保定長城汽車橋業(yè)有限公司底盤技術(shù)中心 （河北 071000） 喬君輝 王雪峰

近十年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，但隨之而來的資源緊缺、成本壓力問題也日漸突出?，F(xiàn)在環(huán)境對(duì)汽車的發(fā)展提出了更高的要求，在保證產(chǎn)品性能不降低的前提下盡可能地降低產(chǎn)品重量，從而降低制造成本和顧客的使用成本，內(nèi)高壓成形技術(shù)可以有效地解決上述問題。本文通過某公司一款SUV的內(nèi)高壓成形控制臂體實(shí)例，介紹了應(yīng)用內(nèi)高壓成形的控制臂體，不僅節(jié)省制造成本提高產(chǎn)品強(qiáng)度，而且與傳統(tǒng)工藝相比，同一產(chǎn)品可減重20%～30%，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

下面我們以內(nèi)高壓成形產(chǎn)品開發(fā)為基礎(chǔ)到工藝實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行介紹。最終以內(nèi)高壓成形產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用案例，證明了其優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性。

一、內(nèi)高壓成形控制臂體的設(shè)計(jì)

內(nèi)高壓成形控制臂體的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定其強(qiáng)度能否滿足整車需求及成形率，所以本文通過對(duì)該臂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精度設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行說明。

1.控制臂體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制臂體常見的種類有一字形、Y字形、L字形、Z字形，其主要作用是保證汽車行駛穩(wěn)定。比如一字形控制臂體主要受拉力，它通過在自身安裝的橡膠軸套柔性地聯(lián)接副車架與轉(zhuǎn)向臂，從而提高行車舒適度。內(nèi)高壓成形的控制臂體也要遵循這一基本原則，所以本控制臂體根據(jù)底盤總布置設(shè)計(jì)為空間Z字形結(jié)構(gòu)（見圖1）。后端通過焊接一個(gè)彈性板與后副車架柔性固定在一起，加上側(cè)面的兩個(gè)支架與轉(zhuǎn)向節(jié)總成上的軸套柔性固定在一起，行車過程中隨著車輪上下跳而上下擺動(dòng)，以滿足整車使用要求。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接決定產(chǎn)品的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，本控制臂體主要通過類比法、計(jì)算法和試驗(yàn)法來確定結(jié)構(gòu)?？刂票垠w設(shè)計(jì)過程中主要輸入是通過計(jì)算法校核，校核方法主要有以下幾種。

圖1 后懸架局部視圖

（1）強(qiáng)度校核 通過CATIA構(gòu)建控制臂總成數(shù)字模型（見圖2）。該模型為包括控制臂體4（內(nèi)高壓成形）等六部分，重點(diǎn)是內(nèi)高壓成形的控制臂體的設(shè)計(jì)，在滿足底盤總布置的同時(shí)也要滿足強(qiáng)度要求和特殊的工藝成形要求。

建模完成后各零件通過螺栓與副車架及其車身聯(lián)接來實(shí)現(xiàn)其功能。

圖2 控制臂總成

然后利用ANSA工具建立整車分析模型，將該臂體裝配到整車姿態(tài)，在滿載情況下設(shè)定轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速三個(gè)典型工況進(jìn)行分析，校核控制臂體滿足整車使用要求（控制臂體所選材料厚度t=3.5mm，屈服強(qiáng)度σs≥420MPa），結(jié)果如圖3、表1所示。

圖3 整體分析結(jié)果

表1 控制臂強(qiáng)度分析結(jié)果 （單位：MPa）

（2）空間校核 將控制臂體裝配到整車模型狀態(tài)下，利用ADAMS建立運(yùn)動(dòng)模型，通過車輪上跳/下跳極限時(shí)和車輪左/右轉(zhuǎn)極限時(shí)四種工況進(jìn)行分析，檢測控制臂與周邊零部件的距離，理論要求距離≥5mm。

（3）尺寸計(jì)算 在滿足整車強(qiáng)度和空間需求的前提下同時(shí)也應(yīng)滿足內(nèi)高壓成形工藝要求，如最小彎曲半徑、圓角半徑（R弧）、最大減薄率等。

用于內(nèi)高壓成形的彎曲工藝主要有模具/工裝壓彎、CNC彎管，有時(shí)也會(huì)用滾彎。對(duì)于彎曲半徑大、形狀簡單的二維曲線零件，需要大批生產(chǎn)，為了提高生產(chǎn)效率，通常采用模具壓彎。對(duì)于軸線形狀復(fù)雜的三維軸線，一般采用CNC彎管。

