許樺

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240)

0 引言

環(huán)境污染和全球能源短缺問題，迫使汽車業(yè)將未來戰(zhàn)略發(fā)展核心放在環(huán)保和能源友好車型開發(fā)上，其宗旨是汽車低油耗、低排放及高回收利用率等。因為車重減輕10%可節(jié)省燃料6.6%，同時尾氣排放量也減少，因此在滿足基本性能前提下，減輕汽車質(zhì)量已成為節(jié)約能源和提高燃燒效率的主要途徑。除了采用輕質(zhì)材料外，減輕質(zhì)量的另一個主要途徑就是在結(jié)構上采用“以空代實”和變截面等強構件。在這種需求下，液壓成形作為一種新型成形技術便在近年來得到大力發(fā)展，廣泛應用于航天航空、汽車制造等領域，其中在汽車制造方面應用最為廣泛。

液壓成形是指采用液態(tài)的水、油作為傳力的介質(zhì)，代替剛性的凹模或凸模，使坯料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凸?；虬寄３尚巍Ｓ捎谟靡后w代替模具，不但減少了模具數(shù)量，降低了費用，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量和成形極限，可以實現(xiàn)車身輕量化設計。液壓成形按成形毛坯的不同可以分為板料液壓成形(Sheet hydro-forming)、殼體液壓成形(Shell hydro-forming)和管材液壓成形(Tube hydro-forming，THF)。

當前，內(nèi)高壓成形在汽車行業(yè)中應用于發(fā)動機系統(tǒng)零件、懸架系統(tǒng)零件、車身結(jié)構件等，如美國通用汽車公司的SEVILL 車型的側(cè)門橫梁、車頂托架等，日產(chǎn)CQX 車架以及德國奧迪汽車公司的Audi AL Z 車架的部分結(jié)構件均采用管件液壓成形技術制造。表1 給出了管件液壓成形工藝在汽車各個總成上的具體的應用實例。圖1 是利用該工藝加工的部分零部件。

表1 液壓成形工藝在汽車行業(yè)的運用實例

國內(nèi)用類似的方法只有加工三通管、波紋管等管件和自行車零件，管材液壓成形示意圖如圖2 所示。但國內(nèi)的液壓成形的壓力較低，內(nèi)壓與軸向進給的控制也不嚴格。用內(nèi)高壓成形制造汽車、飛機等機器零件起步較晚。

1 成形原理介紹

管材內(nèi)高壓成形(Tube Internal High Pressure Forming)［1-2］是液壓成形的其中一種形式，是在傳統(tǒng)液壓脹形工藝的基礎上發(fā)展起來的一種先進的現(xiàn)代塑性加工技術，它以金屬管材為毛坯，借助專用設備向密封的管坯內(nèi)注入液體介質(zhì)，使其產(chǎn)生高壓，同時還在管坯的兩端施加軸向推力，進行補料，在兩種外力的作用下，管坯材料發(fā)生塑性變形，并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，得到形狀與精度均符合技術要求的中空零件。

這種成形方式一般包括以下幾個步驟，如圖3 所示:

(1)先將金屬管材坯料置于模具中，該模具的型腔內(nèi)部形狀應該是所需異型截面管狀零件的外表面的形狀，合模后壓頭、模具型腔及其坯料本身的管腔形成一個密封空腔;

(2)在密封空腔中注滿液體介質(zhì);

(3)兩壓頭向內(nèi)擠壓，同時向管坯內(nèi)注入高壓液體介質(zhì)，在液體壓力和軸向補料推力的共同作用下金屬管材坯料發(fā)生塑性變形并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合;

(4)保持壓力一定時間后卸去壓力;

(5)分模后得到所需要的異型截面管狀零件。

2 管材材料及尺寸

材料的選擇直接影響了管件液壓成形性。管件液壓成形工藝的適用材料包括低碳鋼、低碳高強度鋼、不銹鋼、鋁合金，銅合金及鎳合金等，原則上適用于冷成形的材料均適用于管件液壓成形工藝［3］。

通常管坯幾何直徑越小、壁厚越厚，管件液壓成形所需內(nèi)壓力也越高。管材各向異性系數(shù)r、硬化指數(shù)n 值都影響管件的液壓成形性能。T Yoshida［4］的研究認為材料軸向r 值影響成形極限，值越大成形高度越高;周向r 值影響成形所需最大內(nèi)壓力;隨著n 值增大，成形相同零件所需的內(nèi)壓力越低，零件壁厚分布也越均勻。B Carleer［5］通過管件自由脹形試驗和理論分析認為材料r 值、n 值越大，摩擦因數(shù)越低，則管件自由脹形高度越高，軸向自由縮進量越大。這些研究結(jié)果表明管材的r 值、n 值越大，管件液壓成形的成形性越好。

