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6月10日晚8點(diǎn)30分，'蓋世微課堂-內(nèi)高壓成型在汽車上的應(yīng)用'正式開講！蓋世汽車特邀上海保隆技術(shù)中心副總陳紹明開堂授課并解答微友疑問，同時(shí)，來自VOLVO、一汽大眾、東風(fēng)裕隆等整車廠以及來自汽車零部件及相關(guān)企業(yè)共計(jì)304位人士在群內(nèi)展開熱烈討論。
以下是課堂焦點(diǎn)內(nèi)容速記匯總，與業(yè)內(nèi)共饗。
液壓成形是塑性領(lǐng)域的一項(xiàng)成形新技術(shù)，按使用坯件的不同又分為三種：管材液壓成形（內(nèi)高壓成形）、板材液壓成型、殼體液壓成型。今晚微課堂交流的重點(diǎn)工藝是內(nèi)高壓成形，也就是管材液壓成形。
1. 內(nèi)高壓成形技術(shù)基本原理及特點(diǎn)
2. 內(nèi)高壓成形基礎(chǔ)理論（摘自哈爾濱工業(yè)大學(xué)苑世劍、劉剛等教授學(xué)術(shù)成果）
3. 工藝關(guān)鍵技術(shù)（摘自哈爾濱工業(yè)大學(xué)苑世劍、劉剛等教授學(xué)術(shù)成果）
4. 內(nèi)高壓成形在汽車零件上的應(yīng)用
5. 上海保隆汽車科技股份有限公司簡(jiǎn)介
內(nèi)高壓成型如何實(shí)現(xiàn)輕量化：
結(jié)構(gòu)輕量化有兩個(gè)主要途徑，一是材料途徑，采用鎂合金、鋁合金、鈦合金及復(fù)合材料等輕質(zhì)材料；二是結(jié)構(gòu)途徑，采用空心變截面、薄壁整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于一定目標(biāo)采用輕質(zhì)材料減重的貢獻(xiàn)大概三分之二，結(jié)構(gòu)減重的貢獻(xiàn)大概三分之一
內(nèi)高壓成型技術(shù)原理及特點(diǎn)：
下方的四張圖分別是內(nèi)高壓成形工序的過程
從左圖開始：合模--充液（排出管內(nèi)的空氣）--增壓、管件兩端在補(bǔ)料沖頭的推動(dòng)下向變形區(qū)送料，零件開始變形，變形后期零件大部分區(qū)域開始貼膜；緊接著進(jìn)入整形階段，使零件局部圓角整體貼膜，完成零件最終成型！中間的曲線圖是上述的成形過程的加載路徑、分別是，合模力、管端補(bǔ)料量、內(nèi)壓三個(gè)參數(shù)的控制曲線，通過對(duì)這三個(gè)參數(shù)的精確控制來有效實(shí)現(xiàn)零件的成形。
傳統(tǒng)沖壓工藝和內(nèi)高壓成形工藝的區(qū)別
傳統(tǒng)沖壓工藝：材料利用率低、成形精度差導(dǎo)致總成裝配誤差難以控制、不易成形形狀復(fù)雜的零件，為了提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能需通過焊接或其它方式來實(shí)現(xiàn)一體化，造成零件重量上升。
內(nèi)高壓成形工藝優(yōu)勢(shì)：空心代替實(shí)心、變截面代替等截面、整體代替分塊
如圖所示，是某車型的后副車架橫梁，這個(gè)橫梁的設(shè)計(jì)是按照內(nèi)高壓成形設(shè)計(jì)的零件基本結(jié)構(gòu)，為了更容易比較，我們用兩種成形方法的差別來衡量最終的結(jié)果。
如果采用沖壓成形工藝來制作橫梁，則需要將該橫梁做成上下兩半然后采用焊接來完成該零件，這樣會(huì)出現(xiàn)工藝路線長、材料利用率低、沖壓后還會(huì)出現(xiàn)較大的回彈，影響焊接效果和零件最終成型精度。橫梁表面還有2條焊縫，影響其它底盤零件的搭接效果從而會(huì)對(duì)整車的模態(tài)造成影響。采用內(nèi)高壓成形工藝，則可以直接采用管材整體成形，工藝路線短、材料利用率高、成形精度高，同時(shí)減少總成焊接工作量。
這個(gè)圖片是個(gè)典型的液壓成形結(jié)構(gòu)件，整個(gè)斷面為變截面，零件上共有七個(gè)不同的截面來實(shí)現(xiàn)對(duì)該零件的力學(xué)性能的要求，是采用傳統(tǒng)工藝很難實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。
