管件液壓成型技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用*

崔禮春，黃頂社，徐迎強，趙烈偉，張國兵

(安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，節(jié)能減排是其發(fā)展趨勢，汽車輕量化技術(shù)成為熱點研究方向。管件液壓成型技術(shù)作為輕量化的重要方法之一，發(fā)展很快，國內(nèi)外多家汽車公司已將其應(yīng)用于管類零件的生產(chǎn)[1-3]。

管式液壓通過對管型件管腔內(nèi)施加液體壓力，使其在模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，從而得到所需形狀的方法。與沖壓成型相比，其優(yōu)點有： 輕量化效果明顯；能提高零件強度和剛度；減少模具數(shù)量和工序；減少焊接，提高精度；降低生產(chǎn)成本。管式液壓成型產(chǎn)品已經(jīng)在汽車車身、底盤、大梁等零件制造中大量應(yīng)用，尤其是液壓成型的前后懸架，已成為汽車開發(fā)首選[4]。本文介紹了管式液壓成型設(shè)計技術(shù)的要點和調(diào)試方案，列舉了管式液壓成型技術(shù)在汽車產(chǎn)品制造中的應(yīng)用，包括典型零件應(yīng)用、零件質(zhì)量等指標(biāo)對比、工藝設(shè)計及調(diào)試過程等，最后分享了管式液壓成型關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)驗，為后期項目開發(fā)提供參考意義。

1 工藝分析

1.1 彎管工藝設(shè)計

彎管就是夾緊管端部，靠彎模將圓管彎出零件大致形狀，是復(fù)雜形狀內(nèi)高壓件制造的第一步，也是最為關(guān)鍵的工序之一，直接關(guān)系到最終成型件的質(zhì)量。適當(dāng)?shù)膹澢霃健澢俣取⑦^彎角度等工藝參數(shù)是彎管的關(guān)鍵因素。彎管設(shè)備和彎管工藝結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，通過模擬分析，結(jié)合實踐驗證，使實物狀態(tài)達到產(chǎn)品設(shè)計要求。彎管工藝設(shè)計要點如下：

圖1 彎管設(shè)備

1—轉(zhuǎn)彎模具；2—夾持模具；3—導(dǎo)向模具；4—芯棒模具；5—回轉(zhuǎn)模具

1) 為簡化彎管工藝和模具數(shù)量，盡量保持相同的彎曲半徑；

2) 避免兩次彎管間直線長度過小，否則增加彎管難度，使模具更復(fù)雜，生產(chǎn)效率降低。建議直線段L≥1.5D(其中D為管徑)，如圖3所示；

3) 彎管半徑不宜過小，導(dǎo)致管件破裂和起皺，增加彎管難度。建議彎管半徑R≥2.5D，如圖3所示；

圖3 彎管間直線段設(shè)置

4) 避免彎數(shù)過多，累計誤差增大，從而使零件生產(chǎn)不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率降低。

彎管工序包括： 1)在數(shù)控彎管機上將鋼管彎曲成要求的形狀；2)檢測產(chǎn)品尺寸；3)實驗檢測鋼管壁厚減薄率。

1.2 預(yù)成型和終成型設(shè)計

1.2.1 預(yù)成型

預(yù)成型模具調(diào)試主要是將零件預(yù)壓出終成型的大概形狀，使得管件能夠放入終成型型腔，同時減小終成型脹形量，預(yù)成型設(shè)備和預(yù)成型結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4和圖5所示，設(shè)計要點如下；

圖4 預(yù)成型設(shè)備800 T

圖5 預(yù)成型結(jié)構(gòu)設(shè)計

1) 調(diào)整彎管參數(shù)，控制彎管線長(圖7)和R角位置，或修改預(yù)成型形狀來避免起皺問題；

2) 預(yù)成型形狀不好，液壓成型時會夾料；

3) 找到零件的重心，通過端頭定位和零件L處型面來確保定位穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 端頭的定位和零件L形型面

調(diào)試過程中，應(yīng)考慮零件定位可靠性和一致性，并避免啃模和帶料現(xiàn)象。此步工序要保證能順利放入終成型模腔，預(yù)成型作用包括： 1)預(yù)成型后的管坯可以放入模具中；2)保證后工序中同一截面變形均勻性；3)在內(nèi)高壓成型之前進行材料的儲備。

1.2.2 終成型

模具在充液生產(chǎn)過程中，上下壓力很大，但在沖孔或漏液后會突然卸壓，上模座的壓力來不及卸載，如施加在模腔內(nèi)，會損壞型面，為解決此問題，在模腔四周及導(dǎo)腿下方布置了大面積的承壓平衡塊，并研配平整，可有效將上模壓力分散到模座上，避免模腔損傷，終成型設(shè)備與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7和圖8所示，終成型設(shè)計要點如下。

圖7 終成型設(shè)備5 000 T

圖8 終成型結(jié)構(gòu)設(shè)計

1) 管徑選擇合理，零件漲形壓力分布均勻，避免回彈，保證零件精度；

2) 零件拼接方式，在確保質(zhì)量的前提下，一次產(chǎn)出盡可能多的零件，提高材料利用率；

3) 合理設(shè)計分模線，調(diào)整預(yù)成型模具的尺寸，避免閉合夾料。

終成型模具完成加工及裝配后的調(diào)試包括： 第一階段保證模具部件如斜楔、驅(qū)動油缸、進給機構(gòu)等部件運行順暢、穩(wěn)定、無干涉；第二階段，提升研合率及完成出件；第三階段，提升沖壓件精度，消除啃料及其他零件表面問題。預(yù)成型和終成型模具建議材質(zhì)如表1所示，工件存在拉毛的位置，可進行模具表面超硬化處理，效果良好。

