板材液壓成形專利技術(shù)綜述

劉嬌姣 周 靜

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430070）

隨著成形設(shè)備及相關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展，以流體作傳力介質(zhì)的液壓成形技術(shù)在國(guó)外發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，并開(kāi)始在其他工業(yè)領(lǐng)域引起人們的重視，前景十分廣闊。我國(guó)液壓成形技術(shù)發(fā)展較晚，自我國(guó)江陰拖拉機(jī)廠采用這種方法生產(chǎn)出第一件產(chǎn)品—油底殼后，眾多大學(xué)也紛紛開(kāi)始理論研究并運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

本文通過(guò)對(duì)液壓成形相關(guān)專利文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以揭示板料液壓成形專利技術(shù)的現(xiàn)狀，為板料液壓成形技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 專利數(shù)據(jù)來(lái)源

板材液壓成形專利文獻(xiàn)樣本選自中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS）和德溫特世界專利庫(kù)（DWPI）。以專利申請(qǐng)時(shí)間為對(duì)象，從1965年開(kāi)始統(tǒng)計(jì)，至2014年為止。在中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用板材液壓成形的分類號(hào)B21D26/021，為了保證數(shù)據(jù)完整，也采用純關(guān)鍵詞檢索，總共獲得專利529篇，經(jīng)過(guò)篩選后選擇其中的172篇作為中文專利分析對(duì)象；在外文專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用B21D26/021分類號(hào)檢索并合并之后獲得525篇專利，經(jīng)過(guò)篩選后選擇其中的425篇并將其作為外文專利分析對(duì)象。

2 板材液壓成形國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)情況

2.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

圖1為板材液壓成形技術(shù)在華和全球申請(qǐng)量隨時(shí)間分布情況。在20世紀(jì)50年代，國(guó)外就提出了橡皮囊液壓成形技術(shù)，并進(jìn)行了專利申請(qǐng)，但是年申請(qǐng)量一直處于較低水平，隨著技術(shù)積累和研究的深入，從1990年開(kāi)始，液壓成形技術(shù)在國(guó)外申請(qǐng)量突飛猛進(jìn)，并且在長(zhǎng)達(dá)15年內(nèi)一直保持較高水平。

由于技術(shù)封閉，國(guó)內(nèi)一直到1987年左右才開(kāi)始對(duì)液壓成形技術(shù)進(jìn)行研究并申請(qǐng)專利，但是由于研究人員較少，也并未對(duì)這一新興技術(shù)產(chǎn)生重視，所以液壓成形技術(shù)并未得到太大突破。自2001年，隨著中國(guó)加入世界貿(mào)易組織，全民族的知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)得到提升，另一方面，大量國(guó)外先進(jìn)技術(shù)被引進(jìn)，出于保護(hù)本土民族企業(yè)的需要，也為了打破國(guó)外企業(yè)的技術(shù)壁壘，2002-2013年，板材液壓成形技術(shù)在中國(guó)的專利申請(qǐng)量出現(xiàn)了大幅度增長(zhǎng)，并在2010年之后幾年內(nèi)均超越了全球?qū)＠暾?qǐng)量［1］。

圖1 板材液壓成形申請(qǐng)量分布

2.2 國(guó)內(nèi)外重要申請(qǐng)人比較

2.2.1 國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人

如圖2所示，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量最高的申請(qǐng)人是哈爾濱工業(yè)大學(xué)，其次是福特環(huán)球技術(shù)公司和北京航空航天大學(xué)，可以看出國(guó)內(nèi)的液壓成形技術(shù)研究主要集中在高校。并且由于國(guó)外技術(shù)發(fā)展成熟，并且為了涉足中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)，很多國(guó)外公司紛紛來(lái)華申請(qǐng)，如福特環(huán)球技術(shù)公司，其從2008-2014年期間連續(xù)都有在華申請(qǐng)。然而，從申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，國(guó)內(nèi)公司申請(qǐng)量較少，表明液壓成形技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用并不多，這可能是由于技術(shù)掌握不夠成熟、設(shè)備制造難、成形精度差、未帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益等多方面原因造成的［2］。

圖2 國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人分布

隨著全球信息共享更加快捷，國(guó)內(nèi)高校能夠在前人研究的基礎(chǔ)上更加有的放矢地開(kāi)展研究，選擇更加適合國(guó)內(nèi)企業(yè)和行情的研究方向。高校的研究不僅有利于國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也對(duì)企業(yè)上的廣泛應(yīng)用提供重大的理論支持。