內(nèi)高壓成形有下料、彎管、預(yù)成型、液壓成型、切割等五道主要工序組成
根據(jù)零件結(jié)構(gòu)要素和精度的不同，工序會(huì)有增減
下料，采用切管機(jī)按工藝要求切去要求的長度，同時(shí)在管端去除毛刺，避免影響后工序密封。
采用3軸數(shù)控預(yù)成型機(jī)，預(yù)成型是內(nèi)高壓成型工序中比較關(guān)鍵的工序，它的作用是提前對(duì)胚件材料進(jìn)行材料分配和阻尼設(shè)置，使內(nèi)高壓成形工序順利得到滿足液壓成形工序需要的胚件。
采用多軸控制的內(nèi)高壓成形設(shè)備，是內(nèi)高壓成型工序中核心的成形工序，經(jīng)過該工序后零件在外形上完全達(dá)到零件的精度要求，前面第八頁介紹的就是該工序的整個(gè)成形過程。
常用的設(shè)備有：3D激光切割、機(jī)械切割機(jī)、壓力機(jī)等！視零件的外形和精度來確定具體工藝設(shè)備。
內(nèi)高壓成形的基礎(chǔ)理論
上圖是內(nèi)高壓成形過程的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，及在屈服橢圓上的位置
若假設(shè)管材為薄壁管，忽略作用在管材內(nèi)壁上的內(nèi)壓，只考慮管材的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，則可以認(rèn)為管材處于平面應(yīng)力狀態(tài)。
由Mises屈服準(zhǔn)則，可以得到變徑管內(nèi)高壓成形的屈服條件為
在變形過程中，某一時(shí)刻管材上不同點(diǎn)以及同一點(diǎn)在不同時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài)都有很大差別，而所有可能的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)位于如圖所示的平面應(yīng)力屈服橢圓中從A點(diǎn)到B點(diǎn)直至C點(diǎn)之間的曲線上。
1、充液階段：此階段，兩端沖頭向模具型腔移動(dòng)并于管端接觸而實(shí)現(xiàn)密封。管內(nèi)充滿液體，但壓力很小，沖頭對(duì)管端作用有一定的軸向推力以實(shí)現(xiàn)密封；此時(shí)可以認(rèn)為整個(gè)管子都處于單向軸向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。
位于圖中的A點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變狀態(tài)為軸向壓縮、環(huán)向伸長和厚度增加，但變形量都很小；如果管材長度較長，當(dāng)軸向壓應(yīng)力過大時(shí)，管材會(huì)產(chǎn)生整體屈曲缺陷。
2、成形期：成型區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)在成形初期和后期有所不同。在成形初期，管材還保持平直狀態(tài)，管材應(yīng)力狀態(tài)為環(huán)向受拉、軸向受壓的一拉一壓狀態(tài)。
位于屈服橢圓中的A點(diǎn)和B點(diǎn)之間；但應(yīng)變狀態(tài)與環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的數(shù)值大小有關(guān)；當(dāng)環(huán)向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力的絕對(duì)值時(shí)，位于圖中屈服橢圓的B點(diǎn)和D點(diǎn)之間；則應(yīng)變小于零，壁厚減薄；當(dāng)環(huán)向應(yīng)力小于軸向應(yīng)力的絕對(duì)值時(shí)，位于屈服軌跡的D點(diǎn)和A點(diǎn)之間應(yīng)變大于零，此時(shí)壁厚增加；當(dāng)環(huán)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的絕對(duì)值時(shí)位于屈服軌跡的D點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)變?yōu)榱悖诤癖３植蛔?。