管件液压成型技术在汽车轻量化中的应用*

崔礼春，黄顶社，徐迎强，赵烈伟，张国兵

(安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

随着汽车制造业的飞速发展，节能减排是其发展趋势，汽车轻量化技术成为热点研究方向。管件液压成型技术作为轻量化的重要方法之一，发展很快，国内外多家汽车公司已将其应用于管类零件的生产[1-3]。

管式液压通过对管型件管腔内施加液体压力，使其在模具型腔内发生塑性变形，从而得到所需形状的方法。与冲压成型相比，其优点有： 轻量化效果明显；能提高零件强度和刚度；减少模具数量和工序；减少焊接，提高精度；降低生产成本。管式液压成型产品已经在汽车车身、底盘、大梁等零件制造中大量应用，尤其是液压成型的前后悬架，已成为汽车开发首选[4]。本文介绍了管式液压成型设计技术的要点和调试方案，列举了管式液压成型技术在汽车产品制造中的应用，包括典型零件应用、零件质量等指标对比、工艺设计及调试过程等，最后分享了管式液压成型关键技术经验，为后期项目开发提供参考意义。

1 工艺分析

1.1 弯管工艺设计

弯管就是夹紧管端部，靠弯模将圆管弯出零件大致形状，是复杂形状内高压件制造的第一步，也是最为关键的工序之一，直接关系到最终成型件的质量。适当的弯曲半径、弯曲速度、过弯角度等工艺参数是弯管的关键因素。弯管设备和弯管工艺结构如图1和图2所示，通过模拟分析，结合实践验证，使实物状态达到产品设计要求。弯管工艺设计要点如下：

图1 弯管设备

1—转弯模具；2—夹持模具；3—导向模具；4—芯棒模具；5—回转模具

1) 为简化弯管工艺和模具数量，尽量保持相同的弯曲半径；

2) 避免两次弯管间直线长度过小，否则增加弯管难度，使模具更复杂，生产效率降低。建议直线段L≥1.5D(其中D为管径)，如图3所示；

3) 弯管半径不宜过小，导致管件破裂和起皱，增加弯管难度。建议弯管半径R≥2.5D，如图3所示；

图3 弯管间直线段设置

4) 避免弯数过多，累计误差增大，从而使零件生产不稳定，生产效率降低。

弯管工序包括： 1)在数控弯管机上将钢管弯曲成要求的形状；2)检测产品尺寸；3)实验检测钢管壁厚减薄率。

1.2 预成型和终成型设计

1.2.1 预成型

预成型模具调试主要是将零件预压出终成型的大概形状，使得管件能够放入终成型型腔，同时减小终成型胀形量，预成型设备和预成型结构设计如图4和图5所示，设计要点如下；

图4 预成型设备800 T

图5 预成型结构设计

1) 调整弯管参数，控制弯管线长(图7)和R角位置，或修改预成型形状来避免起皱问题；

2) 预成型形状不好，液压成型时会夹料；

3) 找到零件的重心，通过端头定位和零件L处型面来确保定位稳定，如图6所示。

图6 端头的定位和零件L形型面

调试过程中，应考虑零件定位可靠性和一致性，并避免啃模和带料现象。此步工序要保证能顺利放入终成型模腔，预成型作用包括： 1)预成型后的管坯可以放入模具中；2)保证后工序中同一截面变形均匀性；3)在内高压成型之前进行材料的储备。

1.2.2 终成型

模具在充液生产过程中，上下压力很大，但在冲孔或漏液后会突然卸压，上模座的压力来不及卸载，如施加在模腔内，会损坏型面，为解决此问题，在模腔四周及导腿下方布置了大面积的承压平衡块，并研配平整，可有效将上模压力分散到模座上，避免模腔损伤，终成型设备与模具结构设计如图7和图8所示，终成型设计要点如下。

图7 终成型设备5 000 T

图8 终成型结构设计

1) 管径选择合理，零件涨形压力分布均匀，避免回弹，保证零件精度；

2) 零件拼接方式，在确保质量的前提下，一次产出尽可能多的零件，提高材料利用率；

3) 合理设计分模线，调整预成型模具的尺寸，避免闭合夹料。

终成型模具完成加工及装配后的调试包括： 第一阶段保证模具部件如斜楔、驱动油缸、进给机构等部件运行顺畅、稳定、无干涉；第二阶段，提升研合率及完成出件；第三阶段，提升冲压件精度，消除啃料及其他零件表面问题。预成型和终成型模具建议材质如表1所示，工件存在拉毛的位置，可进行模具表面超硬化处理，效果良好。

