管件内高压成形及其在汽车工业中的应用现状

管件内高压成形及其在汽车工业中的应用现状

郎利辉1　苑世剑2　王仲仁2　王小松2JoachimDanckert1　KarlBrianNielsen1

1.AalborgUniversity,Aalborg

2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨,150001

　　　　摘要:利用管件内高压成形技术成形的工件具有质量轻、刚度好、装配零

件少、后续装配工序少等诸多优点,在国外该项技术已被广泛地运用到汽车、宇航领域中。介绍并探讨了管件内高压成形技术的原理、优点、实用性及其

在国内外汽车领域的应用现状。

关键词:液力成形;内高压成形;轻体件;应用中图分类号:TG394　　　文章编号:1004-132Ⅹ(2004)03-0268-05

郎利辉　博士

PresentSituationofTubeHydroformingandItsApplicationsintheAutomobileIndustryLangLihui1　YuanShijian2　WangZhongren2　WangXiaosong2JoachimDanckert1　KarlBrianNielsen11.AalborgUniversity,Fibigerstraede16,DK-9220,Denmark

2.HarbinInstituteofTechnology,Harbin,150001

Abstract:Thispaperpresentstheprinciplesoftubehydroforming,manyadvantagesoverconventionalstampingprocessessuchaslightmass,highregidity,savingofjoining,reductionofsecondaryoperationsetc.,thecurrentstateofindustrialapplicationsandresearchesathomeandabroadespeciallyinthefieldofautomobile.

Keywords:hydroforming;internalhighpressureforming;lightweightcomponent;application

　　进入20世纪90年代,由于燃料和原材料成本的原因及环保法规对废气排放的严格限制,使汽车结构的轻量化显得日益重要。除了采用轻体材料外,减轻重量的另一个重要途径就是在结构上采用以空代实和变截面等强构件,即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件,采用空心结构既可以减轻重量、节约材料,又可以充分利用材料的强度和刚度。管件的内高压成形正是在这样的背景下开发出来的一种制造空心轻体构件的先进制造技术。此项技术在德国、美国等发达国家已得到广泛的研究和应用,尤其是在汽车领域的应用,主要用来生产排气系统零件、底盘、框架结构和凸轮轴等,其成形内压力一般为200～400MPa,对于较特殊的零件,其成形内压力可达到1000MPa[1],这根据所加工材料的屈服强度、塑性、管厚和要求的胀形量以及零件的最终形状要求而定。本文就此项技术的原理及在汽车领域的应用展开论述。

补料把管坯压入到模具型腔使其成形(见图1)[2]。其基本工艺过程如下:首先将管坯1放在下模2内,然后闭合上模3,将管的两端用水平冲头4和5密封,并使管坯内充满液体,在加压胀形的过程中,两端的冲头同时向内推进补料,这样在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成形为所需的工件。

图1　有轴向进给的管件内高压成形

1　成形原理及其分类

内高压成形原理是通过内部加压和轴向加力

收稿日期:2002—05—14

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975021)

在汽车零件的加工中,根据有无轴向进给,可

以把管件内高压成形分为两类:一类为有轴向进给(见图1),主要用来成形壁厚均匀或较大成形量的零件;另一类为无轴向进给,主要用于零件的整形和多个零件的胀接(如中空凸轮轴的生产)

・268・

管件内高压成形及其在汽车工业中的应用现状———郎利辉　苑世剑　王仲仁等

等。对于轴线为曲线的零件,还需要预弯管坯以接近零件形状,然后加压成形。(DAIMLERBENZ)于1993年建立其内高压成形车间,宝马公司(BMW)已在其几个车型上应用了

2　管件内高压成形的优点及应用范围

用内高压成形可以一次成形出沿着构件的轴线截面不同的复杂零件,这是其主要优点。另外,与传统的冲压焊接工艺相比,管件内高压成形有以下优点[3～5]。

(1)减轻重量,节约材料　图2所示的空心轴类内高压成形件与机加工件相比可以减轻重量40%～50%,节约材料可达75%。汽车上部分采

内高压成形的零件[6,7]。

3　用于生产汽车排气系统的零件

　　管件内高压成形技术过去主要用来生产一些简单的零件如直壁枝杈管等,距今已有30年的历史。与过去生产的直壁枝杈管有所不同,现在生产的一些枝杈管其形状和成形工艺要更为复杂一些[8～10]。图3为典型的排气系统三通管。在内高压成形过程中可以较精确地控制零件的尺寸精度,故可以很方便地在后续工序中与其它零件进行装配。如图3　用于汽车排气今,这些工件已在奔驰公司　

系统的Y形

批量生产,用来取代传统的

三通管件

铸造生产或用两个半壳焊

在一起的生产方式。与传统的生产工艺相比,利用内高压液力成形的方式生产该零件,可节约70%的生产时间,与铸造生产方式相比,大约可减轻40%的重量。

图4是汽车上用的一种接触反应转换器,由一对圆锥体形成。利用内高压技术成形后,再从中间剖开,从而形成两个零件。利用内高压液力成形技术可以获得100%的膨胀量。

用冲压工艺与内高压成形的产品结构重量对比见表1。

(a)机加工　　　　(b)内高压成形图2　阶梯轴表1　汽车上部分冲压件与内高压成形件的重量对比名称散热器支架

副车架仪表盘支梁

冲压件(kg)

