汽车行业轻量化需要和未来发展趋势

2018-06-22 Author:兴迪源机械 分类:内高压成形

 

河南兴迪锻压设备制造有限公司
佛山市南海兴迪机械制造有限公司
编写:李经明 总经理
2018年06月20日

 

1.汽车行业对轻量化的需求

 

1.1 汽车制造业总体现状和趋势

 

2016年,中国汽车产量为2811.9万辆,年增长率为14.5%,销售汽车2802.8万辆,同比增长13.7%,产销总量再创历史新高。

 

近8年国内的汽车产量变化如图1所示,呈现逐渐递增的趋势,从近两年来看国内汽车产量增速从2016年的14.5%下降到2017年的3.2%,增长速度明显趋缓。

 

图1:近八年国内汽车产量变化条形图

 

新一轮由自主崛起驱动的国产替代,无论是在替代的广度还是深度上,都有明显提升,为零部件行业快速增长提供更大助力。零部件行业收入一直保持快于汽车行业的增长,占汽车行业比重已由2008年的20%提升至2017年第三季度的25%,显示在自主崛起,进口替代的超强驱动下,行业快速增长,行业地位显著提升。

 

 

图2:2001年-2015年我国汽车和零部件产业总产值及增长趋势

 

 

图3:2008年-2017年第三季度零部件占汽车全行业收入比重

 

 

1.2汽车制造业必然发展趋势

 

汽车制造业的必然发展趋势是轻量化。汽车轻量化,是指采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计,或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下,尽可能降低汽车产品自身重量,以达到减重、节能、减排、安全的综合指标。

 

汽车轻量化的必要性体现在法规、汽车性能和续航能力三个方面。由于自2018年1月1日起,全国机动车全面实施国V排放标准,法规趋严已是不争的事实;采用轻量化可以明显提升汽车性能,可以提升燃油经济性,改善动力性,提升操控性和舒适性,实现安全性和轻量化的平衡;最后一方面体现在新能源汽车的续航能力,对于新能源汽车,重量降低10%,以为这续航能力增加5.5%。

 

《中国制造2025》提出将轻量化作为汽车产业重点发展方向之一。另外,行业轻量化的整体趋势也在发生变化。国内乘用车的重量总体呈下降趋势,自2008-2014年总体下降约6%;近3年重量下降趋势已经趋缓(技术突破的有限性,性能和配置需求抵消的重量);国内轻量化取得了一定的成果,但是进入新的瓶颈期,如何突破这一瓶颈是整个汽车行业不断思考的问题。

 

图4:国内市场乘用车轻量化趋势(2005-2016)(5MT样本基准)

 

 

如图5所示,汽车车身用材料主要有低碳钢、高强钢、超高强钢和铝合金等。

 

图5:汽车车身用材料示意图

 

通过图6和图7可知,国内外车身会议报道的不论是轿车还是SUV的车身轻量化系数总体呈逐年降低趋势,但与国外相比,国内的轻量化系数扔高于国外国外平均水平,整体上还有5-10%的差距,如何进一步实现轻量化仍旧是一亟待解决的问题。

 

图6:近16年国内外车身会议报道轻量化系数变化

 

 

图7:历年国内外车身会议SUV车型的车身轻量化系数

 

 

1.3 轻量化的途径

 

汽车轻量化的途径主要有两个,即材料轻量化和结构轻量化。

 

据Front&Sullivan分析,到2017年,轻量化汽车材料市场有望达到953.4亿美元。并且师姐铝业协会的报告指出,汽车的自重每减少10%,燃油的消耗可降低6~8%。现代汽车自身质量同过去相比减轻了20~26%,预计在未来的10年内,轿车自身质量还将继续减轻20%。

 

其中材料轻量化具体有两个方向:低密度轻质材料、高强度材料。前者主要包括:铝合金、镁合金、钛合金、塑料、多孔材料及复合材料等。高强度材料包括:高强度钢、超高强钢等。

 

据统计,如图8所示,现代轿车中占自重90%的六类材料分别是钢材(55~60%)、铸铁(12~15%)、塑料(8~12%)、铝(6~10%)、复合材料(4%)、陶瓷及玻璃(3%)、其他(10%)。

 

图8:现代轿车主要材料占比

 

 

(1)汽车强量化材料——高强度钢

 

