1、汽车轻量化技术管件内高压成形技术 目录p内高压成形技术的介绍p内高压成形技术的发展和趋势p内高压成形技术的应用开发p准备开展的工作2022-4-162内高压成形技术的研发背景p随着对环境保护和能源利用的认识不断深化，要求汽车向低能耗高动力的方向发展，节能减排成为汽车制造者追求的目标，并且推动汽车技术向轻量化技术前进。2022-4-163p汽车轻量化技术p轿车减重10%，油耗降低8%-10%p16-20吨卡车减重1吨，油耗降低6%-7%2022-4-164内高压成形技术的研发背景p汽车轻量化的途径p汽车轻量化是当今世界汽车创新工程的技术发展方向2022-4-165汽车轻量化技术材料轻量化结构设计
2、轻量化制造工艺轻量化内高压成形技术的研发背景p液压成形技术是制造工艺轻量化重要的手段之一。2022-4-166实心零件空心零件等厚度零件变厚度零件封闭结构零件焊接封闭的半壳件等截面零件变截面零件制造工艺轻量化液压成形技术热成形技术激光拼焊技术内高压成形技术的研发背景p液压成形种类2022-4-167液压成形管材液压成形板材液压成形壳体液压成形内高压成形技术Internal High Pressure Forming，IHF内高压成形技术的种类和特点p内高压成形的定义根据VDI 3146的定义*1：以金属管材为毛坯，借助专用设备向密封的管腔内注入液体介质，使其产生高压，在压力的作用下，管坯材料发
3、生塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合，得到与模具型腔形状相同的零件。*1.Source: VDI Richtlinie 3146, Blatt 12022-4-168内高压成形技术的种类和特点p内高压成形工艺过程2022-4-169内高压成形技术工艺参数2022-4-1610起皱弯曲破裂内高压成形技术的种类和特点p内高压成形技术的特点整体成形轴线是二维或者三维曲线的异形截面空心零件，从管材的初始圆截面可以成形为矩形、梯形、椭圆形或者其他异型的封闭截面。2022-4-1611内高压成形技术的种类和特点p内高压成形技术的优点减轻质量，节约材料2022-4-1612p内高压成形技术的优点减少零件数量
4、，保证高精度，降低生产成本2022-4-1613常规装配体8个半壳体8条焊缝内高压成形技术1个内高压成形件1个冲压片体2条焊缝内高压成形技术的种类和特点p内高压成形技术的优点提高强度与刚度，尤其是疲劳强度2022-4-1614内高压成形技术的种类和特点p内高压成形技术的优点材料利用率高，内高压技术最高达到95%-98%2022-4-1615去除材料非常少，材料率用率高内高压成形技术的种类和特点2022-4-1616内高压成形技术应用的范围p内高压成形技术在汽车上主要应用：底盘系统车身结构系统传动轴排气系统座椅内饰系统2022-4-1617内高压成形技术应用的范围pVW 4轮驱动 后桥总成202
5、2-4-16183个内高压零件代替7个冲压零件强度提高60%焊缝减少80%内高压成形技术应用的范围p美国 Vari-Form 公司2022-4-1619北美典型车型将有50%的冲压焊接零件由内高压成形零件代替内高压成形技术应用的范围pVolvo 铝合金底盘车架2022-4-1620内高压成形技术应用的范围pPorche Boxter 座椅支架2022-4-1621内高压成形技术应用的范围pBMW 3系列敞篷车 A柱2022-4-1622内高压成形技术应用的范围p排气管2022-4-1623奥氏体不锈钢铁素体耐热不锈钢一次成形所有支管相互连通内高压成形技术应用的范围p传动轴内高压胀接2022-4
6、-1624内高压成形材料2022-4-1625材料种类低碳钢低合金高强钢不锈钢铝合金钛合金抗拉强度：300-450MPa600-1000MPa奥氏体不锈钢3041Cr18Ni9Ti铁素体不锈钢429309汽车产品6000系铝合金航空航天产品5000系铝合金纯TiTC4780MPa级别低合金高强钢管控制臂内高压成形材料2022-4-1626内高压成形技术应用的现状p 在国外对内高压成形技术开展研究和应用的国家主要是德国、美国和日本。p 在德国，对内高压成形技术开展研究和应用的高校主要有帕德博恩大学和斯图加特大学。p 开展设备和零件研制的公司有SCHLUER公司、SPS公司和AP&T公司。p 全球
7、应用内高压成形技术大批量制造零件的企业有：ThyssenKrupp公司、Benteler公司、Vari-Form公司。2022-4-1627内高压成形技术应用的现状p国外内高压成形装备情况最高压力：400MPa轿车零件：5000-6000吨卡车零件：12000吨，台面6m*2.5m数控系统：32轴的伺服闭环控制效率：最快26S/件，按每天8小时，年产副车架25万件2022-4-1628内高压成形技术应用的现状2022-4-1629内高压成形技术应用的现状p内高压成形技术应用的市场目前全球共有237条生产线，其中欧洲有115条，大部分安装在德国。从行业上看，汽车行业占有其中的161条。2022-