3 內(nèi)高壓成形工藝的優(yōu)缺點

以排氣系統(tǒng)為例(如圖4 所示)，與傳統(tǒng)的沖壓焊接工藝相比，管件液壓成形工藝具有以下優(yōu)點:(1)減輕零件重量，節(jié)約材料; (2)提高零件的強度和剛度，特別是疲勞強度;(3)減少零件數(shù)量，節(jié)約模具成本; (4)零件整體成形，可減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量，簡化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率;(5)提高加工精度，減少裝配誤差積累，可提高產(chǎn)品質(zhì)量;(6)降低生產(chǎn)成本;(7)能改善管件內(nèi)的氣體流動特性;(8)結(jié)構形狀設計更趨靈活、優(yōu)化。

當然，它的缺點也非常明顯:(1)初期投資較大。液壓成形過程復雜，需要有專用設備;(2)生產(chǎn)效率較低。成形過程中存在合模、充液、加壓、保壓以及成形后的卸壓、分模等動作，所需時間遠較沖壓成形過程長，單位時間內(nèi)加工的零件數(shù)量相對較少;(3)加工工藝條件苛刻，模具和工藝參數(shù)的設計準則幾乎是空白。盡管液壓成形工藝在汽車等行業(yè)上的大規(guī)模應用已有十多年歷史，但由于成形過程復雜，影響因素眾多，加之相關公司將已取得的經(jīng)驗作為技術秘密而未公布，市場上缺乏較為系統(tǒng)、詳細、可行的模具和工藝參數(shù)的設計準則。

4 成形的缺陷分析

4.1 成形缺陷分類

管件液壓成形過程中受很多因素影響，比如材料、模具、工藝條件等，任何因素的影響最終都會導致成形過程中產(chǎn)生失效。如果內(nèi)壓過高，會導致減薄過度甚至破裂;如果軸向進給過大，會引起屈曲或起皺甚至折疊。歸納起來，主要有以下四種失效形式:破裂、起皺、屈曲、折疊等成形缺陷，如圖5所示。

破裂(圖5 (a))是因內(nèi)壓力過高、軸向進給量不足，使管壁迅速變薄產(chǎn)生局部縮頸而引起的。若成形前后管件直徑分別為d0、d1，通常平均變形量d1/d0＞1.4 時，易發(fā)生破裂［6］。

起皺(圖5 (b))，當軸向力過大時，工件在成形初期產(chǎn)生的皺紋數(shù)量、位置和形狀與管材幾何尺寸和加載條件有關。郎利輝將皺紋分為有益和有害兩種:一類是后期加壓整形無法展平，這類皺紋稱為“死皺”(圖6 (a))，它是一種缺陷，可以通過調(diào)節(jié)加載路徑防止這類皺紋產(chǎn)生，但是工藝復雜;另一類皺紋通過后期加壓可以展平，稱為“有益皺紋” (圖6(b))。這后一類皺紋不僅不是缺陷而且還可以作為一種預成形的手段，在成形初期將管材推出皺紋以補充材料，但前提條件是后續(xù)整形壓力能將皺紋展開［7］。

屈曲(圖5 (c))是當管材成形區(qū)長度過長，在成形初始階段還沒有在管材內(nèi)建立起足夠大的內(nèi)壓時，但在兩端對管材施加了過大的軸向力造成的。其一般在中間自由脹形區(qū)形成，與管坯的幾何形狀有很大的關系，如果管坯的中間自由部分長徑比很大，超過了一定數(shù)值，而內(nèi)壓約束未及時施加，就會產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象。

折疊(圖5 (d))是由于軸向壓力過大，管壁被壓入已發(fā)生脹形的管內(nèi)而形成。折疊的產(chǎn)生與模具幾何尺寸、管坯形狀有很大關系。通常折疊的形式和管坯的壁厚有關，管徑與壁厚比d0/t0＞20，d1/d0＞1.8 時，容易產(chǎn)生折疊缺陷。

4.2 改善缺陷的控制策略［8］

影響內(nèi)高壓成形工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量的因素較多，包括管坯材料性能、摩擦、密封、軸向推力(或軸向進給)、內(nèi)壓等。