2.2.2 國(guó)外重要申請(qǐng)人

如圖3所示，國(guó)外申請(qǐng)中日本申請(qǐng)量占據(jù)了總申請(qǐng)量的50%，是排在第二位的德國(guó)申請(qǐng)量的三倍。如圖4所示，國(guó)外申請(qǐng)人中排名第一位的是日產(chǎn)汽車公司，排名前十位的申請(qǐng)人中有三個(gè)是日本公司，且前十位申請(qǐng)人主要來(lái)自于汽車公司以及航空航天領(lǐng)域，汽車車身復(fù)雜構(gòu)件以及航空航天零件成形工藝復(fù)雜，精度要求高，并且隨著汽車行業(yè)和航空航天領(lǐng)域占據(jù)市場(chǎng)份額越來(lái)越大，為了降低成本，大公司紛紛將液壓成形技術(shù)投入生產(chǎn)［3］。

如圖5所示，對(duì)比全球申請(qǐng)量和日本申請(qǐng)量，二者發(fā)展趨勢(shì)大致相當(dāng)，可見(jiàn)日本在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展首屈一指，其研究對(duì)全球整體申請(qǐng)量以及其他國(guó)家的申請(qǐng)數(shù)量和發(fā)展趨勢(shì)有著深遠(yuǎn)的影響，國(guó)內(nèi)企業(yè)可以對(duì)其研究重點(diǎn)加以借鑒。

圖3 液壓成形技術(shù)在全球申請(qǐng)量分布

圖4 國(guó)外重要申請(qǐng)人分布

圖5 全球申請(qǐng)量與日本申請(qǐng)量對(duì)比圖

3 板材液壓成形的主要應(yīng)用及代表專利

板材液壓成形技術(shù)分支較多，現(xiàn)對(duì)幾種典型專利進(jìn)行介紹。

3.1 板材對(duì)向液壓拉深技術(shù)

在板材液壓成形中，應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的是對(duì)向液壓拉深技術(shù)。其成型過(guò)程如下：首先將板材放置于凹模上，壓邊圈壓緊板材，使凹模型腔形成密封狀態(tài)。當(dāng)凸模下行進(jìn)入型腔時(shí)，型腔內(nèi)的液體由于受到壓縮而產(chǎn)生高壓，最終使毛坯緊緊貼向凸模而成形。

2006年7月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請(qǐng)的專利CN1903474A涉及一種可以提高板材零件成形極限所使用的加工裝置及加工方法，其針對(duì)高徑比大、成形極限高的復(fù)雜零件難于成形的問(wèn)題，加工方法依次包括向容腔內(nèi)注入流體介質(zhì)、放置板材坯料、施加壓邊力、控制凸模下行進(jìn)行加壓的過(guò)程，如圖6所示。使用該裝置及方法能進(jìn)一步提高板材零件成形極限，實(shí)現(xiàn)通過(guò)一道工序成形高徑比更大的復(fù)雜板材零件，從而提高效率及零件質(zhì)量，利于推廣應(yīng)用［4］。

圖6 專利CN1903474A附圖

3.2 板材成對(duì)液壓成形技術(shù)

板材成對(duì)液壓成形是德國(guó)20世紀(jì)90年代后期提出的一種板材成形新工藝。因成形液壓力較高，又稱為板材內(nèi)高壓成形，簡(jiǎn)稱HBU。板件成對(duì)液壓成形時(shí)，首先將疊放的兩塊平板毛坯放置在上下凹模中間，壓邊后充液預(yù)成形，邊緣切割，對(duì)邊緣采用激光焊接技術(shù)焊接。然后，在兩板間充入高壓液體，使其貼模成形，這種成形屬于內(nèi)高壓成形，適于成形腔體零件。

2011年11月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請(qǐng)了專利CN102357584A，涉及一種雙層板材成對(duì)脹形成形的方法，其將模具的法蘭區(qū)外圍加工后只保留內(nèi)圈較窄的凸臺(tái)；將板材疊放在模具間，設(shè)置好介質(zhì)通道；合模后，對(duì)板材施加壓邊力使板材密封；將壓力介質(zhì)通入板材間使板材發(fā)生脹形；成形后，釋放壓力介質(zhì)，得到零件。該發(fā)明的模具法蘭區(qū)與板材的直接接觸區(qū)域面積小，板材向模具型腔流動(dòng)阻力小，解決了現(xiàn)有的雙層板材成對(duì)脹形時(shí)法蘭區(qū)材料受到較大摩擦力，材料流動(dòng)困難的技術(shù)問(wèn)題。

