舒勒支撐壓力內(nèi)高壓成形工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用

文/Dipl.-Ing. C. Merten，Dipl.-Ing. (FH) M. Riede，M. Knape·Schuler Pressen GmbH, Wagh?usel，Germany Thomas Buschmann，王帥·舒勒貿(mào)易（上海）有限公司

舒勒支撐壓力內(nèi)高壓成形工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用

文/Dipl.-Ing. C. Merten，Dipl.-Ing. (FH) M. Riede，M. Knape·Schuler Pressen GmbH, Wagh?usel，Germany Thomas Buschmann，王帥·舒勒貿(mào)易（上海）有限公司

本文概述了一種適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)內(nèi)高壓成形過程的方法，并與常規(guī)內(nèi)高壓成形工藝進(jìn)行比較。一方面對(duì)工藝過程的差異進(jìn)行解釋，另一方面闡明這兩種成形方式原理類似，過程不同，可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行組合。

根據(jù)對(duì)用于成形汽車零件的材料的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度鋼的使用比例越來越大，同時(shí)鋁的使用量也在增加。因此對(duì)內(nèi)高壓成形技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，需要新的工藝以適應(yīng)材料的發(fā)展和變換。特別是在新的材料成形性能顯著降低時(shí)，要對(duì)零件和工藝順序進(jìn)行研究。同時(shí)，也必須考慮其他的因素，比如高回彈問題及沖孔廢料的處理，還要顧及更高的材料價(jià)格。

本文所描述的工藝并不是新開發(fā)的，而是被專利保護(hù)到現(xiàn)在。這些專利的所有者只服務(wù)于北美市場(chǎng)，因此該工藝在歐洲和亞洲市場(chǎng)幾乎不被使用。在美國市場(chǎng)，甚至常常將內(nèi)高壓成形工藝區(qū)分為所謂的低壓內(nèi)高壓成形（無脹管和最大壓力較低）和高壓內(nèi)高壓成形（常規(guī)液壓擴(kuò)張和校準(zhǔn)壓力高）。最后人們?cè)谟懻摃r(shí)把這兩種工藝命名為完全不同的兩個(gè)過程，認(rèn)為需要不同的設(shè)備和不同的供應(yīng)商。

經(jīng)我們仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)這兩種工藝原理類似，過程不同，分別適用于特定的成形應(yīng)用。在成形中使用的壓力只要是正確的壓力就好，成形壓力值并非關(guān)鍵所在。更重要的區(qū)分是關(guān)于材料的最大延伸率，因?yàn)閷?duì)于膨脹性能很低或沒有膨脹性能的材料的零件設(shè)計(jì)和制造流程必須適應(yīng)材料特性才能取得好的成果。因此，我們將內(nèi)高壓成形工藝分為支撐壓力內(nèi)高壓成形（在模具閉合前管內(nèi)即有持續(xù)壓力）和常規(guī)內(nèi)高壓成形。

基本上，支撐壓力內(nèi)高壓成形可以使用與常規(guī)內(nèi)高壓成形相同的設(shè)備和模具來實(shí)現(xiàn)，兩種工藝的區(qū)別在于過程順序。支撐壓力內(nèi)高壓成形在需要的時(shí)候可以提供適當(dāng)?shù)姆绞剑c傳統(tǒng)的內(nèi)高壓成形工藝過程相結(jié)合。以下是對(duì)支撐壓力內(nèi)高壓成形工藝的描述及其與常規(guī)內(nèi)高壓成形工藝的比較，目的是讓同行對(duì)這兩種工藝的區(qū)別和相同之處有一個(gè)更好的了解。

支撐壓力內(nèi)高壓成形工藝

工藝描述

考慮到上述情況，內(nèi)高壓成形過程的工藝順序需要適應(yīng)材料的具體性能。特別是，必須考慮材料的低成形性能。這個(gè)過程應(yīng)該是可以利用現(xiàn)有的內(nèi)高壓成形設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。

