王文彬，朱梅云

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

基于低碳、節(jié)能、綠色、安全等設(shè)計(jì)理念，汽車輕量化是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)制造的主流趨勢(shì)，汽車輕量化技術(shù)可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。如圖1所示，汽車車重每減少100kg，每升油可多行駛1km；車重每減少10%，可以降低6%～8%的油耗，并且降低5%～6%的排放[1]。

圖1 汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性與汽車自重的關(guān)系

近年來(lái)，汽車輕量化技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，其中，板材內(nèi)高壓成形技術(shù)是汽車輕量化的主要途徑之一[1～2]。板材內(nèi)高壓成形技術(shù)（Internal high pressure forming）是以管材作坯料，通過(guò)管材內(nèi)部施加高壓液體和軸向補(bǔ)料把管材壓入到模具型腔使其成形為所需形狀的工件。由于使用乳化液作為傳力介質(zhì)，又稱為管材液壓成形（Tube hydroforming）或水壓成形。液壓成形是指采用液態(tài)的水、油或黏性物質(zhì)作傳力介質(zhì)，代替剛性的凹?；蛲鼓?，使材料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凸?；虬寄６尚危且环N柔性成形技術(shù)。根據(jù)成形對(duì)象的不同，液壓成形技術(shù)可以分為殼液壓成形技術(shù)、板材液壓成形技術(shù)和管材液壓成形技術(shù)三大類。

由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展，大量冷成形性能差的新材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，這為板液壓成形技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。板液壓成形作為一種先進(jìn)的加工工藝，具有模具成本低、模具制造周期短、成形極限高等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)工藝相比，液壓成形適應(yīng)了當(dāng)今產(chǎn)品的小批量、多品種的柔性發(fā)展方向，受到世界各國(guó)學(xué)者的一致關(guān)注。

液壓成形技術(shù)是一種軟凸模成形技術(shù)，與一般的成形工藝相比可減少模具數(shù)量。因采用液壓加載，模具不易損壞，壽命提高，板件與模具貼合程度好，零件凍結(jié)性好，殘余應(yīng)力通過(guò)高壓塑性變形接近完全消除，彈復(fù)小，板材成形極限可明顯超過(guò)拉深工藝和純液壓脹形工藝。這種工藝技術(shù)尤其適用于形狀復(fù)雜、尺寸多變的大型板料零件的生產(chǎn)。

圖2 汽車車身內(nèi)高壓技術(shù)應(yīng)用

本文主要針對(duì)沖壓管材內(nèi)高壓成形技術(shù)，研究并分析板材內(nèi)高壓成形性，以實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)件輕量化技術(shù)。圖2是汽車車身內(nèi)高壓成形技術(shù)應(yīng)用案例。

1 內(nèi)高壓成形工藝

1.1 內(nèi)高壓成形屈服壓力計(jì)算

管材內(nèi)高壓成形屈服壓力計(jì)算如公式（1）所示，內(nèi)高壓技術(shù)零件變徑截面圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)高壓技術(shù)零件變徑圖

式中：t——壁厚；

D——外徑；

σs——屈服強(qiáng)度。

1.2 內(nèi)高壓成形過(guò)渡圓角工藝

如圖4所示為內(nèi)高壓技術(shù)成形壓力與過(guò)渡圓角半徑的關(guān)系，從圖可以看出，圓角半徑越小，成形壓力越高，合模力大，密封困難，功率增大。在滿足使用要求的情況下，過(guò)渡圓角半徑應(yīng)該盡量大，一般，過(guò)渡圓角半徑設(shè)計(jì)為r=（4～10）t,成形壓力約為屈服強(qiáng)度的 1/4～1/10。

