板管復合充液成形工藝規劃設計

王 平，崔禮春，馬國禮，佘 威，李晶晶

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心 ，安徽 合肥 230001）

汽車輕量化技術是通過使用輕質材料、優化結構設計來達到減重目的的一種先進制造技術[1]。輕量化有兩個主要途徑：一是材料途徑，就是采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料等輕質材料；二是結構途徑，采用空心變截面、變厚度薄壁件等優化結構[2-3]。

在國家04重大專項中，以江淮汽車為牽頭單位，聯合天津鍛壓、北京航空、西安嘉業、清華大學等單位，以某車型鋁合金發蓋和頂蓋成形的迫切需求為切入點和目標，自主開發5000t轎車車身鋁合金覆蓋件大噸位充液成形集成單元，掌握面向批量化生產的充液成形裝備，充液-局部沖壓成形模具設計和制造關鍵技術，以解決鋁合金成形性差、表面易劃傷、成品率低等難題，提高鋁合金覆蓋件整體結構剛度和尺寸精度，降低成本，填補國內鋁合金汽車覆蓋件充液成形技術及設備的空白，同時在5000t設備鋁合金板材充液成形的基礎上拓展管梁件充液成形功能，增加0～250MPa超高壓源、管梁件側推系統及液壓打孔系統等，具備板管復合充液成形功能。

1 工藝規劃設計[4]

1.1 設計輸入

輸入條件一般包括；生產綱領、生產車型、生產沖壓件種類、數量及大小（設備選型依據）。

1.2 設計原則

（1）本車間為借用現有廠房，按投資最省、工藝內容簡捷化的原則設計；

（2）根據工藝性分析，選擇發蓋內外板、頂蓋及432扭力梁、拖曳臂管梁件進行工藝方案規劃；

（3）產能規劃按雙班10萬件，在產能未達綱時可安排更多自制件的生產。

1.3 工藝流程

板類件：備料—充液成形—激光切割—下線檢測—（返修）—入庫。

管類件：備料—彎管—預成形—充液成形—激光切割—下線檢測—（返修）—入庫。

（1）備料。車間生產使用的原材料為定尺板料或管梁件，由材料廠直接配送。來料后存放于線首，可直接上線生產。

（2）產能核算。根據以上設計輸入條件進行產能核算。生產綱領：60分×16小時×250天×0.75/1.5分=120000萬次（按沖壓線設備開動率0.75計算）。需注意的是，鑒于充液設備生產節拍為1次/1.5分鐘，剩余產能可規劃管梁件的生產。

（3）激光切割。充液成形后的板件及管梁件，激光切割機進行切邊、切孔加工后下線。

（4）下線檢測-（返修）-入庫。沖壓件生產下線后經檢測，對不合格品進行返修，最后入庫。

1.4 設備選型

（1）彎管機設備。用于管梁件的送料、轉管、彎管等工藝。

（2）預成形設備。用于管梁件的預先成形，為后序的充液成形提供需要的形狀。

（3）充液成形設備。用于鋁合金板材及管梁件的充液成形，解決了鋁合金板材成形困難及管梁件多層焊的問題，同時達到輕量化的目的。

（4）激光切割設備。用于鋁合金充液成形件及管梁充液成形件的切割加工，解決了充液成形件強度高，難于沖裁，修邊的問題。

2 工藝物流圖

本文以JAC國家04專項為例，通過板管復合充液成形平面布置圖1，展示了板管復合充液成形生產車間各功能區的主要規劃范圍：原材料存放區，成品件存放區，彎管區，預成形區，充液成形區及激光切割區等。

圖1 充液成形平面布局圖

3 設備設計技術研究

所研制的充液成形設備集成單元主要由三大部分組成：5000t充液成形主機系統、機器人取放件系統和集成控制系統。

3.1 主機系統研制技術方案

充液成形設備主機系統主要由主機、高壓源系統、快速換模機構、集成控制系統等組成，針對50000kN充液成形設備主機的結構特點、工作原理，重點通過以下技術的研究來對充液成形設備主機的整體結構和性能進行總體優化設計，突破關鍵器件及構件設計制造關鍵問題，提高充液成形設備主機的整體性能；自主開發多種充液成形設備主機輔助裝置，以滿足充液成形工藝批量化生產需求[5-6]。

3.2 大容積高壓源結構技術方案

大容積高壓源系統主要由多級高壓源自動轉換裝置、比例伺服控制系統、成形流體介質多級過濾回收系統、大流量快速預充液系統、高壓防護裝置等組成，主要用來向充液成形模具或液室中加注流體介質并施加可控的液體壓力[7-8]。