支撐壓力內(nèi)高壓成形工藝過程為，首先將零件內(nèi)部注入介質(zhì)并提升其壓力，然后再使模具閉合，這樣在成形過程中，可以避免由低膨脹引起的褶皺，并優(yōu)化材料在模具閉合過程中的分布。同時(shí)還有其他的正面效應(yīng)。由于沒有明顯的膨脹，因此沒有加工硬化的過程，該工藝相對(duì)常規(guī)內(nèi)高壓成形可采用較低的最大壓力。最大壓力的主要目的是消除變形過程中難以避免的壓痕，及支持沖孔操作。而較低的最大壓力會(huì)導(dǎo)致較低的閉合力，因此可以在工藝過程中沖較大的孔，同時(shí)因?yàn)檩^低的應(yīng)力，模具體積可以設(shè)計(jì)得相對(duì)較小。

材料的類型

支撐壓力內(nèi)高壓成形是專為成形性能較低的材料設(shè)計(jì)的，包括高強(qiáng)度鋼、鋁或鈦合金等材料。極少的膨脹導(dǎo)致壁厚分布更均勻和成形過程中脹裂情況的消失。

如果零件設(shè)計(jì)適當(dāng)，即使在低壓力情況下也可實(shí)現(xiàn)一定的腹脹以及端部進(jìn)料。這將取決于所用的材料強(qiáng)度和均勻延伸率。

壓力機(jī)

支撐壓力內(nèi)高壓成形過程對(duì)壓力機(jī)沒有特殊的要求，不需要壓力機(jī)有額外的配置。不過對(duì)于有鎖止的短行程壓力機(jī)有一定限制，因?yàn)樗鼈兺ǔ２荒芴峁┠＞唛]合過程中所需要的合模力。可以普遍認(rèn)為，新工藝使用的壓力機(jī)的合模力可以比常規(guī)內(nèi)高壓成形壓力機(jī)小一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這同樣適用于沖孔缸。從另一方面，如果合模力不減小，則可以生產(chǎn)較大的零件，當(dāng)然，壓力機(jī)的工作臺(tái)面需要增加。

模具概念

支撐壓力內(nèi)高壓成形模具在外觀上看起來與傳統(tǒng)的內(nèi)高壓成形模具相差不大，但設(shè)計(jì)可以有所不同。它們不必承擔(dān)較大的力量，因此體積可以相對(duì)小些。出于同樣的原因，可以使用更多、更大的沖孔缸。因?yàn)楹夏Ａp少，主動(dòng)與被動(dòng)滑動(dòng)條的使用更容易，同時(shí)可減少零件表面的分割線。

如果可行的話，整個(gè)過程可能在一個(gè)模具上實(shí)現(xiàn)，也可以分解成預(yù)成形模具和內(nèi)高壓成形模具兩步來完成。預(yù)成形模具和內(nèi)高壓成形模具，都可以有或者無支撐壓力。內(nèi)高壓成形模具可集成沖孔和頂出功能。此外，根據(jù)零件幾何形狀確定是否需要端部進(jìn)給。

該工藝提供了更靈活的設(shè)計(jì)，然而，這也使過程更加復(fù)雜。因此，必須考慮什么是必要的和有用的。

支撐壓力內(nèi)高壓成形零件設(shè)計(jì)

零件的設(shè)計(jì)要求特別嚴(yán)格。零件整個(gè)長(zhǎng)度中周長(zhǎng)幾乎不變，延伸率通常是0～2%之間，在彎管時(shí)延伸率也可以是負(fù)的。

然而，截面必須進(jìn)行功能性設(shè)計(jì)，這就需要照顧兩個(gè)部分之間的過渡不能太突然。這可能會(huì)導(dǎo)致即使有支撐壓力依然出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，結(jié)果因?yàn)榈偷淖畲髩毫?dǎo)致在圓角處出現(xiàn)不適當(dāng)?shù)男螤睢Ｔ诤夏＿^程中材料受壓縮或者局部應(yīng)力集中也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)同樣的問題。

如果有要求，端部材料的流動(dòng)是可行的，可實(shí)現(xiàn)膨脹。端部進(jìn)給也需要適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。

低成形性能材料往往在彎管過程中會(huì)出現(xiàn)成形困難。如果彎管時(shí)沒有施加推動(dòng)力則有必要增加彎曲率。

影響支撐壓力內(nèi)高壓成形結(jié)果的因素

原材料

材料無膨脹，甚至不同批次的管公差不同都會(huì)對(duì)關(guān)鍵的圓角形成影響。

預(yù)處理環(huán)節(jié)