1.3 內(nèi)高壓成形工藝曲線加載方式

圖4 內(nèi)高壓成形壓力與過(guò)渡圓角半徑的關(guān)系

內(nèi)高壓成形工藝曲線的加載方式對(duì)沖壓件成形質(zhì)量有著重要影響，不同曲線加載方式會(huì)成形出不同質(zhì)量的沖壓件。加載曲線位置不同獲得的零件壁厚程度不同，靠近上限壁厚減薄大，靠近下限，壁厚減薄小。在產(chǎn)品的成形區(qū)間，應(yīng)該是不起皺、不破裂的軸向應(yīng)力和內(nèi)壓之間匹配的區(qū)間。成形區(qū)間的內(nèi)壓寬度越大，工藝控制越容易。如圖5所示。

圖5 成形區(qū)和加載曲線的關(guān)系圖

1.4 內(nèi)高壓成形區(qū)長(zhǎng)度與極限膨脹率的關(guān)系

內(nèi)高壓成形區(qū)長(zhǎng)度對(duì)其產(chǎn)品極限膨脹率有著重要影響，如圖6所示，極限膨脹率隨著成形區(qū)長(zhǎng)徑比變化存在峰值。長(zhǎng)徑比大，極限膨脹率隨長(zhǎng)徑比增加而減小，變化幅度不大；長(zhǎng)徑比很小時(shí)，極限膨脹率隨成形區(qū)長(zhǎng)徑比的減小而急劇下降。

圖6 成形區(qū)長(zhǎng)度與極限膨脹率的關(guān)系

2 內(nèi)高壓成形預(yù)成形工藝技術(shù)

內(nèi)高壓成形工藝預(yù)成形工序是在數(shù)控彎管機(jī)上將鋼管彎曲成要求的形狀，同時(shí)還要滿足鋼管壁厚減薄率的要求。預(yù)成形工序是內(nèi)高壓成形能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，預(yù)成形的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到以下幾方面：

（1）預(yù)成形后的管坯可容易的放入內(nèi)高壓成形模具中；

（2）保證在內(nèi)高壓成形工序中，在同一截面上鋼管的變形的均勻性；

（3）在內(nèi)高壓成形之前進(jìn)行材料的儲(chǔ)備。內(nèi)高壓成形工序中，模具型腔與產(chǎn)品形狀相同，在模具設(shè)計(jì)中要考慮沖孔缸和水平缸的位置，包括與這些缸體相連的液壓管路、控制管線的排布等。

3 內(nèi)高壓成形模擬實(shí)驗(yàn)

內(nèi)高壓成形模擬實(shí)驗(yàn)采用規(guī)格為直徑?63.5mm,壁厚2.0mm的低碳鋼管，管材的力學(xué)性能在自動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。主要力學(xué)性能如表1所示。圖7為試驗(yàn)管材模擬成形極限圖，圖8為試驗(yàn)管材模擬厚度分布圖。

表1 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

從圖7、8成形極限FLD及成形厚度分布圖可以看出，在位置1處，鋼管的壁厚最小，壁厚減薄率為12.38%；在位置2處，鋼管的壁厚最大，壁厚增大率為55%。圖7的綠色區(qū)域代表減薄區(qū)域，紫色區(qū)域代表增厚區(qū)域，圖7和圖8位置吻合。

圖7 內(nèi)高壓成形管材成形FLD

圖8 內(nèi)高壓成形管材成形厚度分布圖

4 結(jié)論

（1）內(nèi)高壓成形技術(shù)研究結(jié)果表明，內(nèi)高壓成形技術(shù)的整形過(guò)渡圓角工藝設(shè)計(jì)、內(nèi)高壓成形工藝曲線加載方式、內(nèi)高壓成形區(qū)長(zhǎng)度與極限膨脹率對(duì)其成形質(zhì)量有著重要影響。

（2）內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)研究證明：在彎管工序中，要控制鋼管的壁厚減薄率。

（3）內(nèi)高壓成形技術(shù)的應(yīng)用，有效推進(jìn)了汽車輕量化技術(shù)的快速發(fā)展。