多級高壓源自動轉換裝置低壓端工作介質為液壓油，高壓端工作介質為易清潔、防腐蝕的流體介質，一般有兩個作用：一是產生目前高壓元件不能夠提供的高壓，如超過32MPa；二是隔離低壓端的液壓油和高壓端的加壓介質。高壓端加壓介質為乳化液，目前國內外相關的乳化液比例伺服元件需要特制并且性能不可靠，故采用高壓源裝置做為低壓與高壓進行能量階梯傳遞的中間環節，其主要通過兩個串聯的變截面液壓缸組成。低壓端加裝大流量插裝閥，高壓端與液室相連，低壓端壓力通過比例流量插裝閥控制來滿足充液成形工藝對超高壓、大流量壓力調節的硬件要求。

3.3 液壓系統仿真及研制技術方案

在集成液壓機液壓系統與大容積高壓源液壓控制系統研發的基礎上，通過對高壓、大流量充液成形過程工況的分析，對整機液壓系統、能量快速穩定釋放及其散熱系統進行優化設計，從而研制出一種適合對高壓、大流量流體介質進行壓力控制、滿足汽車大型覆蓋件成形及批量化生產的液壓系統[9]。

3.4 實時閉環控制系統技術方案

采用模塊化設計技術對充液成形設備各單元動作進行分解，各元器件合理組合形成充液成形設備動作，融入高壓、大容量充液成形工藝數據庫存儲技術以及基于模糊神經網絡的控制技術等[10]，建立大型充液成形設備主機防過沖破裂預警系統，開發液室內壓力與沖壓力和壓邊力耦合匹配控制算法，實現帶內壓力沖壓速度恒定、提高高壓源大滯后環節的快速控制，實現實時閉環控制及成形工藝參數實時顯示及修改、存儲技術、故障診斷技術的突破，通過引入profibus現場總線技術，實現工廠綜合自動化和現場設備智能化。

3.5 系統集成的技術方案

面向大批量生產的需要，對設備主機、零件定位和機器人自動上下料等裝置需要進行集成，以滿足批量化生產中節拍和穩定性生產的需求。通過引入Profibus現場總線技術，有機組合各個動作環節的協調工作，研究各個環節之間的關系和動作時間的重疊，從而達到本課題研究的考核指標。

4 結論

到目前為止，3000t及以上噸位充液成形設備及其生產線核心技術被國外掌控。歐美、日本等發達國家目前已采用充液成形生產線大規模生產高品質車身覆蓋件。本課題研發的5000t充液成形機同步拓展管梁件充液成形功能，可滿足以國家自主品牌江淮汽車為代表的轎車用鋁合金發罩、頂蓋等覆蓋件及扭力梁、拖曳臂充液成形需求，打破國外這類零部件成形技術封鎖，促進自主汽車工業發展，為實現汽車輕量化及節能減排目標做出貢獻，填補國內鋁合金汽車覆蓋件及管梁件充液成形技術及設備的空白。

[1]李 濤，郎利輝，周賢賓.先進鈑材液壓成形技術及其進展[J].塑性工程學報，2006，13（3）：30-34.

[2]郎利輝，許 諾，王永銘，等.薄壁深腔件部分陰模充液成形技術研究[J].材料科學與工藝，2013，21（6）：1-6.

[3]郎利輝，田 鵬，程鵬志，等.汽車扭力梁充液成形技術研究[J].鍛壓技術，2014，39（4）：25-30.

[4]王 平，崔禮春，熊 飛.汽車沖壓車間的工藝規劃設計[J].鍛壓技術，2012，37（6）：135-137.

[5]郎利輝，王永銘.復雜薄壁微小截面環形件的充液成形技術研究[J].鍛壓技術，2011，36（2）：34-38.

[6]楊 踴，孫淑鐸，劉慧茹.航空發動機復雜型面罩子鈑充液成形技術[J].航空制造技術，2010，1（1）：9l-99.

[7]楊春雷，郎利輝，王秀鳳，等.厚壁管坯零件快速充液成形過程的數值模擬[J].鍛壓技術，2013，38（2）：61-64.

[8]薛 勇，郎利輝，段江年.基于灰色系統理論的汽車橫梁充液成形用坯料優化[J].塑性工程學報，2009，16（5）：59-64.

[9]張 帆，郎利輝，程鵬志，等.異形截面構件多工序充液成形工藝及過程優化[J].鍛壓技術，2014，39（3）：42-46.

[10]郎利輝，許 諾，王永銘，等.深腔類盒形件充液成形技術研究[J].鍛壓技術，2013，38（2）：21-26.