舒勒支撑压力内高压成形工艺的特点及应用

文/Dipl.-Ing. C. Merten，Dipl.-Ing. (FH) M. Riede，M. Knape·Schuler Pressen GmbH, Waghäusel，Germany Thomas Buschmann，王帅·舒勒贸易（上海）有限公司

舒勒支撑压力内高压成形工艺的特点及应用

文/Dipl.-Ing. C. Merten，Dipl.-Ing. (FH) M. Riede，M. Knape·Schuler Pressen GmbH, Waghäusel，Germany Thomas Buschmann，王帅·舒勒贸易（上海）有限公司

本文概述了一种适当地改进内高压成形过程的方法，并与常规内高压成形工艺进行比较。一方面对工艺过程的差异进行解释，另一方面阐明这两种成形方式原理类似，过程不同，可以根据需要对其进行组合。

根据对用于成形汽车零件的材料的调查，我们发现，高强度钢的使用比例越来越大，同时铝的使用量也在增加。因此对内高压成形技术提出新的挑战，需要新的工艺以适应材料的发展和变换。特别是在新的材料成形性能显著降低时，要对零件和工艺顺序进行研究。同时，也必须考虑其他的因素，比如高回弹问题及冲孔废料的处理，还要顾及更高的材料价格。

本文所描述的工艺并不是新开发的，而是被专利保护到现在。这些专利的所有者只服务于北美市场，因此该工艺在欧洲和亚洲市场几乎不被使用。在美国市场，甚至常常将内高压成形工艺区分为所谓的低压内高压成形（无胀管和最大压力较低）和高压内高压成形（常规液压扩张和校准压力高）。最后人们在讨论时把这两种工艺命名为完全不同的两个过程，认为需要不同的设备和不同的供应商。

经我们仔细观察，发现这两种工艺原理类似，过程不同，分别适用于特定的成形应用。在成形中使用的压力只要是正确的压力就好，成形压力值并非关键所在。更重要的区分是关于材料的最大延伸率，因为对于膨胀性能很低或没有膨胀性能的材料的零件设计和制造流程必须适应材料特性才能取得好的成果。因此，我们将内高压成形工艺分为支撑压力内高压成形（在模具闭合前管内即有持续压力）和常规内高压成形。

基本上，支撑压力内高压成形可以使用与常规内高压成形相同的设备和模具来实现，两种工艺的区别在于过程顺序。支撑压力内高压成形在需要的时候可以提供适当的方式，与传统的内高压成形工艺过程相结合。以下是对支撑压力内高压成形工艺的描述及其与常规内高压成形工艺的比较，目的是让同行对这两种工艺的区别和相同之处有一个更好的了解。

支撑压力内高压成形工艺

工艺描述

考虑到上述情况，内高压成形过程的工艺顺序需要适应材料的具体性能。特别是，必须考虑材料的低成形性能。这个过程应该是可以利用现有的内高压成形设备来实现的。

支撑压力内高压成形工艺过程为，首先将零件内部注入介质并提升其压力，然后再使模具闭合，这样在成形过程中，可以避免由低膨胀引起的褶皱，并优化材料在模具闭合过程中的分布。同时还有其他的正面效应。由于没有明显的膨胀，因此没有加工硬化的过程，该工艺相对常规内高压成形可采用较低的最大压力。最大压力的主要目的是消除变形过程中难以避免的压痕，及支持冲孔操作。而较低的最大压力会导致较低的闭合力，因此可以在工艺过程中冲较大的孔，同时因为较低的应力，模具体积可以设计得相对较小。