理论上,相对于传统340MPa的材料,600MPa级钢材的减重潜能约为20%,800MPa级钢种的减重潜能可达30%以上,强度级别在1000MPa以上的钢材在汽车上的比重已经达到16%。

 

图9:高强钢的级别以及在汽车上的应用

 

不同类型的高强度钢板在汽车上的应用,如表1所示,分别列举含磷高强度冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双向钢板、超低碳高强度冷轧钢板、迭层钢板等。国内高强度钢研制及生产的主要单位有宝钢、武钢、鞍钢、上汽集团、重庆汽车研究所、上海大学等。

 

 

(2)汽车强量化材料——铝合金

 

铝合金具有低密度、可再生、良好的工艺性、抗冲击性能好、耐腐蚀等诸多优点。已经成为仅次于钢材的汽车用金属材料,其目前在发动机缸体、活塞、变速箱壳体、进气支管、气缸盖、轿车骨架、车身、座椅支架、轮毂、热交换器等领域应用率较高。据预测,到2025年,采用全铝车身的车型占比达到30%,全球车身用铝总量将达到870万吨,车身用铝行业将出现爆发式增长。关于国内以及北美市场汽车用铝的预测如图10和11所示,由图可知国内车身用铝量年复合增长率达45%,北美市场未来10年汽车零部件用铝量也逐年明显增加。

 

图10:未来车身用铝量预测

 

图11:北美汽车部件用铝情况

 

 

2014年世界各大铝生产商所完成的铝产量如图12所示,而关于2016年全球铝产量的调查显示,前十大远虑生产商依次是中国宏桥、俄罗斯铝业、力拓加铝、信发集团、中国铝业、阿联酋全球铝业、美国铝业、国家电投、东方希望和挪威海德鲁,合计产量突破3093万吨,同比增长4%,中外企业各占半席位,中国企业合计产量1664万吨,占比为53.8%,国外企业合计产量1428.8万吨,占比46.2%。增幅较大的是中国宏桥,较上年产量增长28%,其次是东方希望,增幅为21%。

图12:2014年全球主要企业的铝产量

 

 

(3)汽车强量化材料——镁合金

 

汽车是镁合金的重要消费领域,约占整体消费总量的62%。2015年,我国乘用车需要镁合金10万吨/年。镁合金的比重只有1.8,采用镁合金能够有效减轻整车重量,可在适用铝合金的基础上再减轻15%~20%,具体在各个领域的占比参考图13。镁合金需求的增长主要来自于两个方面:汽车产量的增长、单辆汽车镁合金使用量的增长。

 

图13:镁合金在不同领域应用占比情况

 

 

镁合金材料特性及其在汽车上的应用如表2所示,其具有重量轻、制震性强、高强度、可回收性优越等诸多优势。

 

 

 

(4)高强度纤维复合材料

 

汽车领域是复合材料的最大市场,大约占其总体积的20%,销售额的18%,世界上平均每辆乘用车,复合材料约占总重量的6%,而全球碳纤维的潜在需求量预测如图14所示,在汽车行业的潜在需求量呈现明显的逐年上升趋势。

图14:全球碳纤维潜在需求量预测

 

2015年,汽车复合材料的用量已经超多200万吨,增长主要来源于汽车产业的自然增长和已经采用了复合材料的汽车部件的市场份额增加,而碳纤维在汽车领域的应用预测参考图15,采用了复合材料的汽车部件的市场份额不断增加。

图15:碳纤维在汽车领域的应用预测

 

 

2.内高压成形技术对汽车制造业的重大意义——结构轻量化实现

 

对于大部分汽车零配件制造企业来讲,实现新型轻量化结构的加工和制造是首要任务,而作为国内新兴的轻量化加工技术,内高压成形能够有效突破轻量化的瓶颈。

 

内高压成形技术实现汽车的轻量化,从而大大降低汽车油耗(约占50%以上),也是减少二氧化碳废气排放的最有效对策。内高压成形技术革命性提高车身强度、刚度并优化结构以提高汽车冲撞的安全性。并且该技术能够减少汽车零件和模具数量,降低生产成本。

 

根据欧洲铝协公布的资料,汽车重量每降低100kg,每百公里可节约0.6L燃油,同时也可减少尾气排放。但是,我国目前采用内高压成形技术进行制造的汽车零件还不到10%。

