基于汽車輕量化的板材液壓成形技術(shù)研究

朱梅云

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

基于低碳、綠色、節(jié)能、環(huán)保、安全等理念，汽車輕量化技術(shù)是現(xiàn)代汽車設(shè)計制造的一大主流，汽車輕量化技術(shù)可提高汽車燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。汽車重量每降低100公斤，每百公里油耗至少可節(jié)約1.6升，所以，近年來汽車輕量化技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，據(jù)統(tǒng)計2016年，中國汽車產(chǎn)銷量已超過2800萬輛，可見汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用顯得尤其重要。其中，板材液壓成形技術(shù)是實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一，同時，板材液壓成形技術(shù)是實現(xiàn)車體輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑[1-2]。

板料液壓成形（Sheet hydroforming）是一種特殊的柔性塑形加工成形工藝，主要采用液體作為介質(zhì)代替剛性凸模或凹模傳遞載荷，使坯料在傳力介質(zhì)壓力作用下貼靠凸模或凹模以實現(xiàn)金屬板材或管材零件的成形，其研究對象主要為筒形件、盒形件、復雜曲面零件、中空管件等，板料液壓成形也可稱為液力成形。液壓成形技術(shù)主要用于汽車、航空航天、電器儀表等領(lǐng)域多品種復雜零件的生產(chǎn)，以滿足使用條件的特殊性對零件質(zhì)量的嚴格要求。本文主要研究液壓成形技術(shù)在汽車車身輕量化技術(shù)上的應(yīng)用。圖1為典型的液壓成形技術(shù)零件。

圖1 液壓成形技術(shù)沖壓件

1 液壓成形工藝原理

1.1 工藝原理[3]

液壓成形工藝包括液壓脹形、橡皮膜液壓脹形、充液拉深成形、無模液壓脹形、粘性介質(zhì)液壓脹形等。液壓成形工藝原理如圖2所示，圖a表示液體代替凹模，圖b表示液體代替凸模。

圖2 液壓成形工藝原理

1.2 板材液壓脹形工藝原理

流體介質(zhì)充當凸模，在液體壓力的作用下，板料貼靠模腔成形零件。液壓脹形技術(shù)，其特點就是在液體壓力作用于板料在模具約束下成形，甚至可以無模約束成形，生產(chǎn)復雜的中空零件，如圖3所示。

1.3 橡皮囊板材液壓脹形工藝原理

圖3 液壓脹形工藝原理

在板材液壓發(fā)展初期，應(yīng)用的是橡皮囊液壓成形技術(shù)，該技術(shù)是利用橡皮囊作為彈性凹模或凸模，用液壓油作為壓力傳力介質(zhì)來實現(xiàn)板材零件的成形，即在成形過程中有一個橡皮隔膜將液體介質(zhì)與板坯隔開，凹模被省略，由于橡皮在成形中始終緊貼零件，所以，零件表面無擦傷痕跡，并且，在高壓和摩擦力作用下，材料的塑性可以得到充分發(fā)揮，零件的回彈小，貼膜效果好，厚度變化比較均勻，材料內(nèi)部損傷率降低，可以明顯地提高零件成形質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的可靠性，適合復雜汽車覆蓋件的沖壓成形，如圖4所示。

圖4 橡皮囊板材液壓脹形工藝原理

1.4 板材沖液拉深工藝原理

板材沖液拉深工藝主要包括徑向拉深和徑向沖液反拉深兩種工藝，拉深工藝主要由壓邊圈、凹模、沖液室、凸模幾部分組成，如圖5所示。

圖5 板材沖液拉深工藝原理

1.5 可動凹模液壓成形工藝原理

可動凹模板材液壓成形技術(shù)是采用固定部分和可動部分組成的組合凹模，實現(xiàn)拉深與脹形的復合成形。采用可動凹模板材液壓成形技術(shù)，板材的減薄可明顯減輕，成形極限得到顯著提高，這種新技術(shù)適用于鋁合金等復雜形狀板料件盒低塑性輕材質(zhì)材料如鎂合金材質(zhì)的沖壓成形，如圖6所示。

