管件液压成形技术及其在汽车零部件制造中的应用

生SHOP 产S现OL场UTION管件液压成形技术

及其在汽车零部件制造中的应用

摘要：管件液压成形技术是制造复杂空心薄壁整体结构件的先进塑性成形技术，具有成形精度高、生产柔性化、节材节能及降低成本等显著优点。本文主要阐述该技术的基本原理、成形工艺过程及相关设备、成形模具、主要特点、成形过程有限元仿真分析及其在汽车零部件制造领域的典型应用，并给出其发展趋势。

关键词：管件液压成形技术 汽车零部件 应用 中图分类号：TG394 文献标识码：B

吉林大学汽车工程学院 王习文 宗长富

浙江亚太机电股份有限公司 郭立书 施正堂 张 赫

1 引言

管件液压成形技术（简称THF，国内亦称内高压成形技术）最早由 Gray 等人[1]在 1940 年提出，并用该技术成功地制造出三通管件，之后逐渐在管道领域扩展，采用不高于 30 MPa 的低压制造各种三通管件和局部鼓包类零件。随着塑性成形理论、成形设备、模具设计制造、超高压产生、高压密封、计算机控制及新材料制备等高新技术的不断发展，上世纪90年代，德国率先将管件液压成形技术应用到汽车零部件制造领域，成形液压力达到 200~400 MPa，取得了良好规模效益。进入 21 世纪后，由于世界范围的能源紧张和环保问题的日益突出，汽车工业面临节能、减排的严峻挑战，汽车轻量化显得尤为重要，受到各汽车主机厂的重视。除采用

2013年第4期钛合金、镁合金、铝合金和复合材料等新型轻质材料外，轻量化的另一重要途径就是对承受弯曲或扭转载荷为主的结构件，采用空心变截面等强构件，满足减重、节材的要求，又不降低结构件本身的刚度和强度。管件液压成形技术正是生产空心轻体结构件的一种先进制造技术，吻合汽车轻量化的发展趋势，因此在汽车零部件制造领域得到广泛的应用。

2 管件液压成形技术

2.1 基本原理

管件液压成形技术是将预处理(端头倒角、去毛刺、弯管或弯管+预成形)过的定尺管材置于模具型腔内，往管件内注入高压液体的同时在管件两端进行加力补料，使管件在模具型腔约束下进行充模胀形，直至其外壁与模具型腔贴合，成形出各种形状的中空零

汽车工艺与材料 AT&M17生SHOP 产S现OL场UTION件。此技术非常适合于整体成形沿零件轴线连续变化的圆形、矩形或异形截面的各种复杂结构件，而且成形精度高。

管件液压成形技术的基本原理如图1，其过程如下。

a.将预处理过的定尺管材置于打开的模具型腔内，定好位置（图1a）。

b.模具在压机的作用下闭合，同时补料密封头向模具内腔移动，模具闭合时密封头正好移动到补料导向过渡位置并停留在该处（图1b）。

c.通过预填充回路向管件内注入低压乳化液，充满管件内腔和模具型腔的补料过渡段，排出空气，多余的乳化液经模具上的泄漏孔流到收集槽中（图1c)。

d.补料密封头向模具内腔移动，密封住管件两端，形成封闭内腔（图1d）。

e.经补料密封头的内孔向管件内注入高压乳化液，使管件在模具型腔约束下充模胀形，同时在管件两端施加轴向补料力，将管件端部材料推入模具型腔，补充膨胀所需材料，避免管件壁厚因膨胀而减薄（图1e）。

f.管件外壁与模具型腔贴合后，保压一段时间，使管件圆角较小的局部区域充分贴合模具，之后打开模具，退出密封头，排出乳化液，取出成形好的零件（图1f）。

2.2 成形工艺过程及相关设备

考虑原材料成本及成形件壁厚均匀性的控制，管件液压成形件的初始管坯一般采用板材焊接而成的焊管。对于轴线为曲线的复杂截面形状零件，从供应态板材到最终零件的完整管件液压成形工艺过程包括管坯准备、弯管及成形3个主要阶段（图2）。