圖7 專利CN102357584A附圖

3.3 多點(diǎn)無(wú)模沖壓拉深成形技術(shù)

模具成形方法生產(chǎn)效率高、加工件的精度高、適合大批量生產(chǎn)，多年來(lái)一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。但缺點(diǎn)是產(chǎn)品稍作改變后模具需要重新設(shè)計(jì)更換，隨之應(yīng)運(yùn)而生了一種板材多點(diǎn)無(wú)模成形機(jī)，即通過(guò)一系列由一個(gè)個(gè)小液壓缸獨(dú)立控制的、形狀可實(shí)時(shí)變化的離散單個(gè)點(diǎn)模來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具。它可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的構(gòu)想，節(jié)省模具制造時(shí)間和費(fèi)用，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，特別適用于大型板材的三維成形。

2008年8月，吉林大學(xué)的專利CN101342558A，采用分塊式多點(diǎn)調(diào)形裝置制備了具有三維曲面的板材。2012年6月，韓國(guó)申請(qǐng)的專利KR20130136803A采用多點(diǎn)無(wú)模液壓成形技術(shù)制備了外形復(fù)雜的汽車覆蓋件。

3.4 其他板材液壓成形創(chuàng)新技術(shù)

隨著板材液壓成形技術(shù)的飛速發(fā)展，為了滿足更多零件的制備需求，越來(lái)越多的其他成形技術(shù)被融入到板材液壓成形中，并且?guī)?lái)了很好的成形效果。1994年9月，瑞典ELECTROLUX AB公司申請(qǐng)的專利SE9403164A，采用激光加熱和液壓加壓的方式共同實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的成形，省去了模具的制造成本，同時(shí)也節(jié)省了板材的加熱時(shí)間。2010年11月，安徽工業(yè)大學(xué)申請(qǐng)的專利CN102139304A中，采用了點(diǎn)陣自阻電加熱板料溫?zé)岢湟豪畛尚畏椒?，通過(guò)變化凸緣各質(zhì)點(diǎn)溫度調(diào)整加熱點(diǎn)流動(dòng)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)凸緣上金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的不同步控制金屬流動(dòng)，達(dá)到提高板料極限拉深比的目的。

圖8 專利CN102139304A附圖

4 總結(jié)

近年來(lái)，隨著汽車、飛機(jī)、電子和環(huán)保行業(yè)的發(fā)展及減重等方面的要求，德國(guó)、日本和其他歐美、亞洲國(guó)家在汽車管類零件和板類零件的液壓成形方面取得了重大突破和廣泛應(yīng)用。

總體來(lái)看，我國(guó)液壓成形技術(shù)起步較晚，尤其是在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、專用設(shè)備研制方面。我國(guó)在研發(fā)方面已有了一定的基礎(chǔ)和人才條件，但是應(yīng)該多與發(fā)達(dá)國(guó)家交流，以縮小差距。

目前板材對(duì)向液壓拉深技術(shù)發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，且其在復(fù)雜、精密零件的制備方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)由于設(shè)備的原因而發(fā)展受限制，國(guó)內(nèi)的高校在這方面的研究要多于并且早于公司和企業(yè)，所以為了充分發(fā)展和利用這一先進(jìn)技術(shù)，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與高校之間的合作，以便更快地實(shí)現(xiàn)板材液壓成形的產(chǎn)業(yè)化。

［1］李濤，等.先進(jìn)板材液壓成形技術(shù)及其進(jìn)展［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2006（3）：17-20.

［2］Peter Mett.液壓成形的未來(lái)對(duì)內(nèi)高壓成形的新的工藝方法應(yīng)用可能性的展望［J］.現(xiàn)代金屬加工，2006（5）：72-75.

［3］譚晶，等.液壓成形技術(shù)的最新進(jìn)展［J］.鍛壓機(jī)械，2001（2）：32-34.

［4］直妍，等.液壓成形技術(shù)及其新進(jìn)展［J］.熱加工工藝，2004（12）：43-45.