第五章 胀形与翻边

（5） 降低生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析， 管材液压柔性件比冲压件平均降低15~20%，模具费用降低 20~30%。
（6） 成形零件的精度提高。成形零件的尺寸精度从原来的IT14 提高到IT10。管材液压柔性成形适用于制造航空、航天和汽车 领域的各种异形的空心构件，在汽车领域，德国处于世界研究 的最前沿。德国于70 年代末开始管材液压柔性成形基础研究， 并于90 年代初率先开始在工业生产中采用管材液压柔性成形技 术制造汽车轻体构件。德国奔驰汽车公司（DAIMLERBENZ） 于1993 年建立其管材液压柔性成形车间；宝马公司(BMW)已在 其几个车型上应用了管材液压柔性成形的零件。目前在汽车上 应用有：排气系统；底盘构件；车身框架、座椅框架及散热器 支架；凸轮轴等。
图10 管材液压柔性成形的汽车车身框架
6、凸轮轴
利用管材液压柔性成形胀接工艺可以用来实现零件之间的 联接，如图11 为利用此种工艺生产的汽车发动机的凸轮轴。 首先利用粉末冶金的方法生产出单个的凸轮，然后把多个这 样的凸轮预安装在一根管坯上，在管坯内部通以一定的高压 液体，管坯局部经过了塑性变形，在凸轮的两侧超出了凸轮 的宽度，约束了凸轮的轴向位移，并且，由于管坯内压的作 用，凸轮也产生了一定的弹性变形，当内压撤消后，凸轮回 弹，会在凸轮与管坯之间产生一种紧密的结合力，这种结合 力防止了凸轮相对于管坯的转动。与传统凸轮轴生产工艺相 比，由于此种工艺的凸轮与心轴为胀接，可以采用不同的材 料，在相同扭距的情况下，零件总体重量也降低，特别是对 于一些中心需要钻孔的零件更有优势。
图7 汽车底盘零件(BMW)
图8 汽车副车架(Schuler)
一般来说，在底盘零件上采用的管坯尺寸为直径75~85mm， 壁厚为2~3mm，最终成形零件的长度在1200 到1400mm 之间， 截面的最大膨胀程度在25%到35%之间。生产此类零件时， 要优化所用管坯的原始参数，如外径、壁厚和材料及其性能 参数等，还要确定合适的工艺参数，如果在管材液压柔性成 形时管端部需要较大的膨胀量，则还需要考虑管端部的进给。 如图8 所示为管端部需要较大膨胀量的汽车底盘零件：副车 架，此件所采用管坯外径是69.9mm，壁厚为2.5mm，传统冲 压焊接工艺成形需6 个零件，而内高压成形仅需要一个零件， 重量节省了34%。
图6 具有复杂空间尺寸的汽车排气管件(SPS)
4、管材液压柔性成形技术在汽车底盘上的应用
用管材液压柔性成形技术来生产汽车底盘部件有很多的 优点，如安装空间的充分利用、零件具有复杂的空间结构、 底盘零件的高强度等。利用管材液压柔性成形技术可以获 得刚度很高的轿车结构和高刚性的底盘，这使得操纵汽车 变得更安静、更灵活。生产此类零件，一般有以下几个工 艺步骤：管坯的制造，管坯的预弯以及通过液压柔性成形， 得到零件的最终形状，在必要的情况下，还需进行激光切 割或端部加工等工序。图7为利用管材液压柔性成形的各种 汽车底盘零件的集成。
图11 利用液压柔性成形胀接工艺生产的凸轮轴
8、结论及应用研究展望
减轻结构重量以节约材料和运行中的能量是现代先进制造 技术发展的趋势之一。液压柔性成形是适应这种趋势提出来的 一种制造空心轻体的新工艺。液压柔性成形件具有诸多的优点， 可以减少模具，降低生产成本，缩短加工周期。可以用于制造 汽车、航空、航天等行业中使用的各类轻体构件。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，采用空心轻体件在轿车总重量的比例已从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。 因此美国有关大学，研究机构和公司十分重视液压柔性成形技 术，已于几年前开始着手研究开发，近年来加大研究开发的力 度。如美国三大汽车公司和十大钢铁公司成立“汽车与钢铁液 力成形工业资源组织 （Auto/SteelPartnershipHydroformingIndustryResourceGroup ）”。 据一项调查表明，估计到2010 年北美生产的典型车型中将有 50%零件采用液压柔性成形技术制造