管坯准备阶段是将供应态钢板经开卷校直、纵向切长条、卷制、高频直缝焊接、定尺切断、端头倒角制成液压成形零件所需直管坯的过程；弯管阶段是将定尺直管坯弯曲成零件大致形状，以便放入成形模具内，若材料弯管后形变硬化严重，会大幅增加后续成

图2 管件液压成形工艺过程图1 管件液压成形技术基本原理

形压力，影响零件成形质量，可在弯管后增加退火工序消除影响；成形阶段是将弯曲管坯成形为零件最终形状的过程，也是液压成形工艺的技术关键所在。一般而言，管坯准备阶段有专门的下料供应商或可直接向材料供应商定制定尺管坯，因此零件制造厂采用管件液压成形技术制造零部件时只需完成弯管和成形两个阶段。根据这两阶段的工艺，其相关设备布置如图3，主要有数控弯管机(带上料和焊缝检测装置)、预成形压机、涂油机、管件液压成形机、端头切割机(激光或等离子切割)、清洗烘干机等，其中管件液压成形机是关键设备，也是最贵重的设备。

管件液压成形机的基本结构如图4，主要由合模液压机、水压系统及将这两者有机结合在一起的控制系统3部分组成。合模液压机提供成形所需的锁模力，水压系统提供补料液压推力，预填充、液压成形乳化液及管件成形的内部胀形压力。水平补料缸固定在模具上，模具的管路接口与水压系统相应接口连接后即构成补料回路、预填充回路和高压成形回路。

目前，国内外使用的管件液压成形机多数由欧

2013年第4期18汽车工艺与材料 AT&M生SHOP 产S现OL场UTION洲、北美和日本的设备制造商提供，如德国的 AWS Sch?fer、Müeller Weingarten (兼并了原 Schuler 公司)、瑞典的 AP&T、美国的 ITC、日本的川崎油工等。哈尔滨工业大学、南京理工大学、无锡纽普兰公司也在最近几年制造出不同吨位的管件液压成形机，正逐步应用到生产一线，取代进口。

截面周长有变化，只需液压成形模具即可；多通管类(如T型三通、Y型三通、U形三通、X型四通及五通以上管件)零件，根据轴线的弯曲程度，有的只需液压成形模具，有的需要弯管模具和液压成形模具；弯曲轴线且外形复杂的零件(如发动机托架Ω形梁)，则需要弯管、预成形和液压成形模具。

管件液压成形模具的基本结构如图5a，主要由模具固定板、上模块、下模块、轴向补料缸、补料缸固定板、密封头及导向定位等辅助结构组成。模具的上、下模块根据不同的工作条件和加工的难易程度，采用不同材料以镶块模式组成管件成形的完整型腔。如导向过渡区，因管件与模具间相对滑动速度大，易摩擦磨损，需采用较硬的材料，而承受充模胀形的内

图3 管件液压成形技术相关设备

腔，摩擦很小，可采用普通材料，这种镶

块结构，容易修复、更换损坏的部分，有利于提高模具的使用寿命。模具固定板、轴向补料缸、补料缸固定板、导向定位装置等为通用结构，可以根据成形零件的具体情况选用。对于有定位孔、电泳孔等各种孔型的零件，可在模具的上、下模块布置多个冲孔缸，在管件液压成形的保压校准阶段直接冲出（图5b）。2.4 主要特点

管件液压成形技术的主要特点就是一次整体成形，因此特别适合制造沿轴线截面变化复杂的空心结构件、轴类件及管件等。与此类零件传统生产方法冲焊组合工艺、铸造或锻造后机械加工工艺比较，管件液压成形工艺有以下优点[2]。