（成形后期）隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，成型區(qū)管材不在保持平直狀態(tài)，而將發(fā)生向外凸起變形，此時(shí)該區(qū)域處于雙向受拉狀態(tài)，在屈服橢圓中表現(xiàn)為從B點(diǎn)向C點(diǎn)移動(dòng)；在此階段環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力都大于零，一般情況下環(huán)向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力；因此軸向和環(huán)形向都在伸長變形，厚度減薄，減薄的程度取決于軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的數(shù)值的大小，需要指出的是，環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的比值還于變形區(qū)的長度有關(guān)。
3、整形階段：成形區(qū)管材絕大部分已與模具接觸，只有送料區(qū)與成型區(qū)的過度圓角局部區(qū)域尚未完全與模具貼合，整形就是要通過增加成形壓力來使過度圓角逐漸貼靠模具，達(dá)到所要求的圓角，應(yīng)力狀態(tài)如圖，在環(huán)向和切向都發(fā)生拉伸變形，壁厚減薄，位于屈服軌跡曲線的上位B點(diǎn)和C點(diǎn)之間。
內(nèi)高壓成形件的壁厚成形規(guī)律
變徑管內(nèi)高壓成形件壁厚分布規(guī)律是：成型區(qū)壁厚減薄和送料區(qū)壁厚增加
在送料區(qū)和成形區(qū)之間存在一個(gè)壁厚不變的截面，對(duì)于圓截面工件，壁厚不變的這個(gè)截面稱為厚度分界園；壁厚分界園理論模型反映了厚度分界園位置取決于摩擦系數(shù)、膨脹系數(shù)、管端軸向應(yīng)力與內(nèi)壓之比、送料區(qū)長度和管材相對(duì)厚度；當(dāng)送料區(qū)相對(duì)長度增加時(shí)，厚度分界園與管端的相對(duì)距離減小，壁厚不變點(diǎn)向管端移動(dòng)，壁厚減薄區(qū)域增大，當(dāng)管材相對(duì)壁厚增加時(shí)，厚度分界園與管端的相對(duì)距離增大，壁厚不變點(diǎn)向成形區(qū)移動(dòng)，壁厚減薄區(qū)域減小，因此厚壁管內(nèi)高壓成形時(shí)壁厚分布較容易控制，而薄壁管成形的壁厚控制較困難。彎曲軸線異形截面管內(nèi)高壓成形工藝過程包括彎管、預(yù)成形、內(nèi)高壓成形等主要工序，在彎曲中性層外側(cè)，由于切向拉應(yīng)力作用而使壁厚減薄，在中性層內(nèi)側(cè)，由于切向壓應(yīng)力作用而使壁厚增加，彎曲處的外側(cè)壁厚減薄對(duì)內(nèi)高壓成形過程和零件在使用中的承載能力影響非常大，如果外側(cè)過度減薄，即使在彎曲時(shí)未發(fā)生開裂，在后續(xù)內(nèi)高壓成形中也容易引起開裂。增加內(nèi)高壓成形工序的難度。內(nèi)高壓成形使用的彎曲件除保證軸線形狀精度外，還要將壁厚減薄率控制在一定的范圍內(nèi)，一般控制在20%以內(nèi)。
在內(nèi)高壓成形件橫截面上最小壁厚主要位于截面的過渡區(qū)如右下截面圖所示。
左邊打陰影部分，是指管材既不起皺，又不開裂的軸向應(yīng)力及內(nèi)壓之間匹配的區(qū)間。通過這張圖可以確定起皺和零件軸向壓力和開裂壓力，是我們進(jìn)行內(nèi)高壓過程控制的工藝基礎(chǔ)。在實(shí)際工藝控制過程中，由于摩擦等因素的影響，很難準(zhǔn)確的控制軸向力，因此在生產(chǎn)中通過內(nèi)壓及軸向經(jīng)給補(bǔ)料量之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)零件的成形，這種關(guān)系又稱為加載曲線。確定加載曲線的關(guān)鍵問題是如何確定內(nèi)壓的上下線，通常的辦法是先通過數(shù)值模擬先獲得初步的加載曲線，然后通過工藝試驗(yàn)來確定真實(shí)的加載曲線，在成型區(qū)間內(nèi)的任何加載曲線，都能獲得合格的零件，但加載曲線的位置不同，獲得零件的壁厚減薄程度也不同，靠近上限時(shí)壁厚減薄大，靠近下線時(shí)壁厚減薄小，對(duì)于一種零件成形區(qū)間的內(nèi)壓范圍越大越好，這樣容易實(shí)現(xiàn)工藝控制。