⑴彎管。

⑵沒有支撐壓力預(yù)成形。

⑶機(jī)械縮小/擴(kuò)張零件的兩端。

⑷使管變橢圓以增加彎曲率。

內(nèi)高壓成形細(xì)節(jié)

⑴模具閉合過程中支撐壓力盡量晚。

⑵材料流動(dòng)是可能的，因此內(nèi)部壓力較低的情況下也可實(shí)現(xiàn)端部膨脹和較小的半徑。

⑶可使用水平推進(jìn)塊（液壓推進(jìn)裝置或者采用墊片），用于材料分布或者實(shí)現(xiàn)切口。

⑷支撐壓力約為8～15MPa。

⑸內(nèi)高壓成形過程不需要潤滑，通常模具只需要進(jìn)行硝酸鹽處理，不需要硬化。

液壓沖孔

⑴支撐壓力內(nèi)高壓成形過程由于低的內(nèi)部壓力可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的凹陷。

⑵可使用具有幾何形狀的角沖頭，以減小沖孔力。

⑶相比常規(guī)內(nèi)高壓成形工藝，沖孔缸可以更小，可沖更多、更大的孔（較小的力與負(fù)載）。

零件的精度

由于支撐壓力內(nèi)高壓成形材料延伸率較低，且成形過程中最大壓力較低，尺寸公差均高于常規(guī)內(nèi)高壓成形，但仍明顯優(yōu)于一般的沖壓零件或沖壓總成方式。最終，是否使用該工藝取決于零件的應(yīng)用。

零件精度的主要影響參數(shù)有：管公差（易導(dǎo)致不精確的半徑）、突變之間的橫截面（易導(dǎo)致皺紋或不精確的半徑）、滑動(dòng)器（易產(chǎn)生表面劃痕）、彎管壓扁（易導(dǎo)致不精確半徑）、壓縮應(yīng)變（易導(dǎo)致不精確半徑）、回彈等。

與傳統(tǒng)的內(nèi)高壓成形的比較

支撐壓力內(nèi)高壓成形方式的確定

通過比較內(nèi)高壓方式成形 管或其他截面零件，我們基本上可以區(qū)分在常溫下用液體內(nèi)高壓成形和使用氣體熱成形的不同工序。所有這些程序涵蓋不同的應(yīng)變和壓力范圍。圖1所示為內(nèi)高壓成形的基本方式。

常規(guī)內(nèi)高壓成形壓力范圍通常為120～200MPa，延伸率大多低于30%。采用常規(guī)內(nèi)高壓成形工藝進(jìn)行小零件的成形時(shí)通常需要更大的壓力，不銹鋼或三通零件在進(jìn)行常規(guī)內(nèi)高壓成形時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)最大的形變。使用支撐壓力內(nèi)高壓成形的零件通常需要的壓力為50～100MPa，而應(yīng)變遠(yuǎn)小于10%。

通常也會(huì)有混合的解決方案，最終結(jié)果無法將兩種方法明確分開。

在內(nèi)高壓熱成形時(shí)，內(nèi)部壓力明顯減小，通常低于30MPa。然而因?yàn)轱@著減小的應(yīng)力和較高的成形能力，使復(fù)雜的形狀與高延伸率和小半徑得以實(shí)現(xiàn)。

工藝差異

基于不同零件的幾何形狀，支撐壓力內(nèi)高壓成形和傳統(tǒng)的內(nèi)高壓成形有不同的工藝順序。主要的區(qū)別是模具閉合的程序不同，以及成形過程不同，另外一個(gè)重要的區(qū)別是因?yàn)榱慵]有膨脹同時(shí)也沒有必要從端部進(jìn)料。

⑴工藝過程。

圖2顯示了常規(guī)內(nèi)高壓成形的標(biāo)準(zhǔn)工藝過程。

圖1 內(nèi)高壓成形基本方式

圖2 常規(guī)內(nèi)高壓成形工藝過程

圖3顯示了支撐內(nèi)高壓成形的標(biāo)準(zhǔn)工藝過程。

⑵零件成形差異。

如圖4所示，常規(guī)內(nèi)高壓成形工藝應(yīng)用在延伸率非常低的截面時(shí)，壓力機(jī)關(guān)閉過程中零件內(nèi)部無支撐壓力時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致壓痕和皺紋的出現(xiàn)，這個(gè)就算用高壓力校準(zhǔn)也無法去除。這也導(dǎo)致在其他區(qū)域缺失材料，產(chǎn)生壁厚不均和狹窄的半徑問題，在最壞的情況下甚至出現(xiàn)零件開裂。而支撐壓力內(nèi)高壓成形則能夠使零件材料有更好的分配，最終得到更好的成形效果。

