工艺条件密切相关,基于有限元的数值模拟技术是管件液压成形设计的重要手段。以上的研究成果提供了大量的管件液压成形方面的信息,但这些研究还不够充分;对成形机理与变形特征、摩擦润滑、模具优化设计、加载路径优化、缺陷预测与控制、预成形设计与预成形量分配等问题都有待于深入研究。此外,拼焊材料管坯液压成形;高强度材料如超高强度钢管、车用轻质低塑性材料如镁合金管等的加热成形与液压成形相结合的成形技术,也是车用管件液压成形技术发展的前沿问题。
五 内高压成形技术现状与发展趋势
在航空、航天和汽车工业等领域, 减轻结构质量以节约运行中的能量是人们长期追求的目标, 也是先进制造技术发展的趋势之一。实现结构轻量化有两条主要途径: 一是材料途径, 采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料; 二是结构途径, 对于承受弯扭载荷为主的结构, 采用空心变截面构件, 可以减轻质量又可以充分利用材料的强度和刚度。在同样抗扭能力下, 质量减轻近50。内高压成形正是适应这种需求开发出来的一种空心变截面轻体构件的先进制造技术。德国于20 世纪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。德国奔驰汽车公司于1993 年建立其内2 金属成形工艺高压成形车间, 宝马公司、奥迪、大众和美国三大汽车公司已在多个车型上应用了内高压成形的零件。在汽车上应用零件种类有:底盘类零件, 包括副车架、后轴、纵梁和保险杠等; 车构件, 包括仪表盘支梁、散热器支架、座椅框、上边梁和顶梁等; 发动机与驱动系统, 包括歧管和排气管件、凸轮轴和驱动轴等; 转向和悬挂系统, 包括控制臂和转向杆等。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、大吉普和皮卡车的比例还要高。据调查表明, 估计到2005 年, 北美生产的典型车型中将有50% 结构件采用内高压成形技术制造, 在汽车行业的应用将不断扩大。用内高压成形生产的飞机上的轻体构件有空心框梁结构、发动机上中空轴类件、异型管和复杂管接件等。通过成形和连接的复合, 可加工出轻体凸轮轴。用不同材料的两种管材, 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。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, 还可以阻碍声波和震动的传播。
参考文献：
【1】管材内压液力成形的稳定性分析 哈尔滨工业大学 150001 戴 昆 何祝斌 【2】管材轴压液力成形中的摩擦与密封 哈尔滨工业大学 150001 何祝斌 滕步刚 王仲仁
【3】管件液压成形技术及其在车身轻量化中的应用 蒋浩民 陈新平 范频 苏海波 杨兵 郑鑫
【4】内高压成形工艺与设备的新进展 压成形工艺与设备的新进展 王强 济南大学机械工程学院, 山东济南
【5】内高压成形技术现状与发展趋势 苑世剑 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院, 黑龙江哈尔滨150001
【6】管件液压成形技术在汽车制造中的应用研究 杨 兵 张卫刚 林忠钦 李淑慧
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