8、4-1630内高压成形技术应用的现状p内高压成形汽车零件需求北美各类内高压汽车结构件年需求量100万吨以上，2004年已经达到107.8万吨，产值20亿美元/年欧洲各类内高压汽车结构件年需求量在85万吨左右。2022-4-163160万72万83万2000200120022003产量产值（美元）北美各类内高压汽车结构件年需求量96万110万20041，000，000800，000600，000内高压成形技术的发展趋势p内高压成形技术的发展趋势 超高压成形 国外工业生产中使用的增压器最高压力一般为400MPa，为了适应更复杂的结构形状和精度、更大壁厚和高强度材料（超高强度钢、钛合金和高温合金），
9、需要更高的压力，将高压发展到600MPa，甚至于1000MPa。2022-4-1632内高压成形技术的发展趋势p内高压成形技术的发展趋势 热态内压成形 高性能铝合金、镁合金等轻合金材料采用加热加压介质成形异型截面零件。2022-4-1633内高压成形技术的发展趋势p内高压成形技术的发展趋势 新材料新工艺的成形 超高强度钢管和不同厚度、不同材料拼焊管的内高压成形技术2022-4-1634内高压成形技术的应用开发p针对PQ46 后桥焊接总成 2个异型截面零件 进行内高压成形工艺开发2022-4-1635内高压成形技术的应用开发p开发流程2022-4-1636产品工艺性分析材料选型工艺参数设计模具设
10、计工艺CAE试制试验内高压成形技术的应用开发p产品工艺性分析确定产品的内高压成形方向，分析产品特征孔的加工方式2022-4-1637产品工艺性分析p前横梁管料规格选择2022-4-1638沿零件轴向截取截面线各截面周长变化统计D76mm、78mm、80mm管径变形变形量示意图根据上图计算，D78mm管径的材料最合适零件最小截面周长：250.111869mm 等效变形量 2.068049%零件最大截面周长：259.149953mm 等效变形量 5.756397%产品工艺性分析p如图所示，根据轴线长度确定零件管坯长度1056mm考虑到两端的补充段，总长为1255mm。零件重量：5295g坯料重量：
11、6292g材料利用率：84.1%2022-4-1639管坯轴线示意图材料性能分析p国产化材料确定2022-4-1640 5N0 505 539 B前横梁- 牌号：E355+N E320+CR2- 标准：DIN 10305-3- 外径：D78mm- 壁厚：2.7mm- 机械性能： Rp0.2340N/mm2, Rm420N/mm2 5N0 505 381A/382A悬架臂- 牌号：S340 NC E320+CR2- 标准：DIN 10305-3- 外径：D78mm- 壁厚：2.7mm- 机械性能： Rp0.2340N/mm2, Rm420N/mm2材料性能分析p选择QSTE340TM Q/BQB
12、 310为国产化材料2022-4-1641QSTE340TM 材料成分性能对比表材料性能分析p材料性能检测2022-4-1642QSTE340TM实测数据QSTE340TM 材料模型制管过程2022-4-1643纵剪开卷热处理高频焊管弯曲校直成品性能检测-拉伸实验p目的：检测焊接后管材的机械性能及成形性能 2022-4-1644纵向试样环向试样焊缝区域母材区域性能检测-压扁实验p目的：检测试样被压扁至钢管初始外径的2/3时，管壁及焊缝是否有裂缝和缺陷。 2022-4-1645焊缝处于变形最大位置实验过程压扁到2t压扁到2D/3焊缝内表面焊缝外表面性能检测-成形实验p目的：检测焊接后管材整体塑性
13、加工性能2022-4-1646实验结果扩口率30%扩口区域焊缝情况液压胀形实验胀形率20%内高压成形技术的应用开发p工艺CAE分析2022-4-1647弯管工艺分析后桥成形分析悬架臂成形分析内高压成形技术的应用开发p前横梁弯管工艺2022-4-1648弯曲工艺轴线示意图弯管工艺CAE分析弯管工艺厚度分布弯曲工艺材料厚度变化：最小壁厚：2.357514mm减薄率： 12.68%最大壁厚：2.975639mm增厚率： 10.21%内高压成形技术的应用开发p前横梁液压成形工艺2022-4-1649模具示意图液压成形工艺CAE分析液压成形工艺厚度分布液压成形工艺材料厚度变化：最小壁厚：2.205463
14、mm减薄率： 18.32%最大壁厚：2.966095mm增厚率： 9.86%内高压成形技术的应用开发p初始屈服压力:p成形压力：p由于考虑到摩擦和材料性能的影响，通过CAE分析验证，成形压力160MPa2022-4-1650min224.38sstPMPadtmin64cstPMPar0MPa80MPa160MPa工艺开发160cPMPa2022-4-1651p 零件投影面积：p 成形压力：p 合模力：p 考虑到设备载荷裕度，合模力20000KNp 水平端面面积：p 成形压力：p 水平缸轴向力：p 水平缸压力1200KN293100pAmm160cPMPa14896cpcFAPKN224139
