安徽江淮汽車股份有限公司 馬國(guó)禮 夏咪咪 王平 崔禮春

充液成型與內(nèi)高壓成型復(fù)合生產(chǎn)線研究

安徽江淮汽車股份有限公司 馬國(guó)禮 夏咪咪 王平 崔禮春

充液成型主要用于鋁合金等傳統(tǒng)成型困難的輕質(zhì)材料的拉延生產(chǎn)，內(nèi)高壓成型主要用于管類件脹形及沖孔生產(chǎn)，上述兩種生產(chǎn)設(shè)備及工藝具備多個(gè)共同點(diǎn)，如高壓源、大噸位壓機(jī)、液體介質(zhì)等。單獨(dú)生產(chǎn)線的建設(shè)費(fèi)用高，利用其共同點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析確認(rèn)兩種工藝所對(duì)應(yīng)的主要設(shè)備可以復(fù)合在一套設(shè)備中。該復(fù)合生產(chǎn)線能夠滿足前期小批量實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，可以有效節(jié)約投資，提高設(shè)備利用率。

一、引言

隨著霧霾天氣增多，日益擴(kuò)大的環(huán)境污染成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。汽車作為常見污染源的一種，得到人們特別的關(guān)注，尤其對(duì)汽車環(huán)保的要求日益加強(qiáng)。汽車企業(yè)從各方面出發(fā)，努力實(shí)現(xiàn)汽車對(duì)環(huán)境污染的降低。其中輕量化技術(shù)的普遍應(yīng)用，是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵途徑。所謂輕量化，就是通過(guò)使用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法來(lái)達(dá)到減重目的一種先進(jìn)制造技術(shù)。輕量化有兩個(gè)主要途徑：一是材料途徑，就是采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料；二是結(jié)構(gòu)途徑，采用空心變截面、變厚度薄壁件等優(yōu)化結(jié)構(gòu)。本文分別從這兩個(gè)方面入手，分析實(shí)現(xiàn)這兩種不同成型類型產(chǎn)品的復(fù)合型生產(chǎn)工藝和設(shè)備。

二、成型原理

1．充液成型

充液成型是一種利用液體作為傳力介質(zhì)，代替剛性的凹?；蛲鼓Ｖ苯幼饔糜诎宀倪M(jìn)行成型的方法。其根據(jù)加壓方式的不同分為兩種：被動(dòng)式和主動(dòng)式，其原理如圖1所示，被動(dòng)式充液成型：流體作為輔助手段，先在凹模內(nèi)充滿液體，放上拉深坯料，施加一定的壓邊力，凸模下行進(jìn)行拉深，同時(shí)啟動(dòng)液壓系統(tǒng)使液體保持一定的壓力，直到拉深結(jié)束，然后抬起凸模、壓邊圈，取出成型零件；主動(dòng)式充液成型：流體作為主動(dòng)加壓方式，夾持裝置與板材之間一般有密封裝置，以防止液體的外泄。

對(duì)于被動(dòng)式充液成型技術(shù)，即板材充液拉深成型技術(shù)，由于流體壓力介質(zhì)輔助成型，可增加變形坯料與拉深凸模之間的有益摩擦，克服拉深凸模圓角部位坯料的破裂，提高零件的成型性及成型極限，具有節(jié)省工序、簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)、降低成本、提高尺寸精度等優(yōu)點(diǎn)。相比較主動(dòng)式充液成型，其應(yīng)用更為廣泛。

圖1 板材充液成型原理

2.內(nèi)高壓成型

內(nèi)高壓成型是一種以管材為坯料，以油液為傳壓介質(zhì)，在管材內(nèi)部施加超高壓的同時(shí)，對(duì)管坯的兩端施加軸向推力進(jìn)行補(bǔ)料。因兩種外力的合力作用，管坯產(chǎn)生塑性變形，最終與模腔內(nèi)壁貼合，使管坯成為具有三維形狀零件的現(xiàn)代塑性加工技術(shù)。內(nèi)高壓成型工藝適用于制造沿軸線具有不同截面形狀的空心零件，截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面口。

