鋼管液壓膨脹形技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

  在內(nèi)高壓成形的基礎(chǔ)研究、工藝與設(shè)備的開發(fā)、實(shí)際應(yīng)用等方面，歐美國家的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)走在了世界的前沿，代表著國際先進(jìn)水平，領(lǐng)導(dǎo)著液壓脹形技術(shù)的發(fā)展方向。目前，國外發(fā)達(dá)國家已建成和投產(chǎn)了眾多專業(yè)化的液壓脹形生產(chǎn)線，具有較大的生產(chǎn)規(guī)模。

   德國是最早將液壓脹形技術(shù)應(yīng)用到汽車工業(yè)的國家之一。教授運(yùn)用有限元模擬及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)做了大量的工作，運(yùn)用基本理論并且在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車零部件的可成形性、可生產(chǎn)性、摩擦性質(zhì)、模具表面質(zhì)量和磨損方面進(jìn)行了深入研究。在美國，由教授領(lǐng)導(dǎo)的美國俄亥俄州立大學(xué)的工程研究中心專門成立了內(nèi)高壓成形技術(shù)研究小組，并舉辦了三屆液壓成形技術(shù)會(huì)議，成立了管材液壓成形協(xié)會(huì)，向會(huì)員提供液壓成形方面的技術(shù)資料及最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，為內(nèi)高壓成形工藝的提高與普及做出了貢獻(xiàn)。福特汽車公司和國家鋼鐵公司等人通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)矩形截面零件的內(nèi)高壓成形進(jìn)行了分析，提出了在成形早期有益起皺的概念。日本的液壓成形技術(shù)發(fā)展也很快，不僅各大汽車公司（豐田汽車公司、日產(chǎn)汽車公司等）開始使用內(nèi)高壓成形技術(shù)生產(chǎn)汽車零件，各大煉鋼產(chǎn)(NKK鋼廠、新日鐵鋼廠、川崎制鐵所等)也對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了非常細(xì)致廣泛的研究，做了大量的實(shí)驗(yàn)，并研制出幾種內(nèi)高壓成形機(jī)。研究了硬化系數(shù)和各向異性對(duì)管材液壓成形過程的影響，推導(dǎo)出了最大內(nèi)壓力與初始管徑、初始壁厚、材料應(yīng)變硬化指數(shù)等材料參數(shù)在無軸向載荷作用下的函數(shù)關(guān)系。使用熱態(tài)液壓成形技術(shù)制造出了具有復(fù)雜截面形狀的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)托架并于2004年投入到了客車的生產(chǎn)中。

    在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)最早系統(tǒng)開展液力成形的單位之一，苑世劍l教授在液壓成形技術(shù)的成形理論、工藝、液壓控制和設(shè)備方面也做了大量工作，取得了許多成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)成立了液力成形工程研究中心，成功地研制了國內(nèi)首臺(tái)150MPa液壓成形機(jī)，填補(bǔ)了國內(nèi)管材液壓成形機(jī)的空白。燕山大學(xué)的趙長財(cái)教授采用塑性變形理論推導(dǎo)了薄壁直管液壓成形載荷變化曲線的計(jì)算公式；南京理工大學(xué)的樊黎霞、鄭再象等對(duì)管材液壓成形液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究：青島科技大學(xué)的田仲可對(duì)直管液壓成形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究：桂林電子科技大學(xué)的楊連發(fā)等對(duì)管材液壓成形中摩擦系數(shù)的測(cè)定方法進(jìn)行了研究：中國科學(xué)院金屬研究所張士宏課題組在液壓成形的工藝分析，實(shí)驗(yàn)、有限元模擬和設(shè)備開發(fā)方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

    基于先前研究的成果，內(nèi)高壓成形技術(shù)研究和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)包括：

    (1)超高壓成形。目前工業(yè)生產(chǎn)中使用的內(nèi)高壓成形機(jī)的增壓器最高壓力一般不會(huì)超過500MPa，為了適應(yīng)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀和高精度、更大壁厚和高強(qiáng)度材料（超高強(qiáng)鋼、鈦合金和高溫合金等），需要最高可能超過1000MPa的內(nèi)壓。超高壓成形帶來一系列相應(yīng)的問題需要解決，如超高壓管端移動(dòng)密封、超高壓下的摩擦行為、模具材料及超高壓液體控制精度等。

    (2)熱態(tài)內(nèi)壓成形。為了解決高性能鋁合金、鎂合金等輕合金材料室溫塑性低、成形困難的問題，采用加熱加壓介質(zhì)成形異型截面零件是內(nèi)高壓成形發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前，以耐熱油做為介質(zhì)的溫度可以達(dá)到300℃，壓力達(dá)到lOOMPa，完全能滿足鋁合金和鎂合金管材成形的需要。熱態(tài)內(nèi)壓成形的主要問題是成形時(shí)間長、效率低。對(duì)于鈦合金，需要溫度在600℃以上成形，目前的耐熱油達(dá)不到這個(gè)溫度，采用氣體做為成形介質(zhì)是一個(gè)很有前景的解決方案。

    (3)超高強(qiáng)度鋼成形。隨著汽車對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化需求的進(jìn)一步提高，車體上使用的鋼材強(qiáng)度越來越高，材料塑性降低，例如，鋼材強(qiáng)度由250MPa提高到1000MPa，塑性由45%降低到12%。材料塑性降低，使開裂傾向嚴(yán)重，成形難度增大，需對(duì)彎曲、預(yù)成形、內(nèi)高壓成形工藝、壁厚分布和潤滑等進(jìn)行深入研究。

    綜合以上關(guān)于內(nèi)高壓成形的文獻(xiàn)綜述以及發(fā)展趨勢(shì)分析可知，目前關(guān)于內(nèi)高壓成形變形過程中的力學(xué)模型構(gòu)建、成形機(jī)理研究、實(shí)際應(yīng)用等都得到了迅速的發(fā)展，研究和應(yīng)用成果也趨于系統(tǒng)化，而進(jìn)一步的發(fā)展則受到了管材材料在強(qiáng)度和塑性二者之間矛盾的限制，所以，研究開發(fā)兼具高強(qiáng)度和高塑性的原料管材成為了今后內(nèi)高壓成形技術(shù)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)。