表1 预成型和终成型模具材质

2 管式液压成型在汽车产品上的应用

基于板/管复合液压成型柔性生产线，在某车型上首次应用管形件液压成型技术，成功开发了后扭力梁、横梁及左右纵臂3个零件，替代冲压焊接式扭力梁，如图9所示。其两种结构的重量、零件数量及焊接长度等指标对比如表2所示，轻量化效果突出，目前该产品已供件累计5万台。

(a) 冲压焊接

表2 管式液压与冲压焊接管件指标对比

为扩大应用效果，提高设备利用率，将液压成型技术推广应用到公司某车型前副车架上，替代冲压焊接式结构。前副车架结构衍变如图10所示，指标对比如表3所示，质量减少31个百分点。

图10 前副车架结构衍变

表3 两种结构前副车架

3 管式液压成型关键技术分享

3.1 端头凹陷问题

问题描述： 某项目扭力梁横梁终成型后两端平面处未完全胀起，中间打孔处有长条形凹陷，压痕不能消除，此处面凹陷影响搭接，产品不达标，如图11所示。

图11 端头凹陷

原因分析： 1) 预成型时在端头位置管件内部处于自由状态，别处成型时材料流动必然牵动端头，而端头处于自由状态，不受控制，因此变形严重；2) 预成型时凹陷区形状急剧变化，并形成应力集中点，液压成型终成型时材料流动困难，无法胀起，从而造成凹陷。

整改方案： 两侧增加侧推机构、将上模端部型面由平面打凹，如图12所示。经现场调试，零件凹陷消除，如图13所示。

(a)下模 (b)上模

图13 整改后凹陷消除

3.2 弯管的开裂和起皱问题

问题描述： 某项目副车架管梁，经理论分析，弯管没有问题，而在实际调试过程中，管件不是开裂就是起皱，如图14和图15所示。

图14 弯管开裂

图15 弯管起皱

原因分析： 1)弯管速度过快易使管开裂，过慢易起皱；2)芯棒位置不合适，有时过于超前或过后。

整改方案： 1) 调整弯管速度，一般将导管的弯管速度确定为机械最大弯管速度的20%～40%；

2) 调整芯棒位置： 芯棒在弯曲过程中主要起着支撑导管弯曲处内壁，防止变形的作用，形式有柱式、定向、多球头等。理论上它的切线应与弯管模的切线平齐，经试验验证，芯棒前端面提前弯管开始面提前1～2 mm成型效果较好，如图16所示，但需注意提前量太大会造成弯曲部分外壁出现所谓鹅头现象。

1-转弯模具；2-夹持模具；3-导向模具；4-芯棒模具；5-回转模具

3.3 定位面贴模不良问题

问题描述： 某项目扭力梁纵臂调试过程中，发现纵臂定位孔所在基准面过小，总成件定位时不稳定，如图17所示。

图17 基准面过小

原因分析： 由于R角过小且尺寸过窄，现有液压压强无法保证局部贴模率，平整区域宽度L小于10 mm，不满足装配要求，如图18所示。

图18 断面贴模率分析

整改方案： 1)产品特征过于细小，面小、R角小造成成型困难，此件R角不能小于R8 mm，同时特征变化急剧，特别是过渡段，材料流动困难，通过增加空腔空间可增加贴模率；2)放大R角及此处内腔空间，重新分析模拟，预计零件平整区域L达12.0～13.5 mm，整改后管件满足总成装配要求，如图19和图20所示。

图19 R角放大

图20 整改后管件基准面

4 结论

本文介绍了弯管工艺设计、预成型和终成型设计技术的要点和调试方案，列举了管式液压技术在汽车产品制造中的应用，包括典型零件应用、零件质量等指标对比、工艺设计及调试过程等，成功开发了后扭力梁和前副车架零部件，质量减少约31个百分点。最后分享了管式液压关键技术经验，包括端头凹陷问题整改、对弯管的开裂和起皱问题，及定位面贴模不良问题的攻关，为后期项目开发提供参考。