 

2.1 内高压成形技术的源起

 

在飞机、航天和汽车等领域,减轻质量以节约材料和运行中的能量是人们长期追求的目标,也是现代先进制造技术发展的趋势之一。除了采用轻体材料外,减轻质量的另一个主要途经就是在结构上采用“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。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。

 

2.2 内高压成形原理

 

内高压成形(Hydro Forming)也叫液压成形或液力成形,是一种利用液体作为成形介质,通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零件目的的材料成形工艺。内高压成形的原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需要的工件。对于轴线为曲线的零件,需要把管坯预弯成接近零件形状,然后加压成形。其成形原理和兴迪源机械公司的典型内高压产品具体如图16和17所示。

 

图16:内高压成形原理

 

图17:兴迪源机械典型内高压产品-发动机空心轴

 

 

2.3 内高压成形技术优势

 

内高压成形技术相对于传统工艺具有革命性的突破,主要体现在以下几个方面:

 

(1)减轻质量节约材料。对于空心轴类可以减轻40%~50%,有些件可达75%,与冲压焊接的组合件相比,汽车上用内高压成形的空心结构件可减少20%~30%。

(2)减少零件和模具数量,降低模具费用。内高成形件通常仅需要一套模具,而冲压件大多需要多套模具。副车架零件由6个减少到1个,散热器支架零件由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,内高压件比冲压件平均降低15%~20%,模具费用降低20%~30%。

(6)环保节能。降低加工过程中能量消耗及废污排放35%以上。

 

2.4 内高压成形工艺的广泛应用

 

内高压成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、数码设备金属件、军工、家居卫浴金属管件、自行车及电动车配件、其他五金器具等。

 

内高压成形技术在汽车行业应用主要集中在排气系统异型管件、副车架总成、底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架、前轴、后轴及驱动轴、安全构件等空心构件。

 

图18:内高压成形技术在汽车制造中的典型应用

 

 

(1)排气系统(Exhaustsystem)

 

汽车排气系统主要由7部分组成,按与发动机距离由近至远的顺序依次为排气歧管、热端连接管、挠性管、三元催化器、共鸣器、消音器及尾管。

 

2016年中国基本型乘用车(轿车)产量为2803万辆,按照每辆乘用车每种零件使用一个,需要7个相关零件,总数可达19621万个。现阶段使用液压成形技术生产的排气系统远未达到10%,按照计算预期市场额度17659万个。以2017年销量最高的丰田卡罗拉为例,每套排气系统管件的市场价格约为1000元,潜在市场价值可达1766亿。如果包含其他重卡等车型,市场潜力更大。如图19和20所示为排气系统中冷管和排气歧管传统成形方式和内高压成形对比。

 

图19:传统冲压+焊接成形工艺内高压成形中冷管

 

图20:排气歧管的传统加工工艺与铸造新型工艺:内高压成形零件对比图

 

 

(2)底盘系统(Chassis parts)

 

底盘系统通常采用的材料为低碳钢及中碳钢,也有部分使用铝合金。

 

主要包括:车架滑轨(Frame rails)、副车架(engine cradles)、车顶纵梁和拱梁(roof rails and bows)、后轴(rear axle frames)、散热器支架(radiator frames)等结构。

 

副车架市场价600,车顶纵梁2500。一辆车需要1个副车架,2个纵梁。潜在市场潜力可达2803万辆×90%×5600元=1412亿。

 

图21:副车架成形传统工艺:冲压+焊接新型工艺:内高压成形

 

 

(3)引擎与动力系统 (Engine /power train components)

 

包括:悬架部件(Suspension members),空心凸轮轴(hollow camshafts),传动轴(drive shafts),齿轮轴(gear shafts),油底壳(oil pan)等。

 

凸轮轴市场价500元,按照每辆车使用一个凸轮轴计算,其市场潜力可达2803万辆×90%×500元=126亿。油底壳一般为卡车使用,暂时不做统计。

 

 

图22:凸轮轴的传统成形和内高压成形对比

 

图23:发动机油底壳的传统铸造或焊接和新型内高压成形对比

 

(4)车身及安全构件(Body and safety parts)

 