圖3 支撐壓力內(nèi)高壓成形工藝過程

圖4 零件成形過程

表1是常規(guī)內(nèi)高壓成形與支撐壓力內(nèi)高壓成形工藝方法的基本差異的總結(jié)。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

綜上所述，相比常規(guī)內(nèi)高壓成形，支撐壓力內(nèi)高壓成形的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如下：

⑴優(yōu)點(diǎn)。對(duì)低成形性能的材料（例如，高強(qiáng)度鋼）可以安全地實(shí)現(xiàn)成形；能夠?qū)崿F(xiàn)更一致的壁厚；零件沒有破裂的風(fēng)險(xiǎn)；可實(shí)現(xiàn)小角度半徑（模具閉合時(shí)實(shí)現(xiàn)）；可實(shí)現(xiàn)更多、更大的孔（沖孔缸可能較小，模具載荷降低，所需功率減小）；通常情況下無潤滑的必要；可實(shí)現(xiàn)組合壓力成形+最終成形；模具載荷小，因此可以減小模具體積；壓力機(jī)噸位可以更小；可能減少循環(huán)周期時(shí)間（更容易的成形過程，更小的機(jī)器，更快的速度）；壓機(jī)油的需求量減少；減少高壓部件的磨損；比傳統(tǒng)的內(nèi)高壓成形更經(jīng)濟(jì)。

⑵缺點(diǎn)。成形零件有較大的公差，回彈問題嚴(yán)重，加工零件要具有恒定的周長(zhǎng)（幾何尺寸有局限，進(jìn)給區(qū)除外），較低的加工硬化，易受上游工藝的影響和圓角半徑的公差的波動(dòng)等。

考慮到這些缺點(diǎn)對(duì)零件質(zhì)量的影響，必須針對(duì)零件的特點(diǎn)來決定采用適當(dāng)?shù)墓に嚒?/p>

實(shí)際應(yīng)用

基于零件尺寸，該工藝程序主要用于框架組，如圖5所示。對(duì)于小零件來說益處不大，因?yàn)樾×慵o法利用到低壓的好處。小零件因?yàn)槭褂霉δ芏ǔ＞哂休^高的延伸率，因此要求具有良好的成形性能的材料。

表1 兩種工藝方法的過程差異總結(jié)

圖5 BIW車架及發(fā)動(dòng)機(jī)支架

在白車身零件應(yīng)用領(lǐng)域可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因?yàn)槭褂酶邚?qiáng)度材料的大型組件可以顯著減少壓力機(jī)噸位。因此，2000～3500t壓力機(jī)可用于生產(chǎn)這種零件。

在美國市場(chǎng)，該工藝被廣泛應(yīng)用，內(nèi)高壓成形的零件比例約為30%。因此在更高強(qiáng)度的材料和結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展是比較先進(jìn)的，通過下面的案例說明。圖6、圖7、圖8都是該技術(shù)的應(yīng)用案例。

結(jié)束語

隨著材料的發(fā)展以及美國市場(chǎng)的成熟應(yīng)用，對(duì)于某些零件，支撐壓力內(nèi)高壓成形是對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)高成形技術(shù)的有益補(bǔ)充。特別是使用更小噸位的壓力機(jī)生產(chǎn)高強(qiáng)度材料或鋁管的框架結(jié)構(gòu)件，這最終意味著成本降低。

圖6 頂邊梁

圖7 Chevrolet結(jié)構(gòu)零件

圖8 前端結(jié)構(gòu)

當(dāng)然，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法不可能解決所有問題。解決方案必須是針對(duì)特定零件，這意味著應(yīng)綜合考慮整個(gè)生產(chǎn)過程，往往需要與其他制造工藝進(jìn)行優(yōu)化組合才能使內(nèi)高壓成形技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。