表1 預(yù)成型和終成型模具材質(zhì)

2 管式液壓成型在汽車產(chǎn)品上的應(yīng)用

基于板/管復(fù)合液壓成型柔性生產(chǎn)線，在某車型上首次應(yīng)用管形件液壓成型技術(shù)，成功開發(fā)了后扭力梁、橫梁及左右縱臂3個零件，替代沖壓焊接式扭力梁，如圖9所示。其兩種結(jié)構(gòu)的重量、零件數(shù)量及焊接長度等指標(biāo)對比如表2所示，輕量化效果突出，目前該產(chǎn)品已供件累計5萬臺。

(a) 沖壓焊接

表2 管式液壓與沖壓焊接管件指標(biāo)對比

為擴大應(yīng)用效果，提高設(shè)備利用率，將液壓成型技術(shù)推廣應(yīng)用到公司某車型前副車架上，替代沖壓焊接式結(jié)構(gòu)。前副車架結(jié)構(gòu)衍變?nèi)鐖D10所示，指標(biāo)對比如表3所示，質(zhì)量減少31個百分點。

圖10 前副車架結(jié)構(gòu)衍變

表3 兩種結(jié)構(gòu)前副車架

3 管式液壓成型關(guān)鍵技術(shù)分享

3.1 端頭凹陷問題

問題描述： 某項目扭力梁橫梁終成型后兩端平面處未完全脹起，中間打孔處有長條形凹陷，壓痕不能消除，此處面凹陷影響搭接，產(chǎn)品不達標(biāo)，如圖11所示。

圖11 端頭凹陷

原因分析： 1) 預(yù)成型時在端頭位置管件內(nèi)部處于自由狀態(tài)，別處成型時材料流動必然牽動端頭，而端頭處于自由狀態(tài)，不受控制，因此變形嚴重；2) 預(yù)成型時凹陷區(qū)形狀急劇變化，并形成應(yīng)力集中點，液壓成型終成型時材料流動困難，無法脹起，從而造成凹陷。

整改方案： 兩側(cè)增加側(cè)推機構(gòu)、將上模端部型面由平面打凹，如圖12所示。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，零件凹陷消除，如圖13所示。

(a)下模 (b)上模

圖13 整改后凹陷消除

3.2 彎管的開裂和起皺問題

問題描述： 某項目副車架管梁，經(jīng)理論分析，彎管沒有問題，而在實際調(diào)試過程中，管件不是開裂就是起皺，如圖14和圖15所示。

圖14 彎管開裂

圖15 彎管起皺

原因分析： 1)彎管速度過快易使管開裂，過慢易起皺；2)芯棒位置不合適，有時過于超前或過后。

整改方案： 1) 調(diào)整彎管速度，一般將導(dǎo)管的彎管速度確定為機械最大彎管速度的20%～40%；

2) 調(diào)整芯棒位置： 芯棒在彎曲過程中主要起著支撐導(dǎo)管彎曲處內(nèi)壁，防止變形的作用，形式有柱式、定向、多球頭等。理論上它的切線應(yīng)與彎管模的切線平齊，經(jīng)試驗驗證，芯棒前端面提前彎管開始面提前1～2 mm成型效果較好，如圖16所示，但需注意提前量太大會造成彎曲部分外壁出現(xiàn)所謂鵝頭現(xiàn)象。

1-轉(zhuǎn)彎模具；2-夾持模具；3-導(dǎo)向模具；4-芯棒模具；5-回轉(zhuǎn)模具

3.3 定位面貼模不良問題

問題描述： 某項目扭力梁縱臂調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)縱臂定位孔所在基準面過小，總成件定位時不穩(wěn)定，如圖17所示。

圖17 基準面過小

原因分析： 由于R角過小且尺寸過窄，現(xiàn)有液壓壓強無法保證局部貼模率，平整區(qū)域?qū)挾萀小于10 mm，不滿足裝配要求，如圖18所示。

圖18 斷面貼模率分析

整改方案： 1)產(chǎn)品特征過于細小，面小、R角小造成成型困難，此件R角不能小于R8 mm，同時特征變化急劇，特別是過渡段，材料流動困難，通過增加空腔空間可增加貼模率；2)放大R角及此處內(nèi)腔空間，重新分析模擬，預(yù)計零件平整區(qū)域L達12.0～13.5 mm，整改后管件滿足總成裝配要求，如圖19和圖20所示。

圖19 R角放大

圖20 整改后管件基準面

4 結(jié)論

本文介紹了彎管工藝設(shè)計、預(yù)成型和終成型設(shè)計技術(shù)的要點和調(diào)試方案，列舉了管式液壓技術(shù)在汽車產(chǎn)品制造中的應(yīng)用，包括典型零件應(yīng)用、零件質(zhì)量等指標(biāo)對比、工藝設(shè)計及調(diào)試過程等，成功開發(fā)了后扭力梁和前副車架零部件，質(zhì)量減少約31個百分點。最后分享了管式液壓關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)驗，包括端頭凹陷問題整改、對彎管的開裂和起皺問題，及定位面貼模不良問題的攻關(guān)，為后期項目開發(fā)提供參考。