包括:挡风玻璃框(Windshield headers)、A/B/C立柱(A/B/C pillars)、空间构架部件(space frame components)、仪表盘支架(instrument panels)、座椅架(seat frames)、减震器外壳(shock absorber housings)等。

 

Nissan’s Titan采用液压成形A柱,比传统工艺减少了30个零件,减少了15.88kg,采用高强钢,提高了汽车碰撞性能。

 

图24:A/B/C柱典型件的内高压成形

 

A/B/C柱按照市场价500元计算,按照每辆车使用6个柱计算,其市场潜力可达2803万辆×90%×3000元=756亿。

 

从以上分析可以看出,液压成形在乘用车领域至少具有总额度4千亿的潜在市场价值。从欧美的市场发展规律来看,在中国至少还有10—20年的成长期。液压成形可以降低零件的成本,提高生产效率,属于无污染的绿色清洁生产技术,具有极高的市场竞争力。在未来的汽车工业中必将广泛应用。

 

 

2.5 内高压成形技术在国外和国内的应用

 

德国于70年代末开始对高内压液力成形基础进行研究,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(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内高压成形的零件。

 

日本自1997年开始,丰田、本田、日产、马自达、三菱、斯巴鲁等汽车厂均已导入内高压成形设备进行零件的生产与开发。

 

韩国的现代、起亚也开始应用液压成形技术生产相关零部件。

 

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量的比例已从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。

 

美国克莱斯勒(Chrysler)汽车公司于1990首先引进内高压技术生产了仪表盘支梁。

 

目前美国最大的汽车公司通用汽车公司(GM)已用液力成形技术制造了发动机托架、散热器支架、下梁、棚顶托梁和内支架等空心轻体件。据一项调查表明,截止到2004年北美生产的典型车型中有50%零件采用内高压成形技术制造。

 

内高压成形在我国起步较晚,本世纪初才有哈尔滨工业大学、北京航空航天工业大学、中科院金属研究所等对其进行理论研究,并与一些企业进行合作开发,试制产品,还处于初始发展阶段。河南兴迪锻压设备制造有限公司是国内第一家向市场提供内高压成形机商品的厂家。如图25为兴迪源机械设计加工的1500吨内高压成形机。

 

图25: 1500吨内高压成形设备

 

但是近年来国家对内高压成形具有较大的政策支持,生产内高压成形液压机的企业属于先进装备制造业,是国家和各地各级政府都鼓励发展的行业。内高压成形机在国家发布的《产业结构调整指导目录(2011年本,2013年修正版)》中,编入“鼓励类”第十四项机械第26小项规定的“内高压成形机”。此外,内高压成形中所用液体介质以液压油和乳化液为主,无污染并且能够回收及循环使用,也正是国家目前所提倡和重点扶植的清洁型产业。

 

另外,工信部《国家中长期科学和技术发展纲要》规定了高档数控机床与基础制造设备重大专项申报条文,其中,大吨位内高压成套设备首当其冲名列前茅。

 

 

2.6 内高压成形设备发展现状及趋势

 

(1)国际上内高压设备的发展

 

国际上能提供液压成形成套技术与设备的制造商多集中在欧洲和北美,其中以德国SPS公司、舒勒公司和瑞典AP&T公司、美国ITCInterlakenTechnology和HDTHydroDynamicsTechnologies为主要代表。

 

此外还有日本的山本水压所、Amino、川崎油工、Opton、AIDA,德国的Gräbener、S.DUNKES,意大利的NAVA,加拿大的ValiantMachine&Tool,韩国的KANGEngineering等公司。

 

(2)内高压设备发展趋势

 

液压成形技术最新发展趋势是大型化、超高压输出、高精度电气控制、高液体介质加热能力。

 

大吨位超高压成形技术代表着行业的最高水准,国外生产的超高压液压成形装备价格一般在200万欧元以上,日本生产的一台300吨超高压充液成形机价格在2亿日元以上。目前,同规格的内高压成形机进口价格是国产的十倍左右。

 

河南兴迪锻压设备制造有限公司依托与中国科学院金属研究所的深入产学研合作,研制出具有国际领先水平的超高压液压成形装备,开发出大型管式热态超高压脉动液压成形技术。是国内最早向市场供应内高压成形液压机商品的厂家,目前的标准产品有250吨、600吨、800吨、1200吨、1500吨内高压成型液压液压机,广泛应用于三通管材成型、气车管件制造、自行车管件制造等生产领域。兴迪还自主研发设计制造出4000吨的内高压成形液压机,如图26所示。