材料的类型

支撑压力内高压成形是专为成形性能较低的材料设计的，包括高强度钢、铝或钛合金等材料。极少的膨胀导致壁厚分布更均匀和成形过程中胀裂情况的消失。

如果零件设计适当，即使在低压力情况下也可实现一定的腹胀以及端部进料。这将取决于所用的材料强度和均匀延伸率。

压力机

支撑压力内高压成形过程对压力机没有特殊的要求，不需要压力机有额外的配置。不过对于有锁止的短行程压力机有一定限制，因为它们通常不能提供模具闭合过程中所需要的合模力。可以普遍认为，新工艺使用的压力机的合模力可以比常规内高压成形压力机小一个标准，这同样适用于冲孔缸。从另一方面，如果合模力不减小，则可以生产较大的零件，当然，压力机的工作台面需要增加。

模具概念

支撑压力内高压成形模具在外观上看起来与传统的内高压成形模具相差不大，但设计可以有所不同。它们不必承担较大的力量，因此体积可以相对小些。出于同样的原因，可以使用更多、更大的冲孔缸。因为合模力减少，主动与被动滑动条的使用更容易，同时可减少零件表面的分割线。

如果可行的话，整个过程可能在一个模具上实现，也可以分解成预成形模具和内高压成形模具两步来完成。预成形模具和内高压成形模具，都可以有或者无支撑压力。内高压成形模具可集成冲孔和顶出功能。此外，根据零件几何形状确定是否需要端部进给。

该工艺提供了更灵活的设计，然而，这也使过程更加复杂。因此，必须考虑什么是必要的和有用的。

支撑压力内高压成形零件设计

零件的设计要求特别严格。零件整个长度中周长几乎不变，延伸率通常是0～2%之间，在弯管时延伸率也可以是负的。

然而，截面必须进行功能性设计，这就需要照顾两个部分之间的过渡不能太突然。这可能会导致即使有支撑压力依然出现褶皱现象，结果因为低的最大压力导致在圆角处出现不适当的形状。在合模过程中材料受压缩或者局部应力集中也会导致出现同样的问题。

如果有要求，端部材料的流动是可行的，可实现膨胀。端部进给也需要适当的边界条件。

低成形性能材料往往在弯管过程中会出现成形困难。如果弯管时没有施加推动力则有必要增加弯曲率。

影响支撑压力内高压成形结果的因素

原材料

材料无膨胀，甚至不同批次的管公差不同都会对关键的圆角形成影响。

预处理环节

⑴弯管。

⑵没有支撑压力预成形。

⑶机械缩小/扩张零件的两端。

⑷使管变椭圆以增加弯曲率。

内高压成形细节

⑴模具闭合过程中支撑压力尽量晚。

⑵材料流动是可能的，因此内部压力较低的情况下也可实现端部膨胀和较小的半径。

⑶可使用水平推进块（液压推进装置或者采用垫片），用于材料分布或者实现切口。

⑷支撑压力约为8～15MPa。

⑸内高压成形过程不需要润滑，通常模具只需要进行硝酸盐处理，不需要硬化。

液压冲孔

⑴支撑压力内高压成形过程由于低的内部压力可能导致更严重的凹陷。

⑵可使用具有几何形状的角冲头，以减小冲孔力。

⑶相比常规内高压成形工艺，冲孔缸可以更小，可冲更多、更大的孔（较小的力与负载）。

零件的精度

由于支撑压力内高压成形材料延伸率较低，且成形过程中最大压力较低，尺寸公差均高于常规内高压成形，但仍明显优于一般的冲压零件或冲压总成方式。最终，是否使用该工艺取决于零件的应用。

零件精度的主要影响参数有：管公差（易导致不精确的半径）、突变之间的横截面（易导致皱纹或不精确的半径）、滑动器（易产生表面划痕）、弯管压扁（易导致不精确半径）、压缩应变（易导致不精确半径）、回弹等。

与传统的内高压成形的比较

支撑压力内高压成形方式的确定

通过比较内高压方式成形 管或其他截面零件，我们基本上可以区分在常温下用液体内高压成形和使用气体热成形的不同工序。所有这些程序涵盖不同的应变和压力范围。图1所示为内高压成形的基本方式。