圖6 可動凹模液壓成形工藝原理

2 液壓成形工藝特點

液壓成形工藝與傳統(tǒng)沖壓成形相比較，主要有如下特點：

（1）板材液壓成形僅需要凹模或凸模，另一半被液體介質(zhì)所代替，減少了模具制造費用，一般模具費用可降低30%以上，降低零件的生產(chǎn)成本。同時，液壓成形的模具可以用便宜的材料來加工，不同厚度和不同材料的零件可以在同一套模具上生產(chǎn)。

（2）板材液壓成形能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并能顯著改善產(chǎn)品的性能，液壓成形的零件有重量輕，強度高，硬度高和質(zhì)量好的優(yōu)點，材料利用率高，尺寸精度高，回彈小，殘余應(yīng)力低等優(yōu)點。

（3）可以通過改變凹模或沖模的形狀，來成形各種各樣形狀的零件，液壓成形可以單道次成形一些形狀復雜的零件，而傳統(tǒng)的沖壓成形則需要多道次才可實現(xiàn)，大大優(yōu)化沖壓工藝。

（4）板材液壓成形特別適合于成形性能差或高強度的材料，還能成形復合材料，這對于減輕零件重量是有幫助的，有利于汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展。

（5）更換模具和成形所需的時間相對較短，大大提高生產(chǎn)效率。

3 液壓成形工裝模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖7所示，a為液壓成形工裝模具結(jié)構(gòu)圖，b為液壓成形工裝模具密封系統(tǒng)。

圖7 模具結(jié)構(gòu)圖

4 液壓成形實驗結(jié)果與分析

為了驗證液壓成形技術(shù)在沖壓板料成形技術(shù)中的應(yīng)用，對某款車型發(fā)動機蓋板進行液壓成形模擬實驗與物理驗證，該沖壓件屬于空間幾何形狀尺寸比較復雜的汽車覆蓋件，用普通模具進行沖壓成形，通常拉深成形后沖壓件會出現(xiàn)圓角及側(cè)壁破裂缺陷，型面起皺及疊料缺陷等，通過調(diào)節(jié)沖壓工藝參數(shù)無法完全消除以上沖壓成形缺陷。但是，通過液壓成形技術(shù)的應(yīng)用，以上破裂及起皺缺陷基本消除，如圖8所示，表示發(fā)動機蓋板沖壓件成形極限圖，從成形極限FLD圖[4]可以看出，產(chǎn)品主要落于綠色安全區(qū)域，產(chǎn)品表面無破裂、起皺和疊料缺陷。圖9為物理驗證沖壓件，從圖可以看出，產(chǎn)品質(zhì)量完全符合技術(shù)要求，模擬實驗和物理試驗驗證一致，液壓成形技術(shù)得到合格沖壓成形件。

圖8 發(fā)動機蓋板液壓成形極限圖

圖9 發(fā)動機蓋板液壓成形物理驗證件

5 結(jié)論

（1）液壓成形技術(shù)研究結(jié)果表明，液壓成形技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決復雜沖壓件成形質(zhì)量問題，同時，液壓成形技術(shù)的應(yīng)用還可以節(jié)約模具研發(fā)成本。

（2）液壓成形技術(shù)的應(yīng)用，可以大大優(yōu)化沖壓成形工藝，減少沖壓成型工序。

（3）液壓成形技術(shù)的應(yīng)用，有效的推進汽車輕量化技術(shù)的快速發(fā)展。

[1] Hauger.Tailor Rolled Blanks for Automotive Light-weight Engineering[C].Automotive Circle International Conference，F(xiàn)rankfurd：2008：26-27

[2] BENEDYK J C.Lihgt metals in automotive applications[J].Light Metal Age，2000，10（1）：34-36

[3] 林忠欽.車身覆蓋件沖壓成形仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：49-52.

[4] 朱梅云，傅 建，等.基于伺服技術(shù)的板材沖壓成形性研究[J].鍛壓技術(shù).2014（10）：43-46.