16.5122.72

内高压成形件(kg)

11.57.91.36

减重百分比(%)243450

　　(2)减少零件和模具数量,降低模具费用　内高压成形件通常仅需要一套模具,而冲压件大多需要多套模具。采用内高压成形,可减少零件,如副车架的组成零件由6个减少到1个;散热器支架的组成零件由17个减少到10个。

(3)可减少后续机械加工和组装焊接量　以散热器支架为例,散热面积增加43%,焊点由174个减少到20个,装备工序由13道减少到6道,生产率提高66%。

(4)提高强度与刚度,尤其疲劳强度　仍以散热器支架为例,垂直方向提高39%;水平方向提高50%。

(5)降低生产成本　根据德国某公司对已应用零件统计分析,内高压成形件比冲压件平均降低成本15%～20%,模具费用降低20%～30%。

(6)成形零件的精度提高　成形零件的尺寸精度从原来的IT14提高到IT10。

管件内高压成形适用于制造航空、航天和汽车领域的各种异形的空心构件。德国于20世纪70年代末开始高内压液力成形的基础研究,并于90年代初率先开始在工业生产中采用高内压成形技术制造汽车轻体构件。德国奔驰汽车公司

图4　一次成形的双锥体零件

在汽车排气系统中,还有一类零件,就是符合

气体动力学原理和具有消音功能的复杂的空间构件。传统的生产工艺一般是先冲压后焊接在一起,这会影响零件的总体装配精度和零件的功能。而利用内高压液力成形就消除了这种缺陷的产生,一次生产出合格的零件,图5为内高压液力成形生产的一种典型零件。

4　用于生产汽车底盘零件

　　用内高压成形技术来生产汽车底盘部件有很多优点,如安装空间的充分利用、零件可具有复杂

・269・

中国机械工程第15卷第3期2004年2月上半月

专用液力成形机上制造的。该件的原始管坯外径为152.4mm,壁厚为2.0mm,长

图5　具有复杂空间尺寸的汽车排气管件

的空间结构、底盘零件的高强度等。利用内高压成形技术可以获得刚度很高的轿车结构和高刚性的底盘,这使得操纵汽车变得更安静、更灵活[11,12]。生产此类零件,一般有以下几个工艺步骤:管坯的制造、管坯的预弯,以及通过液力成形得到零件的最终形状,在必要的情况下,还需进行激光切割或端部加工等工序。图6为利用内高压成形的各种汽车底盘零件的集成。

度为4876.8mm,

图8　内高压成形的汽车纵梁

而过去采用的方法是采用14个冲

压件焊接或铆接在一起而成的。现采用液力成形件降低了造价,减轻了重量,并且空间结构尺寸愈加紧凑。

5　用于生产汽车车身框架　　在汽车工业中,结构零件占车身总重的很大一部分,减轻车身重量有两种途径:一种是采用新型的轻质材料,另一种就是就是减少零件的重量。而利用内高压成形技术成形结构零件开拓了一个减重的新领域———结构零件的生产。

与传统的结构部件生产工艺相比,内高压成形具有以下优点:高度整体化(即零件数量的减少),复杂空间结构,零件刚度好,空间利用

率高,尺寸精度

　图9　内高压成形的

高[14,15]。图9为

汽车车身框架

汽车车身框架的集

成图,其中主要有车顶纵梁,其原始管坯为低碳钢,管坯的外径为69.9mm,厚度为2.0mm,全部工艺过程包括弯曲、液力成形、冲裁和切边等,并且为了提高生产率,左右零件同时用液力成形的方法生产,然后在下道工序中切开。

图6　汽车底盘零件集成

一般来说,在底盘零件上采用的管坯尺寸为

直径75～85mm,壁厚为2～3mm,最终成形零件的长度为1200～1400mm,截面的最大膨胀程度为25%～35%。生产此类零件时,要优化所用管坯的原始参数,如外径、壁厚和材料及其性能参数等,还要确定合适的工艺参数,如果在内高压成形时管端部需要较大

的膨胀量,则还需要考虑管端部的进给[13]。图7所

图7　汽车副车架示为管端部需要

较大膨胀量的汽车底盘零件———副车架,此件所采用管坯外径为69.9mm,壁厚为2.5mm,传统冲压焊接工艺成形

6　凸轮轴

利用液力成形胀接工艺可以用来实现零件之

间的联接,利用此工艺可生产汽车发动机的凸轮轴。首先利用粉末冶金的方法生产出单个的凸轮,然后把多个这样的凸轮预安装在一根管坯上,在管坯内部通以一定的高压液体,管坯局部经过了塑性变形,在凸轮的两侧超出了凸轮的宽度,约束了凸轮的轴向位移,并且,由于管坯内压的作用,凸轮也产生了一定的弹性变形,当内压撤消后,凸轮回弹,会在凸轮与管坯之间产生一种紧密的结合力,这种结合力防止了凸轮相对于管坯的转动。与传统凸轮轴生产工艺相比,由于此种工