 

图26:兴迪源机械自主研发的4000吨超高压内高压成形液压设备

(3)兴迪公司掌握的行业领先的技术指标

 

设备最大输出油压为500MPa,内压力的控制精度在±5MPa以内,内压力的增长速度最大可达30MPa/s,充液量≥200l/min。液压系统最大压力25MPa。

 

液体介质最高加热温度为400℃,控制精度在±5℃以内。

 

设备可实现按线性、脉动、梯形以及复合曲线等任意加载曲线形式输出,其中脉动波形的幅值可控范围为0.5-50MPa,频率的最大响应可达0.5Hz。

 

轴向缸最大行程为300mm,轴向推力最大为2000kN,控制精度在±10kN以内。

 

最大合模力为3150吨,工作台尺寸≥1400mm×1400mm,滑块行程300mm,滑块下行速度≥10mm/s,工作台可移出。

 

适合液压成形工艺人机界面软件,可实现对位置、速度和力度的精确控制,通过操作终端进行编程并进行存储。

 

(4)兴迪源机械的设备应用举例

 

到目前为止,已经有下列产品是采用我兴迪公司提供的内高压成形机进行生产的企业和具体产品如下:

 

威特牌自行车车架异形管;采用维柴、康明思发动机的汽车排气系统异形管及加水口;比亚迪汽车安全构件;宇通汽车座椅框架;大众车型的MQB悬架臂和A+构悬架臂及PQ46底盘横梁;通用车型的D2XX副车架延伸架的横梁和悬架臂;长城汽车横梁;农用水泵壳体零件。

 

 

3.新型轻量化成形技术

 

3.1冲击液压成形

 

作为铝合金等难变形材料的塑性加工问题一直是制约轻量化发展的瓶颈性难题之一,而冲击液压成形工艺可以很好地解决难变形轻质合金的成形难问题,通过高应变速率成形,有效提高材料的成型性能和极限。

 

最近,河南兴迪锻压设备有限公司与中国科学院金属研究所塑性加工先进技术课题组合作,在铝合金板材高应变率冲击液压成形技术与装备方面取得系列进展,有望推动和提升我国航空和汽车钣金制造业发展水平。

 

航空航天装备中,钣金类零件占总零部件数量、制造工作量占全机工作量均在20%以上,而随着新型轻量化汽车的需求逐年提高,汽车用难变形轻质合金钣金类零件的需求量也在不断增加。针对目前航空领域对钣金零件的轻量化及整体化发展的迫切需求,具有凸台、加强筋和小圆角等小特征结构的铝、镁、钛轻质合金复杂异型薄壁钣金零件的制造已成为推动大型飞机水平提升亟待解决的重要问题。

 

高强铝、镁、钛等轻质合金塑性差,成形过程中容易起皱和开裂。我国一直沿袭前苏联的落锤成形技术,落锤成形需通过模具压制与人工结合,通过锤击、垫橡胶等方式进行多道次压制和人工辅助加工成形,以消除起皱并通过人工手动工序控制材料流动以防止破裂发生,要求操作者具有丰富的加工经验和技术技巧。落锤成形由于是刚性模成形,成形零件会有划痕等缺陷,成品率不高,零件精度及一致性差,材料利用率低,模具寿命较低,劳动条件和安全性差。

 

针对上述复杂钣金零件制造过程中的问题,金属所塑性加工先进技术团队和兴迪源机械设备和模具工程师通过长期的合作和交流,通过将充液拉深成形技术与高速冲击成形技术相结合,提出了一种新型冲击液压成形技术。

 

完成了从理论分析、设备研制到工艺验证的全链条研究。通过霍普金森拉杆实验研究发现,5A06铝合金单向拉伸试件在高应变速率条件下(2.7×103s-1)的延伸率相比于准静态条件增加了40%。金属所塑性加工先进技术课题组自行设计了一台板材冲击液压成形极限试验装置,发现5A06铝合金板件的冲击液压成形极限相比于准静态液压成形极限得到了大幅提高。通过自行设计的冲击液压成形物理模拟实验装置,对冲击液压成形的冲击传载特性及设备关键工艺参数进行了理论和实验研究。研究发现,该工艺同样适用于铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金等。

