基于汽車輕量化的管材內高壓成形技術研究

王文彬，朱梅云

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

基于低碳、節能、綠色、安全等設計理念，汽車輕量化是現代汽車設計制造的主流趨勢，汽車輕量化技術可以提高燃油經濟性，實現節能減排的目的。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 汽車的燃油經濟性與汽車自重的關系

近年來，汽車輕量化技術發展勢頭迅猛，其中，板材內高壓成形技術是汽車輕量化的主要途徑之一[1～2]。板材內高壓成形技術（Internal high pressure forming）是以管材作坯料，通過管材內部施加高壓液體和軸向補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，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的水、油或黏性物質作傳力介質，代替剛性的凹模或凸模，使材料在傳力介質的壓力作用下貼合凸模或凹模而成形，它是一種柔性成形技術。根據成形對象的不同，液壓成形技術可以分為殼液壓成形技術、板材液壓成形技術和管材液壓成形技術三大類。

由于汽車工業的快速發展，大量冷成形性能差的新材料和結構復雜的零件得到了越來越多的應用，這為板液壓成形技術的發展提供了機遇。板液壓成形作為一種先進的加工工藝，具有模具成本低、模具制造周期短、成形極限高等特點，與傳統工藝相比，液壓成形適應了當今產品的小批量、多品種的柔性發展方向，受到世界各國學者的一致關注。

液壓成形技術是一種軟凸模成形技術，與一般的成形工藝相比可減少模具數量。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，零件凍結性好，殘余應力通過高壓塑性變形接近完全消除，彈復小，板材成形極限可明顯超過拉深工藝和純液壓脹形工藝。這種工藝技術尤其適用于形狀復雜、尺寸多變的大型板料零件的生產。

圖2 汽車車身內高壓技術應用

本文主要針對沖壓管材內高壓成形技術，研究并分析板材內高壓成形性，以實現汽車結構件輕量化技術。圖2是汽車車身內高壓成形技術應用案例。

1 內高壓成形工藝

1.1 內高壓成形屈服壓力計算

管材內高壓成形屈服壓力計算如公式（1）所示，內高壓技術零件變徑截面圖如圖3所示。

圖3 內高壓技術零件變徑圖

式中：t——壁厚；

D——外徑；

σs——屈服強度。

1.2 內高壓成形過渡圓角工藝

如圖4所示為內高壓技術成形壓力與過渡圓角半徑的關系，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，過渡圓角半徑應該盡量大，一般，過渡圓角半徑設計為r=（4～10）t,成形壓力約為屈服強度的 1/4～1/10。

1.3 內高壓成形工藝曲線加載方式

圖4 內高壓成形壓力與過渡圓角半徑的關系

內高壓成形工藝曲線的加載方式對沖壓件成形質量有著重要影響，不同曲線加載方式會成形出不同質量的沖壓件。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。在產品的成形區間，應該是不起皺、不破裂的軸向應力和內壓之間匹配的區間。成形區間的內壓寬度越大，工藝控制越容易。如圖5所示。

圖5 成形區和加載曲線的關系圖

1.4 內高壓成形區長度與極限膨脹率的關系

內高壓成形區長度對其產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長徑比變化存在峰值。長徑比大，極限膨脹率隨長徑比增加而減小，變化幅度不大；長徑比很小時，極限膨脹率隨成形區長徑比的減小而急劇下降。

圖6 成形區長度與極限膨脹率的關系

2 內高壓成形預成形工藝技術

內高壓成形工藝預成形工序是在數控彎管機上將鋼管彎曲成要求的形狀，同時還要滿足鋼管壁厚減薄率的要求。預成形工序是內高壓成形能否實現的關鍵，預成形的設計應考慮到以下幾方面：

（1）預成形后的管坯可容易的放入內高壓成形模具中；

（2）保證在內高壓成形工序中，在同一截面上鋼管的變形的均勻性；

（3）在內高壓成形之前進行材料的儲備。內高壓成形工序中，模具型腔與產品形狀相同，在模具設計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 內高壓成形模擬實驗

內高壓成形模擬實驗采用規格為直徑?63.5mm,壁厚2.0mm的低碳鋼管，管材的力學性能在自動材料試驗機上進行。主要力學性能如表1所示。圖7為試驗管材模擬成形極限圖，圖8為試驗管材模擬厚度分布圖。

表1 試驗材料力學性能

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的綠色區域代表減薄區域，紫色區域代表增厚區域，圖7和圖8位置吻合。

圖7 內高壓成形管材成形FLD

圖8 內高壓成形管材成形厚度分布圖

4 結論

（1）內高壓成形技術研究結果表明，內高壓成形技術的整形過渡圓角工藝設計、內高壓成形工藝曲線加載方式、內高壓成形區長度與極限膨脹率對其成形質量有著重要影響。

（2）內高壓成形實驗研究證明：在彎管工序中，要控制鋼管的壁厚減薄率。

（3）內高壓成形技術的應用，有效推進了汽車輕量化技術的快速發展。