最小彎曲半徑：影響內(nèi)高壓成形用管材的彎曲半徑主要有相對(duì)彎曲半徑rz/D和相對(duì)厚度t/D，如圖5所示。

圖5中，rz為中心軸彎曲半徑，D為管材外徑，T為板厚。

圖4 上跳極限示意圖

圖5

rz/D值越小表示彎曲半徑越小，即A側(cè)越薄，B側(cè)越厚，t/D值越小，相對(duì)厚度越薄，管材A、B側(cè)變化同上。

為了保證管材的彎曲質(zhì)量，必須使彎曲半徑規(guī)定在一定范圍之內(nèi)（見表2）。

表2 管材最小彎曲半徑 （單位：mm）

本控制臂最小彎曲半徑為rz=130mm，小于此值時(shí)，成形率低于50%。

圓角半徑：內(nèi)高壓成形產(chǎn)品典型截面有四邊形、多邊形和不規(guī)則截面，由于本控制臂主要由矩形和橢圓形兩種截面過渡連接而成，故以矩形說明。

其實(shí)圓角半徑不僅和材料的性能有關(guān)，還與成形過程中的軸向補(bǔ)料、模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)有關(guān)。理論狀態(tài)下，R取1.5t～3t。本控制臂經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，選取圓角半徑為R20mm。

最大減薄率：滿足內(nèi)高壓成形產(chǎn)品要求的另一個(gè)主要因素是控制管材成形時(shí)的壁厚減薄率，一般低碳鋼的最大減薄率≤20%。

減薄率與相對(duì)彎曲半徑、材料性能和彎曲工藝有關(guān)，本控制臂采用CNC彎曲，精度±0.5°，其最大減薄率為20%，用下列公式估算

式中，f為最大減薄率；D為管材外徑。經(jīng)計(jì)算，滿足產(chǎn)品使用和工藝成形性要求。

3.精度設(shè)計(jì)

雖然內(nèi)高壓成形產(chǎn)品本身的制造精度較傳統(tǒng)沖壓工藝高出很多，但是為了保證控制臂體加工與其配合的件更順利裝配焊接，對(duì)精度提出了一定的要求。

本控制臂體要求，空間角度公差為±2°，貼模率在95%以上，允許小圓角不貼模，但是公差應(yīng)控制在±0.5mm之內(nèi)，另外產(chǎn)品表面無褶皺、裂紋、飛邊等。本控制臂體原來設(shè)計(jì)圓角半徑為R12mm，后期成形分析時(shí)出現(xiàn)不貼?，F(xiàn)象，在不影響整車強(qiáng)度的前提下將圓角調(diào)整到R20mm。

通過上述所示進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如果某個(gè)環(huán)節(jié)檢測出了問題，必須按上述步驟重新設(shè)計(jì)分析，直到校核滿足整車需要為止。

二、內(nèi)高壓成形過程

1.工藝排布

內(nèi)高壓成形基本排布如圖6所示。

圖6 內(nèi)高壓成形基本排布

2.成形分析

內(nèi)高壓成形序是整個(gè)工藝過程的技術(shù)瓶頸工序，所需設(shè)備除常見的彎管機(jī)、合模壓力機(jī)外，其他設(shè)備為專用設(shè)備（含模具）。

（1）工作原理 設(shè)備如圖7所示。

圖7 設(shè)備簡圖

模具：在外力作用下使零件成形的工具，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 模具結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，外部最大的區(qū)別在于下模座（或液壓機(jī)工作臺(tái)）兩端通過支架固定水平缸與沖頭，這種結(jié)構(gòu)模具是內(nèi)高壓成形與傳統(tǒng)沖壓成形最大的區(qū)別之一。

沖頭：與管材端面緊密配合并向管材內(nèi)部快速填充液體。

水平缸：一般采用活塞缸構(gòu)成，用來推動(dòng)沖頭，實(shí)現(xiàn)成形過程中管材沿著軸向方向進(jìn)料，即軸向補(bǔ)料。

——A case study of Shuangshinanli slope in Xiamen City WU Shao-yuan(77)

合模壓力機(jī)：內(nèi)高壓成形中首先需要將模具閉合嚴(yán)密，并保證整個(gè)成形過程中模具不會(huì)發(fā)生分縫，造成零件出現(xiàn)飛邊等失效，因此采用合模壓力機(jī)為模具施加合模力。

高壓源：內(nèi)高壓成形所需壓力往往高達(dá)300～400MPa或更高，而常規(guī)液壓泵站只能提供31.5 MPa的壓力，無法滿足管材變形，因此一般采用增壓器來作為高壓源，為管材變形提供高壓傳力介質(zhì)，本高壓源的設(shè)計(jì)也是內(nèi)高壓成形技術(shù)的核心。

液壓泵站：為水平缸和增壓器提供動(dòng)力。

水壓泵站：為內(nèi)高壓成形機(jī)進(jìn)行乳化液的快速填充、回收和過濾處理的循環(huán)系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)： 通過伺服系統(tǒng)結(jié)合模具、合模壓力機(jī)、水平缸、液壓泵站、水壓泵站實(shí)現(xiàn)零件成形。

