前言：

  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。除了采用轻体材料外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。本文就此项技术的原理及在汽车领域的应用展开论述。

  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。

图1 有轴向进给的管件内高压成形

  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，主要用来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。机加工管材液压柔性成形

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，装备工序由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%。

  （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。以下就针对这些方面进行论述。

  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。

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。

    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7 汽车底盘零件(BMW)

  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8 汽车副车架(Schuler)

  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。

 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。

    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11 利用液压柔性成形胀接工艺生产的凸轮轴

  7 国内汽车领域的研究和应用情况

  国内用类似的方法加工三通管、波纹管等管件和自行车零件，但成形压力较低，工艺参数之间的优化控制也不严格，用管材液压柔性技术成形汽车领域的零件还是空白，未应用到实际生产中。北京航空航天大学在早期开展液压柔性成形的基础上，利用国家的资助，开始管材液压柔性理论、工艺和装备关键技术方面的研究，并研制出国内首台五轴管材液压柔性成形机，如图12 所示。该装备由多个单元组成，可以实现各种控制参数的优化匹配和严格控制，其主要参数有：（1）内压最高可达150Mpa，现正在安装400MPa 高压源；（2）侧推力最大1500kN；（ 3）可加工零件最大直径100mm，最大长度1000mm。

    图12 北航自行研制的管材液压柔性成形机

  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，因此可以减少模具，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。(e-works)