§5.1 胀形
一、胀形成形特点（续）
变形区各点厚度减薄（εt<0），强 度下降，一旦变形区某点的拉应力 超过该点强度，发生破裂。因强度 不足而引起的破裂叫做α破裂。
图1 有轴向进给的管件内高压成形
图2 无轴向进给的管件液压柔性成形
2、管件液压柔性成形优点及应用范围 用管材液压柔性成形可以一次成形出沿着构件的轴线
截面不同的复杂零件，这是管材液压柔性成形的主要优点。 另外，与传统的冲压焊接工艺相比，管件液压柔性成形的 主要优点还有以下几个方面。 （1） 减轻重量节约材料。对于图3 空心轴类可以减轻 40~50%，节约材料可达75%。汽车上部分采用冲压工艺与 管材液压柔性成形的产品结构重量对比如表1。
软模胀形法
液压胀形法
起伏成形
自行车多通接头
自行车多通接头 软模胀形 1、4-凸模压柱； 2-分块凹模；3-模套
进入90 年代，由于燃料和原材料成本的原因及环保法规对 废气排放的严格限制，使汽车结构的轻量化显得日益重要。除 了采用轻体材料如铝合金和镁合金等，减轻重量的另一个重要 的途径就是在结构上采用以空代实和变截面等结构件，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。管件的 液压柔性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。此项技术在德国、美国等发达国家已 得到广泛的研究和应用。尤其是在汽车领域的应用，主要用来 生产排气系统零件、底盘、框架结构和凸轮轴等。其成形内压 力一般为200 到400Mpa，对于较特殊的零件，其成形内压力有 时可以达到1000Mpa，这根据所加工材料的屈服强度、塑性、 管厚和要求的胀形量以及零件的最终形状要求（如圆角半径、 胀形量、允许减薄量等）而定。
§5.1 胀形
一、胀形成形特点
胀形的特点是： 1 、胀形时，板料的塑性变形区仅局限于一个固定的变形
范围内，板料不向变形区外转移，也不从变形区外进入变形 区。
2 、胀形时板料在板面方向处于双向受拉的应力状态，所 以胀形时工件一般都是要变薄。因此在考虑胀形工艺时，主 要应防止材料受拉而胀裂。
3 、胀形的极限变形程度，主要取决于材料的塑性。材料 塑性越好，延伸率越大，则胀形的极限变形程度越大。
图9 是现今世界汽车行业中应用的最大管材液压柔性成形件： 汽车纵梁，此件是在通用汽车公司开发的专用管材液压柔性成 形机上制造的。该件的原始管坯外径为152.4mm，壁厚为2.0mm， 长度为4876.8mm，而过去采用的方法是采用14个冲压件焊接或 铆接在一起而成的。现采用管材液压柔性成形件降低了造价和 减轻了重量，并且空间结构尺寸愈加紧凑。
3、管材液压柔性成形技术在汽车排气系统上的应用
管材液压柔性成形技术过去主要用来研究生产一些简单的 零件如直壁枝杈管等，距今已有30 年的历史。现今汽车的零 件生产主要是一些枝杈管，但与过去生产的直壁枝杈管有所 不同，形状和成形工艺要更为复杂一些。图4 为典型的排气 系统三通管。在管材液压柔性成形过程中可以较精确地控制 零件的尺寸精度，故可以很方便地在后续工序中与其它零件 进行装配。如今，这些工件已在奔驰公司批量生产，用来取 代传统的铸造生产或用两个半壳焊在一起的生产方式。与传 统的生产工艺相比，利用管材液压柔性成形的方式节约了 70%的生产时间，与铸造生产方式相比，大约节约了40%的 重量。
§5.1 胀形
一、胀形成形特点（续）
应变分布图是冲压成形时零件上各点或局部各点的应变分 布情况图，应变状态图是零件上各点或局部各点的应变在二维 主应变平面上的分布状况图。成形方式、工艺条件和材料性能 的改变，都会引起应变分布图和应变状态图发生变化。利用应 变分布图和应变状态图可以分析冲压变形区的应变情况，寻求 改善板料塑性流动的措施，以解决冲压成形时的各种失稳问题。 将胀形时的应变状态图与板料的成形极限图（FLD）对比，若 零件上某点的应变量超出成形极限图的应变范围，该点就是发 生破裂的危险点，必须采取措施（如改变毛坯或模具的几何条 件、调整压边力、修磨圆角、改变润滑或更换原材料等）降低 该点应变量，以保证不发生破裂。
