安徽江淮汽車股份有限公司 馬國禮 夏咪咪 王平 崔禮春

充液成型與內(nèi)高壓成型復合生產(chǎn)線研究

安徽江淮汽車股份有限公司 馬國禮 夏咪咪 王平 崔禮春

充液成型主要用于鋁合金等傳統(tǒng)成型困難的輕質(zhì)材料的拉延生產(chǎn)，內(nèi)高壓成型主要用于管類件脹形及沖孔生產(chǎn)，上述兩種生產(chǎn)設備及工藝具備多個共同點，如高壓源、大噸位壓機、液體介質(zhì)等。單獨生產(chǎn)線的建設費用高，利用其共同點，經(jīng)過分析確認兩種工藝所對應的主要設備可以復合在一套設備中。該復合生產(chǎn)線能夠滿足前期小批量實驗生產(chǎn)，可以有效節(jié)約投資，提高設備利用率。

一、引言

隨著霧霾天氣增多，日益擴大的環(huán)境污染成為人們關(guān)注的焦點。汽車作為常見污染源的一種，得到人們特別的關(guān)注，尤其對汽車環(huán)保的要求日益加強。汽車企業(yè)從各方面出發(fā)，努力實現(xiàn)汽車對環(huán)境污染的降低。其中輕量化技術(shù)的普遍應用，是解決這些問題的關(guān)鍵途徑。所謂輕量化，就是通過使用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計等方法來達到減重目的一種先進制造技術(shù)。輕量化有兩個主要途徑：一是材料途徑，就是采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料等輕質(zhì)材料；二是結(jié)構(gòu)途徑，采用空心變截面、變厚度薄壁件等優(yōu)化結(jié)構(gòu)。本文分別從這兩個方面入手，分析實現(xiàn)這兩種不同成型類型產(chǎn)品的復合型生產(chǎn)工藝和設備。

二、成型原理

1．充液成型

充液成型是一種利用液體作為傳力介質(zhì)，代替剛性的凹?；蛲鼓Ｖ苯幼饔糜诎宀倪M行成型的方法。其根據(jù)加壓方式的不同分為兩種：被動式和主動式，其原理如圖1所示，被動式充液成型：流體作為輔助手段，先在凹模內(nèi)充滿液體，放上拉深坯料，施加一定的壓邊力，凸模下行進行拉深，同時啟動液壓系統(tǒng)使液體保持一定的壓力，直到拉深結(jié)束，然后抬起凸模、壓邊圈，取出成型零件；主動式充液成型：流體作為主動加壓方式，夾持裝置與板材之間一般有密封裝置，以防止液體的外泄。

對于被動式充液成型技術(shù)，即板材充液拉深成型技術(shù)，由于流體壓力介質(zhì)輔助成型，可增加變形坯料與拉深凸模之間的有益摩擦，克服拉深凸模圓角部位坯料的破裂，提高零件的成型性及成型極限，具有節(jié)省工序、簡化模具結(jié)構(gòu)、降低成本、提高尺寸精度等優(yōu)點。相比較主動式充液成型，其應用更為廣泛。

圖1 板材充液成型原理

2.內(nèi)高壓成型

內(nèi)高壓成型是一種以管材為坯料，以油液為傳壓介質(zhì)，在管材內(nèi)部施加超高壓的同時，對管坯的兩端施加軸向推力進行補料。因兩種外力的合力作用，管坯產(chǎn)生塑性變形，最終與模腔內(nèi)壁貼合，使管坯成為具有三維形狀零件的現(xiàn)代塑性加工技術(shù)。內(nèi)高壓成型工藝適用于制造沿軸線具有不同截面形狀的空心零件，截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面口。