4.2.1 摩擦與潤滑

與其他金屬冷加工成形工藝一樣，摩擦條件直接影響到內(nèi)高壓成形時管坯材料的變形。在模具與零件有相對運動的部位噴涂潤滑劑，可以有效地減少摩擦，防止缺陷的產(chǎn)生，并保持零件壁厚的均勻性。內(nèi)高壓成形中常用的潤滑劑有固體潤滑劑，如MoS2和石墨;潤滑油和石蠟;乳化劑及高分子基潤滑劑。在實際生產(chǎn)中固體潤滑劑占40%，潤滑油占30%，乳化劑及高分子基潤滑劑占30%。通常情況下，大多是將潤滑劑噴到管坯上或?qū)⒐芘鹘霛櫥瑒┲?，并進行必要的烘干和硬化，涂層應保持均勻。

4.2.2 加載路徑

對于確定的零件材料和零件形狀，管坯材料和模具結(jié)構即被確定，各種缺陷的產(chǎn)生通常是由于加載路徑不合理所致。所謂加載路徑是成形過程中所施加的內(nèi)壓力、軸向壓力(或軸向進給量)的大小及彼此間的匹配關系。在生產(chǎn)中通常采用內(nèi)壓和軸向進給或軸向補料量之間的匹配關系來控制，如圖7 所示。確定加載曲線的關鍵問題是如何確定內(nèi)壓的上下限，通常的辦法是先通過數(shù)值模擬獲得初步加載曲線，然后再通過工藝實驗確定正式的加載曲線。在成形區(qū)間內(nèi)的任何加載曲線都可以獲得合格的零件，但是加載曲線位置不同獲得零件的壁厚減薄程度不同，靠近上限壁厚減薄大;靠近下限，壁厚減薄小。對于一種零件，成形區(qū)間的內(nèi)壓寬度越大越好，這樣容易實現(xiàn)工藝控制。

管坯材料、幾何尺寸、模具尺寸等許多因素都會影響加載路徑。對形狀規(guī)則的簡單零件，可根據(jù)材料參數(shù)、零件形狀和摩擦條件，計算出密封所需的軸向壓力，成形最大內(nèi)壓力，最小、最大軸向進給量，管坯塑性失穩(wěn)的臨界載荷、屈服載荷等，從而獲得圖8 所示的加載區(qū)間圖，減少工藝設計中憑經(jīng)驗設計時產(chǎn)生的試錯次數(shù)［9］。W Rimkus［10］根據(jù)管件液壓成形特有的充液、成形、整形階段，利用內(nèi)壓力、軸向力、摩擦力所做功之間的聯(lián)系，幾何尺寸關系，分別求得各階段開始結(jié)束時的內(nèi)壓力和軸向載荷，從而獲得分段線性的加載路徑。

5 結(jié)束語

如今，節(jié)能、減排、輕量化早已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。管件內(nèi)高壓成形技術正是順應了這一趨勢，為汽車管狀零部件提供了先進的輕量化制造方向。文中對管件內(nèi)高壓成形技術的基本原理、主要工藝及失效模式進行相關闡述，以期將內(nèi)高壓成形技術更廣泛、更有效地應用在我國汽車零部件工業(yè)領域中。

【1】Koc M，Altan T.An overall review of the tube hydro-forming technology［J］. Journal of Materials Processing Technology，2001，108(3):384 -393.

【2】Ahmetoglu M，Altan T.Tube hydro-forming:state of the art and future trends［J］. Journal of Materials Processing Technology，2000(98):25 -33.

【3】苑世劍.內(nèi)高壓成形技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.金屬成形工藝，2003，21(3):1 -3.

【4】Yoshida T，Kuriyama Y. Effects of material properties and process parameters on deformation behavior of tube in hydro-forming［C］.IDDRG，2000 -21 biennial congress:43 -52.

【5】B Carleer，Kevie G van der，Winter L de，et al.Analysis of the effect of material properties on the hydro-forming process of tubes［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，104:158-166.

【6】苑世劍，王仲仁.輕量化結(jié)構內(nèi)高壓成形技術［J］.材料科學與工藝，1999，7(增刊):139-142.

【7】郎利輝，苑世劍，王仲仁，等. 內(nèi)高壓液力成形缺陷產(chǎn)生及其失效分析［J］.塑性工程學報，2001(4):30-35.

【8】Nader Asnafi.Analytical modeling of tube hydro-forming［J］.Thinwalled Structures，1999，34:295-330.

【9】Alfons Bohm，Uli lucke.Designing lightweight components for hydroforming［J］.TPJ，Hydro-forming Journal，1997(9/10):84-89.

【10】Rimkus W，Bauerb H，Mihsein M J A. Design of load-curves for hydro-forming applications［J］. Journal of Materials Processing Technology，2000，108:97 -105.