15、.654iidAmm662343.24picFA PN液体反力 196035.38cFdl PN材料摩擦力 min112475.32tsFtdN塑性变形抗力 3aptF =F +FF10970.85KN（）合模力CAE分析内高压成形技术的应用开发p前横梁工艺方案：2022-4-1652管坯下料预弯成形充液成形孔及端头加工管材切割设备弯管机弯曲模具大吨位液压机模具、模架超高压系统激光切割机夹具检测清洗防锈处理内高压成形技术的应用开发p模具设计2022-4-1653内高压成形技术的应用开发p管坯切割及预弯成形：2022-4-1654弯管机DW80NCB弯曲模具弯管工艺道序件内高压成形技术的应用开发
16、p液压成形工艺及合模设备2022-4-1655YRB-10000 万吨液压机YRB-3000 液压机内高压成形技术的应用开发p超高压发生及控制系统250MPa和450MPa各1套2022-4-1656内高压成形技术的应用开发p液压成形模具及模架：2022-4-1657悬架臂成形模前横梁成形模内高压成形技术的应用开发p辅助工艺和设备2022-4-1658悬架臂预成形模悬架臂翻边模内高压成形技术的应用开发p激光切割2022-4-1659夹具基准孔加工其它孔加工端头加工激光切割机激光切割机内高压成形技术的应用开发p样件试制情况：2022-4-1660大管样件小管样件内高压成形技术的应用开发2022-
17、4-1661进口零件试制样件内高压成形技术的应用开发p样件试制情况：2022-4-1662大管样件内高压成形技术的应用开发2022-4-1663t=2.2-2.3mm准备开展的工作p 液压冲孔工艺的研究开发，提高成形效率，减少道序 确定液压冲孔的工艺参数、设计液压冲孔的模具结构。解决液压冲孔工艺密封性的问题。p 开展内高压成形工艺批量化生产的质量和过程控制的研究，确定控制方法和范围。p 开展内高压成形技术液压系统的选型研究，确定选型的参数评审依据。2022-4-1664准备开展的工作p原理2022-4-1665被动式：主动式：p优点成型极限高成型零件精度高，壁厚分布均匀节省模具费用，适用于多品
18、种少批量产品2022-4-1666铝合金，拉深比3.112022-4-1667Q & A内高压成形材料2022-4-1668无缝冷拔管、焊接冷拔管热处理标记焊接精扎管热处理标记现行标准：EN 10305-1/2国内对应标准：GB/T 3639现行标准：EN 10305-3产品工艺性分析p悬架臂管料规格选择2022-4-1669D56mm、58mm、60mm管径变形变形量示意图根据上图计算，D58mm管径的材料最合适零件最小截面周长：186.202mm 等效变形量 2.19%零件最大截面周长：193.682mm 等效变形量 6.29%各截面周长变化统计产品工艺性分析p 如图所示，采用一模两件的形
19、式，根据轴线总长度确定零件管坯长度964mmp 考虑到两端的补充段，总长为1100mm。p 零件重量：1651+1648=3299gp 坯料重量：3764gp 材料利用率：87.65%2022-4-1670管坯轴线示意图内高压成形技术的应用开发p悬架臂弯管工艺2022-4-1671弯曲工艺轴线示意图弯管工艺厚度分布内高压成形技术的应用开发p悬架臂液压成形工艺2022-4-1672预成形模拟终成形模拟内高压成形技术的应用开发p悬架臂翻边工艺2022-4-1673翻边模拟内高压成形技术的应用开发p初始屈服压力:p成形压力：p由于考虑到摩擦和材料性能的影响，通过CAE分析验证，成形压力170MPa2
20、022-4-1674min233.08sstPMPadtmin158cstPMPar内高压成形技术的应用开发170cPMPa2022-4-1675p 零件投影面积：p 成形压力：p 合模力：p 考虑到设备载荷裕度，合模力17000KNp 水平端面面积：p 成形压力：p 水平缸轴向力：p 水平缸压力800KN268025pAmm170cPMPa11564.25cpcFAPKN222205.074iidAmm374861.9picFA PN液体反力 154802cFdl PN材料摩擦力 min774012tsFtdN塑性变形抗力 3aptF =F +FF10607.06KN（）内高压成形技术的应用开发p悬架臂工艺方案：2022-4-1676管坯下料预弯成形充液成形切断及端头加工管材切割设备弯管机弯曲模具大吨位液压机模具、模架超高压系统激光切割机夹具检测清洗防锈处理整体预压扁成形液压机压扁模切断机翻边孔及端面加工翻边模200吨液压机