 

图27:(a)霍普金森拉杆实验装置;
(b)5A06高应变速率应力应变曲线;
(c)高应变速率拉伸和准静态拉伸延伸率对比

 

基于以上研究,双方合作研发了国内首台新型冲击液压成形专用设备。该设备采用专利技术的冲击动力发生源组合结构实现了大质量冲击体的高能高速驱动及控制,是该设备的核心专利技术。由于采用了液体这一柔性成形介质,成形零件具有良好的表面质量。通过室温高应变率成形,无需热处理即可提高材料在室温条件下的塑性。设备的最大冲击能量200kJ,最高冲击速度80m/s,具有适合于工业化应用的自动操作模式。该设备最大可用于500mm×500mm×3mm的铝、镁、钛等低塑性合金的板材成形,也可用于需要同等成形能量的管材成形、汽车板件成形、板材与管材的冲孔等工序。

 

图28:冲击液压成形实验装置及自主研发设备

 

课题组已经通过冲击液压成形技术成功实现了航空复杂薄壁口框零件的成形。该技术制造的口框零件具有更均匀的壁厚减薄率,更好的小圆角填充能力,并且能够有效地抑制回弹。与现有落锤生产技术相比,该技术将传统8道次以上的人工辅助制造过程改变为2道次的自动化生产过程,无需中间工艺热处理,提高了400%的生产效率。

 

图29:5A06复杂薄壁口框零件的落压成形和冲击液压成形对比

 

图30:冲击液压成形的2B06飞机板件,2道次,无中间热处理,无人工,冲孔成形同模具一次完成

 

合作双方还与白俄罗斯科学院和罗马尼亚克卢日-纳波利技术大学进行合作,相关研究成果已经在线发表在国际机械工程组织(The International Academy for Production Engineering,简称CIRP)的会刊CIRP Annals—Manufacturing Technology(DOI:10.1016@j.cirp.2018.04.024)上,并应邀在8月份东京举办的国际CIRP学术年会上作报告。CIRP是国际机械工程制造领域的核心权威专家组织,CIRP Annals是机械制造领域最权威的期刊(I F因子2.8以上)。该研究得到了中科院国际合作局、沈阳市科技局等重点研发项目的支持。

 

3.2 热气胀成形

 

为了提高轻质难变形管件及高强度管板材的成形效率,在传统超内高压成形、超塑性成形和热胀成形的基础上,美国韦恩州立大学的XinWu教授提出了热态金属气压成形技术(Hot Metal Gas Forming),主要工艺过程如图31所示:将经过预热的管材或者板材置于陶瓷模具中,合模密封之后,通过感应加热实现成形过程中对成形件的快速加热和保温,达到所需温度之后,通入一定大小的气体压力并配合管件轴向推力使材料膨胀成形,然后将工件取出,立即进行淬火处理,整个过程在10s左右完成。

 

图31:管材热气胀成形原理

 

哈尔滨工业大学开发建立了热气胀研究装置并进行相应的胀形实验,分析了温度对胀破压力、极限胀形率及变形后组织状态的影响。

 

图32:热气胀实验装置

 

该成形技术早起主要集中在轻质难变形合金的成形过程中,近些年来随着高强钢在汽车上用量的不断增加,热气胀成形装备不断发展进步,国外相关研究人员简历的高压气胀成形设备如图33所示。

 

图33:高压热成形装置原理图

 

通过高压气体增压器该设备最高可以获得理论80MPa气体压力,最高成形温度达1000℃,而且该装置可以实现对高强钢管材的快熟加热、快速成形及淬火处理。先用感应线圈将管材迅速加热到奥氏体化温度,保温一段时间之后,迅速转移到模具中,快速合模、密封、加压胀形、淬火、脱模冷却,胀形强化后挂彩局部强度可达1400~1600MPa。

 

此外,通过系统研究成形气体压力、模具温度及管材预热温度等成形参数对成形后的高强钢管材强化效果的影响,发现成形后零件表面的强化效果分布不均匀,需要整形的小圆角区域的强化效果更多取决于最大气体压力及压力加载速率而不是模具温度,然而胀形过程中先贴模部分的强化效果主要取决于模具的温度。

 

图34:成形模具结构及测试部件形状

 

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