基于汽车轻量化的管材内高压成形技术研究

王文彬，朱梅云

（安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230601）

基于低碳、节能、绿色、安全等设计理念，汽车轻量化是现代汽车设计制造的主流趋势，汽车轻量化技术可以提高燃油经济性，实现节能减排的目的。如图1所示，汽车车重每减少100kg，每升油可多行驶1km；车重每减少10%，可以降低6%～8%的油耗，并且降低5%～6%的排放[1]。

图1 汽车的燃油经济性与汽车自重的关系

近年来，汽车轻量化技术发展势头迅猛，其中，板材内高压成形技术是汽车轻量化的主要途径之一[1～2]。板材内高压成形技术（Internal high pressure forming）是以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。由于使用乳化液作为传力介质，又称为管材液压成形（Tube hydroforming）或水压成形。液压成形是指采用液态的水、油或黏性物质作传力介质，代替刚性的凹模或凸模，使材料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模而成形，它是一种柔性成形技术。根据成形对象的不同，液压成形技术可以分为壳液压成形技术、板材液压成形技术和管材液压成形技术三大类。

由于汽车工业的快速发展，大量冷成形性能差的新材料和结构复杂的零件得到了越来越多的应用，这为板液压成形技术的发展提供了机遇。板液压成形作为一种先进的加工工艺，具有模具成本低、模具制造周期短、成形极限高等特点，与传统工艺相比，液压成形适应了当今产品的小批量、多品种的柔性发展方向，受到世界各国学者的一致关注。

液压成形技术是一种软凸模成形技术，与一般的成形工艺相比可减少模具数量。因采用液压加载，模具不易损坏，寿命提高，板件与模具贴合程度好，零件冻结性好，残余应力通过高压塑性变形接近完全消除，弹复小，板材成形极限可明显超过拉深工艺和纯液压胀形工艺。这种工艺技术尤其适用于形状复杂、尺寸多变的大型板料零件的生产。

图2 汽车车身内高压技术应用

本文主要针对冲压管材内高压成形技术，研究并分析板材内高压成形性，以实现汽车结构件轻量化技术。图2是汽车车身内高压成形技术应用案例。

1 内高压成形工艺

1.1 内高压成形屈服压力计算

管材内高压成形屈服压力计算如公式（1）所示，内高压技术零件变径截面图如图3所示。

图3 内高压技术零件变径图

式中：t——壁厚；

D——外径；

σs——屈服强度。

1.2 内高压成形过渡圆角工艺

如图4所示为内高压技术成形压力与过渡圆角半径的关系，从图可以看出，圆角半径越小，成形压力越高，合模力大，密封困难，功率增大。在满足使用要求的情况下，过渡圆角半径应该尽量大，一般，过渡圆角半径设计为r=（4～10）t,成形压力约为屈服强度的 1/4～1/10。

1.3 内高压成形工艺曲线加载方式

图4 内高压成形压力与过渡圆角半径的关系

内高压成形工艺曲线的加载方式对冲压件成形质量有着重要影响，不同曲线加载方式会成形出不同质量的冲压件。加载曲线位置不同获得的零件壁厚程度不同，靠近上限壁厚减薄大，靠近下限，壁厚减薄小。在产品的成形区间，应该是不起皱、不破裂的轴向应力和内压之间匹配的区间。成形区间的内压宽度越大，工艺控制越容易。如图5所示。

图5 成形区和加载曲线的关系图

1.4 内高压成形区长度与极限膨胀率的关系

内高压成形区长度对其产品极限膨胀率有着重要影响，如图6所示，极限膨胀率随着成形区长径比变化存在峰值。长径比大，极限膨胀率随长径比增加而减小，变化幅度不大；长径比很小时，极限膨胀率随成形区长径比的减小而急剧下降。

图6 成形区长度与极限膨胀率的关系

2 内高压成形预成形工艺技术

内高压成形工艺预成形工序是在数控弯管机上将钢管弯曲成要求的形状，同时还要满足钢管壁厚减薄率的要求。预成形工序是内高压成形能否实现的关键，预成形的设计应考虑到以下几方面：

（1）预成形后的管坯可容易的放入内高压成形模具中；

（2）保证在内高压成形工序中，在同一截面上钢管的变形的均匀性；

（3）在内高压成形之前进行材料的储备。内高压成形工序中，模具型腔与产品形状相同，在模具设计中要考虑冲孔缸和水平缸的位置，包括与这些缸体相连的液压管路、控制管线的排布等。

3 内高压成形模拟实验

内高压成形模拟实验采用规格为直径ø63.5mm,壁厚2.0mm的低碳钢管，管材的力学性能在自动材料试验机上进行。主要力学性能如表1所示。图7为试验管材模拟成形极限图，图8为试验管材模拟厚度分布图。

表1 试验材料力学性能

从图7、8成形极限FLD及成形厚度分布图可以看出，在位置1处，钢管的壁厚最小，壁厚减薄率为12.38%；在位置2处，钢管的壁厚最大，壁厚增大率为55%。图7的绿色区域代表减薄区域，紫色区域代表增厚区域，图7和图8位置吻合。

图7 内高压成形管材成形FLD

图8 内高压成形管材成形厚度分布图

4 结论

（1）内高压成形技术研究结果表明，内高压成形技术的整形过渡圆角工艺设计、内高压成形工艺曲线加载方式、内高压成形区长度与极限膨胀率对其成形质量有着重要影响。

（2）内高压成形实验研究证明：在弯管工序中，要控制钢管的壁厚减薄率。

（3）内高压成形技术的应用，有效推进了汽车轻量化技术的快速发展。