第五章 胀形与翻边
§5.1 胀形 §5.2 圆孔翻边
§5.1 胀形
利用模具强迫板料厚度减薄和表面积增大，以 获取零件几何形状的冲压加工方法叫做胀形。
胀形的方法有： 1 、钢模胀形法 2 、软模胀形法 3 、液压胀形法
冲压生产中的起伏成形、圆柱形空心毛坯的凸胀成形、 波纹管的成形及飞机蒙皮张拉成形等均属于胀形成形。汽 车覆盖件等形状比较复杂的零件成形也常常包含胀形成分。
图3 阶梯轴
表1 汽车上部分冲压件与管材液压柔性成形件的重量对比
（2） 减少零件和模具数量，降低模具费用。液压柔性成 形件通常仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套模具。 副车架的组成零件由6个减少到1个；散热器支架的组成零 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，装配工 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。仍以散热器支架强度 为例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。
图4 用于汽车排气系统的Y 形三通管件(SPS)
图5是汽车上采用的一种接触反应转换器，由一对圆锥体形 成。利用管材液压柔性技术成形后，再从中间剖开，从而形 成两个零件。利用管材液压柔性成形技术可以获得100%的膨胀 量。
图5 一次成形的双锥体零件（SPS）
在汽车排气系统中，还有一类零件，就是符合气体动力学 原理和具有消音功能的复杂的空间构件。传统的生产工艺一 般是先冲压后焊接再一起，这就影响了零件的总体装配精度， 零件的功能也将受到影响。而利用管材液压柔性成形就消除 了这种缺陷的产生，一次生产出合格的零件，如图6所示，为 管材液压柔性成形生产的一种典型的零件。
在汽车零件的加工中，根据有无轴向进给，可以把管件液 压柔性成形分为两类，一类为有轴向进给，如图1 所示，主要 用来成形壁厚均匀或较大成形量的零件；另一类为无轴向进给， 主要用在零件的整形和多个零件的胀接如中空凸轮轴的生产等， 对于轴线为曲线的零件，还需要把管坯预弯成接近零件形状， 然后加压成形, 如图2 所示。
图9 管材液压柔性成形的汽车纵梁(GM)
5、管材液压柔性成形技术在汽车车身框架的应用
在汽车工业，结构零件占车身总重的很大一部分，为减 轻车身的重量，可以采用两种途径：一种是采用新型的轻质 材料，另一种就是减少零件的重量。而利用管材液压柔性成 形技术成形开创了一个减重的新领域：结构零件的生产。与 传统的结构部件生产工艺相比，管材液压柔性成形具有以下 优点：高度整体化（即零件数量的减少），复杂空间结构， 零件刚度好，空间利用率高，尺寸精度高。图10 为汽车车 身框架的集成图，其中主要有车顶纵梁，其原始管坯为低碳 钢，管坯的外径为69.9mm，厚度为2.0mm，全部工艺过程 包括弯曲、液压柔性成形、冲裁和切边等，并且为了提高生 产率，左右零件同时用管材液压柔性成形的方法生产，然后 在下道工序中切开。
4 、胀形时，材料处于双向拉应力状态，在一般情况下， 变形区的工件不会产生失稳起皱现象。胀形成形的工件表面 光滑、回弹小，质量好。
§5.1 胀形
一、胀形成形特点（续）
图5-1 纯胀形成形
图5-2 胀形时的应力和应变
§5.1 胀形
一、胀形成形特点（续）
a）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
b）
图5-3 胀形时的应变分布与应变状态图 a）应变分布图 b）应变状态图
1、管件液压柔性成形技术原理及其分类
液压柔性成形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，如图1 所示。其基本工艺过程 为：首先将管坯1放在下模2内，然后闭合上模3，将管的两端 用水平冲头4和5密封，并使管坯内充满液体。在加压胀形的 过程中，两端的冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴力 的联合作用下使管坯贴靠模具而成形为所需的工件。