皺紋的控制：
皺紋分為兩種，一種是成為缺陷的實(shí)皺，一種是可以通過后續(xù)加工加壓展平的有益皺紋。通過起皺方式可以將成形所需補(bǔ)料量預(yù)先聚集在成型區(qū)，關(guān)鍵是控制皺紋的數(shù)量，只有皺紋數(shù)量合理，才能保證成型后壁厚不變或者減薄量控制在要求的范圍內(nèi)，這里所說的皺紋是第二種。
降低整形壓力的原理和方法
內(nèi)凹式預(yù)成型截面降低整形壓力，通過預(yù)成型工序?qū)⒐懿慕孛鎵褐茷橐环N凹陷的形狀，加壓整形時(shí)由于中心處管材內(nèi)凹，與模具接觸面積減少，材料容易向遠(yuǎn)角處流動(dòng)，同時(shí)內(nèi)壓產(chǎn)生的切向推力克服摩擦阻力促進(jìn)材料向遠(yuǎn)角處流動(dòng)，這樣可以大大減少整形壓力，可以在較低的內(nèi)壓來成形遠(yuǎn)角。
內(nèi)高壓成形設(shè)備的組成：合模壓力機(jī)、高壓源、水平缸、液壓泵站、水系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)六部分組成
一般來講，內(nèi)高壓成形機(jī)的工作過程主要包括：
閉合模具——施加合模力——對(duì)管材內(nèi)填充加壓介質(zhì)——管端密封——按加載曲線施加內(nèi)壓和軸向進(jìn)給——增壓整形——卸載——去合模力——沖頭回退——開模。
內(nèi)高壓成形設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)：
① 高壓動(dòng)密封技術(shù)
② 有效實(shí)現(xiàn)加載曲線的控制技術(shù)！
近年來保隆科技通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外內(nèi)高壓設(shè)備成熟技術(shù)，并結(jié)合長期從事內(nèi)高壓成形生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，自主開發(fā)了具有獨(dú)特創(chuàng)新亮點(diǎn)的3000噸雙工位雙增壓內(nèi)高壓成形機(jī)，已經(jīng)投入批量生產(chǎn)使用效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。
內(nèi)高壓成形模具的主要組成部分包括：上模、下模、左右沖頭，與其他模具一樣，還要通過上下墊板分別與機(jī)器滑塊和工作臺(tái)面連接固定。
模具型腔部分可根據(jù)不同的工作條件和加工難以程度設(shè)計(jì)成鑲塊結(jié)構(gòu)，并考慮復(fù)雜彎曲軸線內(nèi)高壓成形件可能引起的模具水平位移，設(shè)計(jì)必要的導(dǎo)向和鎖扣置；沖頭是內(nèi)高壓模具的特殊部分，其作用是密封管端和軸向進(jìn)給補(bǔ)料。關(guān)系到整個(gè)內(nèi)高壓成形過程能否順利進(jìn)行和生產(chǎn)效率的高低。沖頭的直徑和長度要根據(jù)管材直徑和長度的不同而變化。
模具上下墊板上下兩端均可加工出承力槽，以便水平缸合模時(shí)嵌入模具墊板，形成封閉力系，平衡掉作用在沖頭上的軸向推力。模具材料的選擇原則：滿足內(nèi)高壓成形的工作條件，即耐磨性、強(qiáng)韌性、疲勞斷裂性能；滿足模具加工工藝性要求，即可鍛性、切削加工性能和工藝參數(shù)；滿足經(jīng)濟(jì)性要求，應(yīng)考慮產(chǎn)量、產(chǎn)品材料性能和工藝參數(shù)。
接下來是我們液壓成型在汽車熱鍛件的批量生產(chǎn)應(yīng)用情況。
從目前市場(chǎng)需求情況來看，排氣系統(tǒng)熱鍛件的輕量化需求發(fā)展勢(shì)頭大大領(lǐng)先結(jié)構(gòu)件的需求量。
以下是提問環(huán)節(jié)：
1、內(nèi)高壓成型對(duì)汽車減重的意義？能否結(jié)合具體車型的應(yīng)用作下說明？