內(nèi)高壓成型工藝過(guò)程主要分為三大階段，如圖2所示。

圖2 內(nèi)高壓成型原理及工藝過(guò)程

（1）初始充填階段(a)：將管坯放入模腔并合模，兩端的軸向沖頭水平推進(jìn)，形成密封。通過(guò)在預(yù)充液體將管內(nèi)空氣排出。

（2）成型階段(b)：在管坯加壓脹形的同時(shí)，沖頭按設(shè)定的加載曲線向內(nèi)推進(jìn)補(bǔ)料，在內(nèi)壓和軸向補(bǔ)料的聯(lián)合作用下使管坯基本貼靠模具。此階段除過(guò)渡R角外的大部分區(qū)域已經(jīng)成型。

（3）整形階段(c)：提高內(nèi)壓使過(guò)渡R角完全貼合模腔，工件完成成型。

從截面形狀(d)可看出，工件截面可為梯形、矩形、橢圓形或各種非規(guī)則形狀。

三、工藝流程及設(shè)備

1．充液成型

生產(chǎn)工藝流程如下：金屬材料庫(kù)(定尺板料存放)—機(jī)器人上料—涂油—液壓機(jī)充液成型—機(jī)器人下料—清洗—激光切割—沖壓件庫(kù)；

充液成型生產(chǎn)線應(yīng)配置的基本設(shè)備有：涂油機(jī)、清洗機(jī)、充液成型機(jī)、外圍設(shè)備(如激光切割機(jī)等)、自動(dòng)化裝置等。其中，最主要的設(shè)備是充液成型液壓機(jī)，其提供大噸位的壓邊力、部分成型力、高壓液體介質(zhì)等。目前國(guó)外大噸位充液成型裝備較為成熟，但核心技術(shù)嚴(yán)格保密，如圖3、圖4所示。

圖3 SPS公司生產(chǎn)的大型板式充液成型機(jī)

圖4 AP&T生產(chǎn)的同軸式板式充液成型機(jī)

國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，如天鍛、合鍛等設(shè)備制造廠家也具備了生產(chǎn)大噸位液壓機(jī)的能力，部分研制產(chǎn)品已經(jīng)在各科研單位或生產(chǎn)廠家投入實(shí)際生產(chǎn)，如圖5所示。

圖5 550t、1050t和1600t國(guó)產(chǎn)板形件充液成型液壓機(jī)

2．內(nèi)高壓成型

生產(chǎn)工藝流程如下：管類件—彎管機(jī)—液壓機(jī)預(yù)成型—液壓機(jī)終成型—清洗—激光切割—漂洗—涂防銹油—沖壓件庫(kù)。

一條專業(yè)的管形件內(nèi)高壓生產(chǎn)線應(yīng)配置的基本設(shè)備有：割管機(jī)、彎管機(jī)、清洗機(jī)、內(nèi)高壓成型機(jī)、外圍設(shè)備(如激光切割機(jī)、焊機(jī)等)、自動(dòng)化裝置等，如圖6所示。其中，最主要的設(shè)備同樣是內(nèi)高壓成型液壓機(jī)，其作用是提供合模力、管端軸向推力、高壓液體介質(zhì)等，并按照設(shè)定的曲線控制內(nèi)壓和軸向推力，如圖7所示。

圖6 內(nèi)高壓成型生產(chǎn)線

圖7 10000T管材充液成型機(jī)及其所配置的超高壓源

3. 關(guān)鍵設(shè)備

大噸位液壓機(jī)為以上兩種工藝關(guān)鍵設(shè)備，其中充液成型機(jī)需提供給模具壓邊力和拉伸力，結(jié)構(gòu)為雙動(dòng)，主要特點(diǎn)是滑塊分為內(nèi)外滑塊兩部分，內(nèi)滑塊提供拉伸力，外滑塊提供壓邊力，以某5000t充液成型液壓機(jī)為例，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 某5000T充液成型液壓機(jī)主要參數(shù)

內(nèi)高壓成型機(jī)需提供給模具合模力，結(jié)構(gòu)為單動(dòng)，需求噸位一般為3500t以上，其參數(shù)和普通液壓機(jī)類似。

四、充液成型與內(nèi)高壓成型比較分析

依據(jù)成型原理，兩種成型都以高壓液體為傳力介質(zhì)，使材料根據(jù)模具的形狀貼合，最終形成需要的工件。該高壓液體為水基乳化液（在水中添加防腐劑等材料形成），通過(guò)特定的增壓裝置（高壓源）使其在密閉的環(huán)境中達(dá)到需求的壓力，在使用過(guò)程中存在溢出損耗，需不定時(shí)增加。