需6个零件,而内高压成形仅需要一个零件,重量节省了34%。

图8是目前汽车行业中应用的最大液压成形件———汽车纵梁,此件是在通用汽车公司开发的・270・

管件内高压成形及其在汽车工业中的应用现状———郎利辉　苑世剑　王仲仁等

艺的凸轮与心轴为胀接,因而可以采用不同的材料,在相同扭距的情况下,零件总体重量也降低,特别是对于一些中心需要钻孔的零件更有优势。

美生产的典型车型中将有50%零件采用内高压成形技术制造。

参考文献:

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[2]　苑世剑,郎利辉,王仲仁.内高压成形技术研究与应

7　国内汽车领域的研究和应用情况

国内用类似内高压成形的方法加工三通管、

波纹管等管件和自行车零件,但成形压力较低,工艺参数之间的优化控制也不严格,用内高压技术成形汽车领域的零件还是空白。哈尔滨工业大学在早期开展内高压成形的基础上[16,17],利用国家的资助,开始内高压理论、工艺和装备关键技术方面的研究[18,19],并研制出国内首台内高压成形机,见图10。该装备由多个单元组成,可以实现各种控制参数的优化匹配和严格控制,其主要参数有:①内压100MPa,最高可达150MPa;②侧推力最大1500kN;③可加工零件最大直径100mm,最大长度1000mm。

用进展.哈尔滨工业大学学报,2000,32(5):60～63

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图10　自行研制的内高压成形机

8　结论及应用研究展望

减轻结构重量以节约材料和运行中的能量是现代先进制造技术发展的趋势之一。内高压成形是适应这种趋势提出来的一种制造空心轻体件的新工艺。内高压成形件具有诸多的优点,因此可以减少模具,降低生产成本,缩短加工周期。可以用于制造汽车、航空、航天等行业中使用的各类轻体构件。

根据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果,在北美制造的典型轿车中,空心轻体件在轿车总重量中的比例已从15年前的10%上升到16%,而在中型面包车、大吉普和皮卡车的比例还

要高

[9]

。因此美国有关大学、研究机构和公司十

分重视高内压液力成形技术,已于几年前开始着手研究开发,近年更加大研究开发的力度[11]。如美国三大汽车公司和十大钢铁公司成立了“汽车

与钢铁液力成形工业资源组织(Auto/SteelPart2nership

Hydroforming

Industry

Resource

[19]

Group)”。据一项调查表明,估计到2004年北

・271・

中国机械工程第15卷第3期2004年2月上半月

油液分析现状与发展方向研究

黎琼炜　毛美娟　陈　勇

航空仪器设备计量总站,北京,100070

　　　　摘要:从技术和管理两个层面详细介绍了发达国家油液分析的现状和发

展趋势;在深入研究的基础上,明确了我国在该领域存在的主要问题,结合我国国情,针对这些问题提出了相应的对策。

关键词:油液分析;状态监控;诊断;机械设备中图分类号:TH117.1　　文章编号:1004-132Ⅹ(2004)03-0272-04

黎琼炜　博士

ResearchonState2of2the2ArtandTrendsofOilAnalysisforEquipmentLiQiongwei　MaoMeijuan　ChenYong

Aero-instrumentTestandCalibrationCenter,Beijing,100070Abstract:Thispaperpresentsthestate2of2the2artandtrendsofoilanalysisinviewofmanagementandtechnologyinthedevelopedcountriesindetail,basedonathoroughresearches,mainproblemsinChinainthefieldarefound,andsomecorrespondingcountermeasuresareputforwardaccordingtotheconditionsofChina.TheresearchishelpfultoimprovethelevelofapplicationsandresearchesinChina.

Keywords:oilanalysis;conditionmonitoring;diagnosis;mechanicalequipment

0　引言

油液分析是对润滑油和其它润滑或操纵机械设备的液体进行分析,对油液或所润滑的设备状况进行评估,并提出维修建议的过程。进行油液

收稿日期:2003—05—15

分析,无需对系统分解和拆卸,就可获知油品本身

的性能和机械设备工况,并对机械设备进行故障检测、定位和预报,可减少维修时间和人力、物力,提高设备的完好率。本文在研究国内外油液分析现状和发展趋势的基础上,针对我国存在的问题,基于国情,提出了相应的对策。

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ExaminationofTubularHydroformingLimits,SAETechnicalPaper,No980449,1998

(编辑　卢湘帆)

作者简介:郎利辉,男,1970年生。Aalborg大学生产系助理教授、博士。主要研究方向为内高压成形和先进成形技术。获中国专利1项,发表论文30篇。苑世剑,男,1963年生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料工程系教授、博士研究生导师。王仲仁,男,1934年生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料工程系教授、博士研究生导师。王小松,男,1976年生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料工程系博士研究生。Joachim

Danckert,男,1948年生。Aalborg大学生产系教授。KarlBrianNielsen,男,1962年生。Aalborg大学生产系教授。

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