文/ 徐勇，張士宏·中國科學院金屬研究所

先進液壓成形技術與輕量化汽車零部件的研發(fā)

文/ 徐勇，張士宏·中國科學院金屬研究所

徐勇，工學博士，碩士生導師，副研究員，主要從事高性能薄壁零件先進液壓成形技術和裝備的研發(fā)應用及計算機輔助精確成形仿真技術的研究，擁有專利17項。

近年來碳排放超標，全球不斷變暖以及能源過度開采及消耗等問題成為人們日益關注的焦點，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，所以要加速實現(xiàn)傳統(tǒng)結構類零部件的輕量化設計與改造。輕量化的主要途徑包括：材料輕量化、結構輕量化以及輕量化成形技術等。而液壓成形技術作為制造復雜形狀薄壁板、管零件的先進制造技術，有利于零部件的輕量化、無余量化、高精度及整體化發(fā)展。隨著人們對產品性能以及減重要求的不斷提升，希望能夠將更多富有特色的材料納入到液壓成形技術的可行范圍中，生產出品質更加優(yōu)良并且結構更加復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，是液壓成形技術未來發(fā)展的主要趨勢。

液壓成形工藝原理及優(yōu)勢

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雜變截面構件的先進制造技術。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，借助專用液壓設備向密封的管坯內注入液體介質，使管內液體產生高壓（工作壓力通常100～400MPa，最高達1000MPa），與此同時在管坯兩端通過軸向沖頭向內施加推力進行補料，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壁貼合，使金屬管坯變形成為具有三維形狀的空體構件，如圖1所示，目前該技術在汽車零部件制造當中的應用也最為廣泛。但無論是管材液壓成形或管材液壓脹形、內高壓成形等均是指同一種成形技術。

圖1 管材液壓成形工藝原理圖

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

液壓成形技術在汽車制造業(yè)的發(fā)展

隨著世界范圍內產業(yè)競爭的日趨激烈，尤其是汽車制造業(yè)對生產成本、生產技術及整車性能和配件質量要求的不斷提高，管材液壓成形工藝開始受到業(yè)界關注。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 廠均已導入相關設備進行零件的生產與開發(fā)。韓國的HYUNDAI，KIA也開始應用液壓成形技術生產相關零部件。管材液壓成形件在汽車上的應用如圖2所示。美國鋼鐵研究院汽車應用委員會的調查報告：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。估計到2020年北美生產的典型車型中將有50%結構體零件采用管件液壓成形技術制造。DaimlerChrysler預估，2020年管件液壓成形零組件將較2012年增長3倍。Dana公司(汽車零組件國際大廠）預估，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將于未來五年內于加州、泰國、巴西、委內瑞拉及阿根廷等國家至少建立起12臺以上的液壓成形機生產線。Global Trade Consulting最新的報告指出，美國汽車用液壓成形零組件在2008年產值為7.3億美元，2012年約達16億美元，2016年有約達19億美元，而在未來3年(2017～2019年）內，年平均增長率將達到20%。

圖2 液壓成形技術在汽車上的應用

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國已有五十多個自主汽車品牌，汽車配件廠已超過8000家。但是液壓成形技術僅在一汽、長城和長安等部分車企的部分車型中獲得一定應用，而國內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，制造工序復雜、效率低、成本高且產品的綜合質量和性能不佳。

液壓成形設備現(xiàn)狀

隨著汽車生產向“多品種、小批量、個性化”趨勢發(fā)展，需要成形的零件越來越趨向于復雜化、大型化，這對液壓成形設備提出了更高的要求。針對這種情況，日本的AMINO公司于20世紀90年代開發(fā)了大型充液拉伸設備，可以成形尺寸達2500mm×1400mm的大型覆蓋件，最大合模力達到40000kN。瑞典開發(fā)了配備在液壓機上的充液拉伸裝置，該裝置具有獨立的液壓系統(tǒng)，可實現(xiàn)高壓液體的灌注、升壓、保壓、卸壓等要求，壓力可進行調節(jié)，調節(jié)范圍為20～120MPa。德國斯圖加特大學金屬成形技術研究院研制的用于板料成形的液壓拉伸設備工作臺尺寸達2000mm×2000mm，最大合模力達到2000kN。美國的ITC Interlaken公司開發(fā)了一臺液壓成形設備。該設備可以成形汽車上的不銹鋼燃料注油管，使用該液壓成形機成形的注油管不僅零件質量好，且加工效率也很高。目前，國際上能夠提供液壓成形成套技術與設備的制造商多數(shù)集中在歐洲和北美，其中，以德國SPS公司、舒勒公司和瑞典AP&T公司、美國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，德國的 Gr?bener Maschinentechnik、S.DUNKES，意大利的NAVA，加拿大的Valiant Machine & Tool，韓國的KANG Engineering等公司。圖3為一些代表性國外企業(yè)制造的大型液壓成形設備。此外，國外還有很多的高校及研究所具有一些中小規(guī)模的液壓成形實驗設備，主要用于成形機理的研究工作。

圖3 國外代表性液壓成形設備

我國從事液壓成形設備專業(yè)開發(fā)和制造的單位較少且對于高端裝備的制造水平較低。哈爾濱工業(yè)大學是較早在國內從事該領域研究的科研單位，已開發(fā)了相關設備，主要用于航空、航天領域相關零件制造。而在汽車制造行業(yè)，尤其是進、排氣系統(tǒng)的零部件的制造，國內應用最為廣泛的是河南興迪鍛壓設備制造有限公司的內高壓成形機（圖4）。該公司目前開發(fā)的液壓成形設備系列產品，能夠實現(xiàn)全伺服控制和工藝參數(shù)智能優(yōu)化，其控制精度可達到進口設備水平。

圖4 國產整體式全伺服內高壓成形機

除此之外，大多數(shù)情況零件的復雜性要求液壓成形考慮額外的預成形操作。這些預成形操作包括初始部件的彎曲和機械加工，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，因此液壓成形生產線也就需要與之相對應相關設備來完成這些操作。圖5展示的是一個全自動化管材液壓成形生產線，它包括彎管預成形前的潤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由機器人完成，還組裝幾個緩沖倉庫來提高液壓成形生產線的生產效率。

圖5 管材液壓成形生產線示意圖

先進液壓成形工藝的研發(fā)與應用

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

圖6 脈動液壓成形加載路徑曲線

圖7 脈動液壓成形某重型卡車一體化中冷器零件

此外，根據(jù)零件結構特征以及選用材質的不同，目前諸如高速沖擊液壓成形、液壓鍛造以及液壓內外沖孔等多項先進液壓成形技術也已部分應用于排氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、引擎與動力系統(tǒng)、車身及安全部件等新型整體輕質汽車零部件的制造加工，并有望在短期內實現(xiàn)量產。

結束語

液壓成形技術作為目前較為成熟的輕量化制造技術之一，其技術優(yōu)勢鮮明，是開發(fā)具有復雜異形截面、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，其中包括液壓成形模具和設備的研制，實現(xiàn)結合材料特性的定量化工藝設計，加速包括新原理、新工藝和新產品在內的先進液壓成形技術的研發(fā)與應用，未來有望在中國獲得更為廣闊的市場空間，實現(xiàn)具有復雜特征的新型輕量化汽車零部件百萬量級產業(yè)化。