簡言之，將管坯放到模具上，閉合壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)鎖模，通過伺服控制將水平缸與管坯對(duì)接，向管坯內(nèi)快速填充液體，然后對(duì)管內(nèi)的液壓介質(zhì)施加壓力，同時(shí)軸向移動(dòng)水平缸進(jìn)行補(bǔ)料，最終使管坯貼靠到模具上，成形為所需的零件。

（2）材料選擇 內(nèi)高壓成形使用的管材不僅僅要滿足結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且還要滿足成形性（直徑和壁厚精度），目前適用于內(nèi)高壓成形的材料有低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等，其種類和規(guī)格主要有無縫管、電阻焊管（ERW）、拉拔管(DOM)、和激光焊管。被控制臂主要考慮成形性和經(jīng)濟(jì)性，所以采用鋼板去氧化皮后卷制-焊接的ERW管。該管焊接后內(nèi)外壁表面有焊縫隆起，在成形前需先將隆起部位刮除平。

由于影響ERW管成形開裂的主要因素為焊縫缺陷所致，故要對(duì)焊縫質(zhì)量提出特殊的要求，并要進(jìn)行超聲波試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)等驗(yàn)證。本控制臂焊縫抗拉強(qiáng)度≥600MPa。

（3）成形性分析 運(yùn)用Dynaform軟件對(duì)控制臂體進(jìn)行成形性分析，成形過程如圖9所示，成形性能較好，無開裂現(xiàn)象，安全裕度為12%。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到預(yù)期效果，成形效果如圖10所示。

圖9 成形過程簡圖

圖10 成形效果簡圖

三、內(nèi)高壓成形技術(shù)的優(yōu)越性

1.優(yōu)點(diǎn)

（1）減輕質(zhì)量 節(jié)約材料，如框、梁類減輕20%～40%，空心軸可以減輕40%～50%。

（2）減少零件和模具重量 降低模具費(fèi)用。

（3）提高生產(chǎn)效率 可減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接等工序。

（4）提高強(qiáng)度和剛度 尤其是疲勞強(qiáng)度。

材料利用率高：達(dá)到90%～95%。

降低生產(chǎn)成本：根據(jù)德國某公司對(duì)已應(yīng)用零件統(tǒng)計(jì)分析，內(nèi)高壓成形件比沖壓件費(fèi)用平均降低15%～20%，模具費(fèi)用降低20%～30%。

雖然內(nèi)高壓成形有上述優(yōu)點(diǎn)，但它同樣存在自身的缺點(diǎn)，就是成形壓力較大，所需的壓力機(jī)噸位較高；該技術(shù)在目前處于起步階段，研發(fā)費(fèi)用較高。相信隨著這項(xiàng)技術(shù)的日漸成熟，這些缺點(diǎn)將被逐漸攻克。

2.經(jīng)濟(jì)效益

以控?cái)[臂為例，沖壓焊接工藝與內(nèi)高壓成形工藝對(duì)比如表3所示。

表3 沖壓焊接工藝與內(nèi)高壓成形工藝對(duì)比

由上表可見：①產(chǎn)品：本產(chǎn)品材料為寶鋼的QStE420，約6 800元/t（寶鋼2012年1月含稅價(jià)格），該車型如果按1萬臺(tái)/月計(jì)算，每年節(jié)省資金約85.44萬元。②模具：一次性少投入約12套模具，約100.8萬元。按每套模具2t，4.2萬元/t估算，計(jì)算得（14－2）套×2t/套×4.2萬元/t=100.8萬元。③工序：單個(gè)產(chǎn)品可減少工序7序，節(jié)省人員約14名。④材料利用率：提升30%左右。

四、結(jié)語

（1）縮短周期 利用C AT I A、A N S A、ADAMS、Dynaform等軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以有效避免產(chǎn)品后期失效和縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，為整車上市贏得寶貴的時(shí)間。

（2）綜述 從產(chǎn)品減重、模具/工裝投入、工序數(shù)、提高材料利用率四方面進(jìn)行對(duì)比，以內(nèi)高壓成形工藝加工的零件與傳統(tǒng)沖焊工藝相比占有絕對(duì)的優(yōu)勢。雖然目前內(nèi)高壓成形技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較少，該系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)較高，但從長期發(fā)展的角度來看，隨著該技術(shù)的日漸成熟和市場的普及，該系統(tǒng)設(shè)備價(jià)位必將有所降低。即使不降低，單個(gè)車型約1.5年節(jié)省的資金便可填補(bǔ)內(nèi)高壓成形系統(tǒng)的投入。