生產(chǎn)線設(shè)備方面，都需要大噸位液壓機(jī)設(shè)備以及高壓源、自動(dòng)化、涂油機(jī)、清洗機(jī)等相關(guān)輔助設(shè)備。上述兩種生產(chǎn)線核心裝備為大噸位液壓機(jī)，在充液成型中需要壓機(jī)內(nèi)滑塊提供主拉伸力，為雙動(dòng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)高壓成型時(shí)需要將內(nèi)外滑塊鎖在一起即單動(dòng)結(jié)構(gòu)，共同施壓，液壓機(jī)其他部位無(wú)區(qū)別。

兩種成型的主要差別在于成型液體壓力，充液成型需求為0～60MPa，而內(nèi)高壓成型需求為200～250MPa。高壓源為液體增壓裝置，提供以上需求壓力，也可以根據(jù)不同的需求配置不同的高壓源裝置。同時(shí)還有工藝流程的部分區(qū)別，如內(nèi)高壓需求彎管機(jī)和預(yù)成型，而充液成型則更貼近普通沖壓生產(chǎn)的成型工序。

根據(jù)上述兩種成型的原理和工藝設(shè)備的相同點(diǎn)，為我們將兩種成型工藝和設(shè)備復(fù)合在一起提供了充分的條件。同一條生產(chǎn)線既可以生產(chǎn)充液成型的板形件，又可以生產(chǎn)內(nèi)高壓成型的管形件，對(duì)于中小批量的實(shí)驗(yàn)試制，將節(jié)約超過(guò)40%的一次性投入。

五、復(fù)合生產(chǎn)線工藝布局

根據(jù)上述對(duì)兩種成型的對(duì)比分析，組成復(fù)合生產(chǎn)線是可行的，而且在成本投入上有較為可觀的減少。本設(shè)備主要針對(duì)中小批量的生產(chǎn)、試驗(yàn)，如需要大批量生產(chǎn)，投入專業(yè)生產(chǎn)線更為合理。因?yàn)閮煞N成型的復(fù)合，如果將兩種成型的所有設(shè)備都整合在一起，生產(chǎn)線既復(fù)雜又成本高，所以需要選擇性的偏向一種成型，將一種功能開發(fā)到最大，另一種成型兼顧，關(guān)鍵節(jié)約點(diǎn)為主設(shè)備共用，故在工藝布局方面根據(jù)不同偏向有兩種不同的工藝布局，下面將分別進(jìn)行敘述。

1. 以內(nèi)高壓為主生產(chǎn)工藝

此工藝布局是偏向于內(nèi)高壓成型，占地約18米×55米，以某種型號(hào)管形件為例，工藝流程為：管類原材料—彎管機(jī)—800T液壓機(jī)預(yù)成型—5000T終成型—清洗—激光切割—漂洗—涂防銹油—沖壓件庫(kù)。以某種型號(hào)板形件為例，工藝流程為：鋁板原材料—涂油—5000T成型—激光切割—沖壓件庫(kù)，其中主要差別為板形件涂油工序，該工序可以就近手工涂油完成。

圖8 內(nèi)高壓成型工藝布局圖

2. 以充液成型為主生產(chǎn)工藝

此工藝布局是偏向于充液成型，占地約22米×40米，以某種型號(hào)板形件為例，工藝流程為：鋁板原材料—涂油—5000T成型—激光切割—沖壓件庫(kù)。以某種型號(hào)管形件為例，工藝流程為：管類半成品件—5000T終成型—沖壓件庫(kù)，其中主要差別為管形件預(yù)成型、成型后清洗、切割、涂油等工序需生產(chǎn)線外完成。

圖9 板形件充液成型工藝布局圖

六、總結(jié)

兩種不同生產(chǎn)工藝，畢竟差別較大，所以只能盡可能的優(yōu)化布局，但還是需要犧牲掉某一種批量更小生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化率，用線下手工生產(chǎn)滿足缺少部分工藝，從投資者角度考慮，使關(guān)鍵設(shè)備具有兩種生產(chǎn)模式，可以有效節(jié)約設(shè)備一次性投入的同時(shí)，也減少了廠房、設(shè)備基礎(chǔ)、水電氣等其他輔助性投資，并可以滿足中小批量生產(chǎn)和試驗(yàn)的能力，是一種較為可行的工藝改進(jìn)手段，也響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，為新車型輕量化提供有效的驗(yàn)證資源和小批量生產(chǎn)能力。 □

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