內(nèi)高壓成型工藝過程主要分為三大階段，如圖2所示。

圖2 內(nèi)高壓成型原理及工藝過程

（1）初始充填階段(a)：將管坯放入模腔并合模，兩端的軸向沖頭水平推進，形成密封。通過在預充液體將管內(nèi)空氣排出。

（2）成型階段(b)：在管坯加壓脹形的同時，沖頭按設定的加載曲線向內(nèi)推進補料，在內(nèi)壓和軸向補料的聯(lián)合作用下使管坯基本貼靠模具。此階段除過渡R角外的大部分區(qū)域已經(jīng)成型。

（3）整形階段(c)：提高內(nèi)壓使過渡R角完全貼合模腔，工件完成成型。

從截面形狀(d)可看出，工件截面可為梯形、矩形、橢圓形或各種非規(guī)則形狀。

三、工藝流程及設備

1．充液成型

生產(chǎn)工藝流程如下：金屬材料庫(定尺板料存放)—機器人上料—涂油—液壓機充液成型—機器人下料—清洗—激光切割—沖壓件庫；

充液成型生產(chǎn)線應配置的基本設備有：涂油機、清洗機、充液成型機、外圍設備(如激光切割機等)、自動化裝置等。其中，最主要的設備是充液成型液壓機，其提供大噸位的壓邊力、部分成型力、高壓液體介質(zhì)等。目前國外大噸位充液成型裝備較為成熟，但核心技術(shù)嚴格保密，如圖3、圖4所示。

圖3 SPS公司生產(chǎn)的大型板式充液成型機

圖4 AP&T生產(chǎn)的同軸式板式充液成型機

國內(nèi)雖然起步較晚，但經(jīng)過近幾年的發(fā)展，如天鍛、合鍛等設備制造廠家也具備了生產(chǎn)大噸位液壓機的能力，部分研制產(chǎn)品已經(jīng)在各科研單位或生產(chǎn)廠家投入實際生產(chǎn)，如圖5所示。

圖5 550t、1050t和1600t國產(chǎn)板形件充液成型液壓機

2．內(nèi)高壓成型

生產(chǎn)工藝流程如下：管類件—彎管機—液壓機預成型—液壓機終成型—清洗—激光切割—漂洗—涂防銹油—沖壓件庫。

一條專業(yè)的管形件內(nèi)高壓生產(chǎn)線應配置的基本設備有：割管機、彎管機、清洗機、內(nèi)高壓成型機、外圍設備(如激光切割機、焊機等)、自動化裝置等，如圖6所示。其中，最主要的設備同樣是內(nèi)高壓成型液壓機，其作用是提供合模力、管端軸向推力、高壓液體介質(zhì)等，并按照設定的曲線控制內(nèi)壓和軸向推力，如圖7所示。

圖6 內(nèi)高壓成型生產(chǎn)線

圖7 10000T管材充液成型機及其所配置的超高壓源

3. 關(guān)鍵設備

大噸位液壓機為以上兩種工藝關(guān)鍵設備，其中充液成型機需提供給模具壓邊力和拉伸力，結(jié)構(gòu)為雙動，主要特點是滑塊分為內(nèi)外滑塊兩部分，內(nèi)滑塊提供拉伸力，外滑塊提供壓邊力，以某5000t充液成型液壓機為例，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 某5000T充液成型液壓機主要參數(shù)

內(nèi)高壓成型機需提供給模具合模力，結(jié)構(gòu)為單動，需求噸位一般為3500t以上，其參數(shù)和普通液壓機類似。

四、充液成型與內(nèi)高壓成型比較分析

依據(jù)成型原理，兩種成型都以高壓液體為傳力介質(zhì)，使材料根據(jù)模具的形狀貼合，最終形成需要的工件。該高壓液體為水基乳化液（在水中添加防腐劑等材料形成），通過特定的增壓裝置（高壓源）使其在密閉的環(huán)境中達到需求的壓力，在使用過程中存在溢出損耗，需不定時增加。