對(duì)減重的意義，最重要的是節(jié)約能源，減少碳排放；二是提升性價(jià)比，降低資源消耗，我們?cè)谇捌趨f(xié)助客戶進(jìn)行副車架輕量化改造過程中，發(fā)現(xiàn)通過對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件按照內(nèi)高壓成形工藝方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可減少零件數(shù)量，同時(shí)也降低總成重量。對(duì)總成的性價(jià)比有較大的貢獻(xiàn)度。
2、跟傳統(tǒng)的粉末成型區(qū)別在哪里，用什么裝備來完成高壓成型？
與傳統(tǒng)的粉末成形工藝是完全不同的兩類工藝方式。粉末成形采用粉末作為原材料壓制成形經(jīng)過燒結(jié)后完成零件成形，零件密度低。強(qiáng)度性能無法和內(nèi)高壓成形相提并論，而且該工藝只適合制作小型零件無法制作結(jié)構(gòu)件。而內(nèi)高壓成形采用的高強(qiáng)管、通過高壓水作為成形介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)零件成形，可在成型過程中提高材料的強(qiáng)度、剛度等性能指標(biāo)。
內(nèi)高壓成形工藝采用的主要設(shè)備:切管機(jī)、5軸數(shù)控彎管機(jī)、預(yù)成型機(jī)、內(nèi)高壓成型機(jī)、3D激光切割機(jī)等
3、內(nèi)高壓成型與沖壓成形對(duì)比，成形用管材、截面分析、工藝參數(shù)確定、缺陷形式（原因、措施）、摩擦的影響、摩擦系數(shù)的影響？
內(nèi)高壓成形管材對(duì)焊縫強(qiáng)度和管材的尺寸、壁厚精度、要求高于沖壓工藝，內(nèi)高壓成形零件截面為變截面，沖壓工藝為等截面，內(nèi)高壓成形的工藝參數(shù)的確定較沖壓成形要復(fù)雜。
首先通過有限元分析確定初始控制數(shù)據(jù)，然后輸入內(nèi)高壓成形機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行樣件調(diào)試修正，得出最終的加載曲線作為最終控制參數(shù)。
常見的缺陷形式：開裂、起皺、壁厚減薄超差等。
主要原因：材料性能變化、加載曲線過于接近成形范圍的上下極限、潤滑條件發(fā)生變化等。措施：嚴(yán)格控制進(jìn)貨原材料性能、優(yōu)化加載曲線，嚴(yán)格控制潤滑條件。
摩擦是內(nèi)高壓成形的一個(gè)關(guān)鍵問題，直接影響零件的壁厚分布、極限膨脹率、和缺陷形式有著重要的影響。對(duì)于同一種材料的零件，摩擦系具體數(shù)值取決于潤滑劑、內(nèi)壓、送料速度、送料量和模具硬度及表面處理情況。
5、據(jù)說輕量化汽車構(gòu)件的成本會(huì)更高一些，總體是這樣的嗎？若是如此，為何歐洲和日系車卻廣泛采用內(nèi)高壓的儀表梁、后副車架、扭力梁等部件？有算過它的全車壽命過程中的總體性價(jià)比嗎？（一生的油耗減低、抵得過輕量化帶來的成本增加嗎？）
實(shí)現(xiàn)輕量化目前來看有2個(gè)途徑：1.材料、2.結(jié)構(gòu)
從內(nèi)高壓成形技術(shù)角度來看，表面上看單個(gè)液壓成型件的成本相對(duì)會(huì)偏高，但采用液壓成形的結(jié)構(gòu)零件時(shí)，部件總成的零件數(shù)量會(huì)減少，重量減輕從而使總成的成本下降，提升了整車的性價(jià)比，和傳統(tǒng)的沖壓成形工藝設(shè)計(jì)的零件沒有可比性。從我們前期參與輕量化改造的兩個(gè)項(xiàng)目上就可以直接看到在小總成上的成本優(yōu)勢(shì)了?。ㄊ箍偝蓽p少了零件數(shù)量和焊接工作量，提高了零件精度，減輕了總成的重量?。Ｔ偌由峡蛻羰褂眠^程中由于重量的降低帶來的油耗減少，優(yōu)勢(shì)就更大了，所以國外90年代開始就廣泛采用該成形技術(shù)了。
6、這種一次成型的強(qiáng)度能否達(dá)到?jīng)_壓折彎成型的效果
這就是內(nèi)高壓成形工藝應(yīng)用于汽車輕量化的關(guān)鍵所在，而且在比沖壓工藝用料少的前提下達(dá)到?jīng)_壓工藝成形件的同等強(qiáng)度。
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