常规内高压成形压力范围通常为120～200MPa，延伸率大多低于30%。采用常规内高压成形工艺进行小零件的成形时通常需要更大的压力，不锈钢或三通零件在进行常规内高压成形时可能会出现最大的形变。使用支撑压力内高压成形的零件通常需要的压力为50～100MPa，而应变远小于10%。

通常也会有混合的解决方案，最终结果无法将两种方法明确分开。

在内高压热成形时，内部压力明显减小，通常低于30MPa。然而因为显著减小的应力和较高的成形能力，使复杂的形状与高延伸率和小半径得以实现。

工艺差异

基于不同零件的几何形状，支撑压力内高压成形和传统的内高压成形有不同的工艺顺序。主要的区别是模具闭合的程序不同，以及成形过程不同，另外一个重要的区别是因为零件没有膨胀同时也没有必要从端部进料。

⑴工艺过程。

图2显示了常规内高压成形的标准工艺过程。

图1 内高压成形基本方式

图2 常规内高压成形工艺过程

图3显示了支撑内高压成形的标准工艺过程。

⑵零件成形差异。

如图4所示，常规内高压成形工艺应用在延伸率非常低的截面时，压力机关闭过程中零件内部无支撑压力时往往会导致压痕和皱纹的出现，这个就算用高压力校准也无法去除。这也导致在其他区域缺失材料，产生壁厚不均和狭窄的半径问题，在最坏的情况下甚至出现零件开裂。而支撑压力内高压成形则能够使零件材料有更好的分配，最终得到更好的成形效果。

图3 支撑压力内高压成形工艺过程

图4 零件成形过程

表1是常规内高压成形与支撑压力内高压成形工艺方法的基本差异的总结。

优点和缺点

综上所述，相比常规内高压成形，支撑压力内高压成形的优点和缺点如下：

⑴优点。对低成形性能的材料（例如，高强度钢）可以安全地实现成形；能够实现更一致的壁厚；零件没有破裂的风险；可实现小角度半径（模具闭合时实现）；可实现更多、更大的孔（冲孔缸可能较小，模具载荷降低，所需功率减小）；通常情况下无润滑的必要；可实现组合压力成形+最终成形；模具载荷小，因此可以减小模具体积；压力机吨位可以更小；可能减少循环周期时间（更容易的成形过程，更小的机器，更快的速度）；压机油的需求量减少；减少高压部件的磨损；比传统的内高压成形更经济。

⑵缺点。成形零件有较大的公差，回弹问题严重，加工零件要具有恒定的周长（几何尺寸有局限，进给区除外），较低的加工硬化，易受上游工艺的影响和圆角半径的公差的波动等。

考虑到这些缺点对零件质量的影响，必须针对零件的特点来决定采用适当的工艺。

实际应用

基于零件尺寸，该工艺程序主要用于框架组，如图5所示。对于小零件来说益处不大，因为小零件无法利用到低压的好处。小零件因为使用功能而通常具有较高的延伸率，因此要求具有良好的成形性能的材料。

表1 两种工艺方法的过程差异总结

图5 BIW车架及发动机支架

在白车身零件应用领域可以进行优化设计，因为使用高强度材料的大型组件可以显著减少压力机吨位。因此，2000～3500t压力机可用于生产这种零件。

在美国市场，该工艺被广泛应用，内高压成形的零件比例约为30%。因此在更高强度的材料和结构方面的发展是比较先进的，通过下面的案例说明。图6、图7、图8都是该技术的应用案例。

结束语

随着材料的发展以及美国市场的成熟应用，对于某些零件，支撑压力内高压成形是对传统内高成形技术的有益补充。特别是使用更小吨位的压力机生产高强度材料或铝管的框架结构件，这最终意味着成本降低。

图6 顶边梁

图7 Chevrolet结构零件

图8 前端结构

当然，一个标准方法不可能解决所有问题。解决方案必须是针对特定零件，这意味着应综合考虑整个生产过程，往往需要与其他制造工艺进行优化组合才能使内高压成形技术的优势得以发挥。