内高压成形技术在汽车轻量化中的应用

The Application of Internal High Pressure Forming in Automobile Lightweight

Liu Yuanyuan

（Shandong Transport Vocational College，Weifang 261206，China）

摘要： 内高压成形技术作为汽车轻量化的重要途径之一。本文简要介绍其国内外应用状况，并对该技术在典型的汽车零件中的应用做了详细介绍。

Abstract： Lightweight was one of the current trend in vehicle industry. The technology"s applications at home and aboard were introduced briefly； the application in typical automobile parts was introduced in detail in this paper.

关键词： 内高压成形 汽车 应用 轻量化

Key words： internal high pressure forming；vehicle；application；lightweight

中图分类号：U466 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0050-01

0引言

随着汽车工业的发展，汽车产量和保有量逐步增加给社会带来了3大问题——油耗、安全、环保。研究表明，若整车质量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；因此，汽车轻量化是降低油耗的有效解决途径，并已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题[1]。汽车轻量化除了采用轻质材料如铝合金、镁合金、钛合金和复合材料外，另一主要途径是在结构上采用“以空代实”，即对承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构取代实心结构，从而充分利用材料的强度和刚度的同时又能减轻重量，节约材料。内高压成形技术正是这种加工空心构件的先进工艺方法，适合制造空心变截面轻量化构件。内高压成形技术适用于制造汽车、航空、航天和管道等行业的沿构件轴线变化的圆形、矩形或异形截面空心构件[2]，如汽车的排气系统异型管件、非圆截面空心框架如副车架、仪表盘支架、车身框架（约占汽车总重量的11%~15%）和空心轴类件和复杂管件等。适用材料包括碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金及镍合金等，原则上适用于冷成形的材料均适用于内高压成形工艺。

1内高压成形技术的国内外应用现状

发达国家中美国克莱斯勒(Chrysler)，德国奔驰（Benz）等汽车的排气系统均采用内高压成形的排气管件。德国的DaimlerChrysler AG 汉堡（Hamburg）工厂1994年开始双层间隙排气歧管的内高压成形的研究工作，并于1995年开始正式投入生产，到1999年止，已采用此技术生产大约350万件排气管件。美国克莱斯勒汽车公司首先用内高压成形技术生产了仪表盘支梁。美国的通用汽车公司制造了副车架、散热器支架、下梁和车顶托梁等空心轻体件。福特(Ford)公司在底盘零件、车身框架、排气系统管件等应用了内高压技术。

哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心系统地开展了内高压成形机理、工艺、模具及设备的相关研究。不仅研究了成形极限、应力应变分布等工艺基础理论，还解决了预成形设计和壁厚控制、超高压建立及实时控制、高压稳定密封等工艺与设备的关键技术。目前，已经应用于汽车底盘零件和排气管、铝合金管件等的实际生产。北京科技大学苏岚等对T型管的内高压成形过程进行有限元模拟研究，对轴向载荷的作用以及最佳加载路径的形式进行深入探讨[3]。

2内高压成形技术在典型零件的应用

2.1 组合式凸轮轴发动机凸轮轴传统制造工艺是采用圆钢棒料（或楔横轧坯料）车削出凸轮外形或铸造出凸轮轴外形，然后经粗磨和精磨加工出成品。近年来，随着发动机结构的改进，凸轮轴润滑方式由浸油润滑改为中心孔通油到轴颈润滑。在实心轴上钻削细长中心孔十分困难、时间长、成本高。对于铸造凸轮轴，由于铸造组织偏析，性能不均匀，使细长中心孔钻削更加困难，经常发生钻偏或钻头卡断。可见，凸轮轴的传统制造工艺既耗费大量材料又浪费机加工时间，效率低成本高。提出了预先锻造或铸造加工出凸轮，然后用钢管通过超高压胀接装配成整轴的新方法，从根本上克服了传统制造工艺的缺点。

2.2 副车架上海大众引进的Passat B5轿车，其副车架首次釆用内高压成形技术。在引进初期，对同一个平台曾分别请两家公司设计出了两套方案：一套由Braunschweig公司设计，用钢板精冲后焊接的片状副车架方案；另一套由Benteler公司设计，用管材经内高压成形后焊接的管状副车架方案。经分析论证釆纳Benteler公司方案，主要原因是其制造工艺——内高压成形技术比精冲后焊接的技术含量高。从柱状图1可看出，管状副车架的生产具有人员少、场地小、材料利用率高和焊缝少的特点。焊缝少直接影响到焊接的热变形小，从而保证最终的装配精度。同时内高压一次成形复杂的加工表面，使管材经过均匀的连续塑变后冷作硬化，壁厚减薄程度一致，内、外表面连续、光滑地过渡，也能保证相当高的尺寸精度。空心的管材在变形过程中内部形成不间断的纤维组织，使整体的强度提高，结构强度的合理性增加。这一系列的优点正是内高压成形技术本身的突破性和先进性应用于副车架的生产时的体现。

2.3 汽车结构件图2为克莱斯勒300轿车仪表盘支架和底盘前桥的内高压成形件。仪表盘支架长度达1600mm，前桥管材直径则为76.3mm。这两个零件是首次采用中国研制的管材、工艺和设备、并通过实现国产化的批量生产得到的。

2.4 涡轮增压器管经内高压成形的铝制涡轮增压管，不仅重量轻，还可获得更高的强度及最佳流量特性。数个汽车零件可直接包括在内高压成形加工中，允许将较轻的基本结构件与复杂的和高应力功能元件结合在一起。

2.5 车身用内高压成形方法生产的零件经优化碰撞特性后重量更轻，刚性更强、更结实。就汽车车身而言，内高压成形方法主要用于车架的制造，如图3所示。

参考文献：

[1]林俊峰等．内高压成形技术在汽车工业中的应用．材料科学与工艺，2004，5.

[2]苑世剑，王忠仁．轻量化结构内高压成型技术．材料科学与工艺（增刊），1997，7.

[3]苏岚，王先进.T型管液压成形过程的有限元分析[J]．北京科技大学学报，2002，5.