充液成型與內高壓成型復合生產線研究

安徽江淮汽車股份有限公司 馬國禮 夏咪咪 王平 崔禮春

充液成型與內高壓成型復合生產線研究

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成型困難的輕質材料的拉延生產，內高壓成型主要用于管類件脹形及沖孔生產，上述兩種生產設備及工藝具備多個共同點，如高壓源、大噸位壓機、液體介質等。單獨生產線的建設費用高，利用其共同點，經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。該復合生產線能夠滿足前期小批量實驗生產，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)境污染成為人們關注的焦點。汽車作為常見污染源的一種，得到人們特別的關注，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)，努力實現汽車對環(huán)境污染的降低。其中輕量化技術的普遍應用，是解決這些問題的關鍵途徑。所謂輕量化，就是通過使用輕質材料、優(yōu)化結構設計等方法來達到減重目的一種先進制造技術。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材料；二是結構途徑，采用空心變截面、變厚度薄壁件等優(yōu)化結構。本文分別從這兩個方面入手，分析實現這兩種不同成型類型產品的復合型生產工藝和設備。

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，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，同時啟動液壓系統使液體保持一定的壓力，直到拉深結束，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，即板材充液拉深成型技術，由于流體壓力介質輔助成型，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、簡化模具結構、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.內高壓成型

內高壓成型是一種以管材為坯料，以油液為傳壓介質，在管材內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，管坯產生塑性變形，最終與模腔內壁貼合，使管坯成為具有三維形狀零件的現代塑性加工技術。內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。

內高壓成型工藝過程主要分為三大階段，如圖2所示。

圖2 內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推進補料，在內壓和軸向補料的聯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)域已經成型。

（3）整形階段(c)：提高內壓使過渡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、高壓液體介質等。目前國外大噸位充液成型裝備較為成熟，但核心技術嚴格保密，如圖3、圖4所示。

圖3 SPS公司生產的大型板式充液成型機

圖4 AP&T生產的同軸式板式充液成型機

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

圖5 550t、1050t和1600t國產板形件充液成型液壓機

2．內高壓成型

生產工藝流程如下：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)的管形件內高壓生產線應配置的基本設備有：割管機、彎管機、清洗機、內高壓成型機、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、高壓液體介質等，并按照設定的曲線控制內壓和軸向推力，如圖7所示。

圖6 內高壓成型生產線

圖7 10000T管材充液成型機及其所配置的超高壓源

3. 關鍵設備

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

表1 某5000T充液成型液壓機主要參數

內高壓成型機需提供給模具合模力，結構為單動，需求噸位一般為3500t以上，其參數和普通液壓機類似。

四、充液成型與內高壓成型比較分析

依據成型原理，兩種成型都以高壓液體為傳力介質，使材料根據模具的形狀貼合，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、清洗機等相關輔助設備。上述兩種生產線核心裝備為大噸位液壓機，在充液成型中需要壓機內滑塊提供主拉伸力，為雙動結構，內高壓成型時需要將內外滑塊鎖在一起即單動結構，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的成型工序。

根據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。同一條生產線既可以生產充液成型的板形件，又可以生產內高壓成型的管形件，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、復合生產線工藝布局

根據上述對兩種成型的對比分析，組成復合生產線是可行的，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、試驗，如需要大批量生產，投入專業(yè)生產線更為合理。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，關鍵節(jié)約點為主設備共用，故在工藝布局方面根據不同偏向有兩種不同的工藝布局，下面將分別進行敘述。

1. 以內高壓為主生產工藝

此工藝布局是偏向于內高壓成型，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 內高壓成型工藝布局圖

2. 以充液成型為主生產工藝

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、涂油等工序需生產線外完成。

圖9 板形件充液成型工藝布局圖

六、總結

兩種不同生產工藝，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工藝的自動化率，用線下手工生產滿足缺少部分工藝，從投資者角度考慮，使關鍵設備具有兩種生產模式，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能力。 □

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[4] 孟寶、萬敏、吳向東、袁勝、許旭東、劉杰《機械工程學報》2013年12月《板材充液拉深動態(tài)加載系統開發(fā)及應用》；

[5] 宋鵬 《哈爾濱工業(yè)大學》2010年《5A02鋁合金彎曲軸線超薄異型管內高壓成型研究》；

[6] 滕宏春《鍛壓技術》2008年02期《圓管受軸壓和充液內高壓成型極限的理論解析》；

[7] 趙德春、任再青《裝備制造技術》2006年03期《超高壓液壓系統的設計》；

[8] 劉鋼、韓聰、王小松、苑世劍《現代零部件》2011年第3期《內高壓成型技術與裝備》；

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[10] 苑世劍、何祝斌、劉鋼、王小松、韓聰《中國有色金屬學報》2011年10期《內高壓成形理論與技術的新發(fā)展》。

[11] 張帆、郎利輝、程鵬志、王韜、武海《鍛壓技術》2014年3月《異形截面構件多工序充液成形工藝及過程優(yōu)化》；

[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》。