生產(chǎn)線設備方面，都需要大噸位液壓機設備以及高壓源、自動化、涂油機、清洗機等相關(guān)輔助設備。上述兩種生產(chǎn)線核心裝備為大噸位液壓機，在充液成型中需要壓機內(nèi)滑塊提供主拉伸力，為雙動結(jié)構(gòu)，內(nèi)高壓成型時需要將內(nèi)外滑塊鎖在一起即單動結(jié)構(gòu)，共同施壓，液壓機其他部位無區(qū)別。

兩種成型的主要差別在于成型液體壓力，充液成型需求為0～60MPa，而內(nèi)高壓成型需求為200～250MPa。高壓源為液體增壓裝置，提供以上需求壓力，也可以根據(jù)不同的需求配置不同的高壓源裝置。同時還有工藝流程的部分區(qū)別，如內(nèi)高壓需求彎管機和預成型，而充液成型則更貼近普通沖壓生產(chǎn)的成型工序。

根據(jù)上述兩種成型的原理和工藝設備的相同點，為我們將兩種成型工藝和設備復合在一起提供了充分的條件。同一條生產(chǎn)線既可以生產(chǎn)充液成型的板形件，又可以生產(chǎn)內(nèi)高壓成型的管形件，對于中小批量的實驗試制，將節(jié)約超過40%的一次性投入。

五、復合生產(chǎn)線工藝布局

根據(jù)上述對兩種成型的對比分析，組成復合生產(chǎn)線是可行的，而且在成本投入上有較為可觀的減少。本設備主要針對中小批量的生產(chǎn)、試驗，如需要大批量生產(chǎn)，投入專業(yè)生產(chǎn)線更為合理。因為兩種成型的復合，如果將兩種成型的所有設備都整合在一起，生產(chǎn)線既復雜又成本高，所以需要選擇性的偏向一種成型，將一種功能開發(fā)到最大，另一種成型兼顧，關(guān)鍵節(jié)約點為主設備共用，故在工藝布局方面根據(jù)不同偏向有兩種不同的工藝布局，下面將分別進行敘述。

1. 以內(nèi)高壓為主生產(chǎn)工藝

此工藝布局是偏向于內(nèi)高壓成型，占地約18米×55米，以某種型號管形件為例，工藝流程為：管類原材料—彎管機—800T液壓機預成型—5000T終成型—清洗—激光切割—漂洗—涂防銹油—沖壓件庫。以某種型號板形件為例，工藝流程為：鋁板原材料—涂油—5000T成型—激光切割—沖壓件庫，其中主要差別為板形件涂油工序，該工序可以就近手工涂油完成。

圖8 內(nèi)高壓成型工藝布局圖

2. 以充液成型為主生產(chǎn)工藝

此工藝布局是偏向于充液成型，占地約22米×40米，以某種型號板形件為例，工藝流程為：鋁板原材料—涂油—5000T成型—激光切割—沖壓件庫。以某種型號管形件為例，工藝流程為：管類半成品件—5000T終成型—沖壓件庫，其中主要差別為管形件預成型、成型后清洗、切割、涂油等工序需生產(chǎn)線外完成。

圖9 板形件充液成型工藝布局圖

六、總結(jié)

兩種不同生產(chǎn)工藝，畢竟差別較大，所以只能盡可能的優(yōu)化布局，但還是需要犧牲掉某一種批量更小生產(chǎn)工藝的自動化率，用線下手工生產(chǎn)滿足缺少部分工藝，從投資者角度考慮，使關(guān)鍵設備具有兩種生產(chǎn)模式，可以有效節(jié)約設備一次性投入的同時，也減少了廠房、設備基礎、水電氣等其他輔助性投資，并可以滿足中小批量生產(chǎn)和試驗的能力，是一種較為可行的工藝改進手段，也響應國家節(jié)能減排的號召，為新車型輕量化提供有效的驗證資源和小批量生產(chǎn)能力。 □

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[12] 曹婷婷、薛克敏、李萍、陳龍《鍛造與沖壓》2011年11月《拼焊板汽車覆蓋件的充液拉深成形》。