（1）减轻质量，节约材料。相比铸、锻后机械加工的空心轴类零件，可减重 40%压组焊类空心构件，可减重 20%

50%；相比冲

30%。

图4 管件液压成形机及其水压系统

（2）提高零件质量。管件液压成形为大变形塑性成形，成形产生的加工硬化提高了零件的强度、刚度及疲劳强度。如采用管件液压成形的散热器支架，其垂直方向提高约 30%

40%，水平方向提高约 40%

2.3 成形模具

根据零件外形的复杂程度，完成管件液压成形工艺需要不同的模具组合：变径管类零件，轴线为二维简单曲线(稍微弯曲或直线)，管件上有一处或几处的

2013年第4期50%，另外成品零件的壁厚均匀、外形精度和尺寸精

汽车工艺与材料 AT&M19生SHOP 产S现OL场UTION2.5 成形过程的有限元仿真分析

管件液压成形属于非线性大位移塑性变形，采用普通的物理试验方法获取工艺及模具等相关参数费时费力，而且得不到准确的结果，因此常用计算机数值模拟方法来仿真管件弯曲、预成形及液压成形的全过程。先根据经验数据设定各种工艺参数及加载条件，仿真管件成形过程中的应力应变分布、壁厚变化、管件外壁与模具型腔的贴合状态、管件

（a）管件液压成形模具基本结构

材料的成形极限等，进而选择合理的仿真结果进行物理试验，确定出合适的管件材料、最佳压力加载曲线、补料进给曲线、摩擦因数及模具圆角等工艺参数，并避免成形过程中出现屈曲、起皱、破裂等成形缺陷，保证零件的成形质量。

常用的管件液压成形有限元仿真软件有 Pam-Tube、Ls-Dyna、Dynaform、Autoform 等[3]，有许多应用它们进行成功分析的文献报道[4-8]。图6a

（b）带模内冲孔的管件液压成形模具

图5 管件液压成形模具结构

为用 Pam-Tube 所作的弯管成形分析，图6b为用 Autoform 所作的液压成形分析。实践表明，仿真分析的结果对生产实际起到了很好的指导作用。

度较高，零件的整体质量得到大幅提升。

（3）减少零件和模具数量。传统冲压工艺需要多套模具才能成形出零件，而管件液压成形通常只需一套模具。如美国福特公司生产的 Mondeo 车型，采用管件液压成形技术后，其后副车架的主体件由原先 6 个冲压件组焊而变为 1 个整体零件，模具也从 32 套减少为 3 套。

（4）减少后续组焊及装配工作量，简化工艺流程，提高生产效率。由于管件液压成形为整体成形，大幅减少复杂部件的零件数量，自然减少了后续工作量。仍以前述散热器支架为例，焊点从 174 个减少为 20 个，装配工序由 13 道减为 6 道。

（5）降低生产成本。根据对已应用零件的统计分析，管件液压成形件与冲压组焊件相比，生产成本平均降低 15%

20%，模具成本节约 20%

30%。

（a）基于Pam-Tube的弯管成形分析

（6）零件结构及形状设计可以更加灵活。管件液压成形零件的轴线及截面形状，可以随整车布置的需要进行优化设计，使布置更加紧凑。

（b）基于AutoForm的管件液压成形分析

图6 管件液压成形的有限元分析

2013年第4期20汽车工艺与材料 AT&M生SHOP 产S现OL场UTION3 在汽车零部件中的典型应用

管件液压成形技术自应用到汽车零部件的生产后得到了快速发展，目前已成为欧、美、日、韩等汽车技术先进国家零部件制造的主流技术之一。BMW、AUDI、VW、OPEL、VOLVO、GM、FORD、CHRYSLER、HONDA、TOYOTA、HYUNDAI 等主机厂推出的中高档车型上均有管件液压成形件，国内的合资厂如一汽-大众、上海大众等也应用了管件液压成形件，并逐渐向自主品牌车型推广，如一汽轿车的奔腾系列、上海汽车的荣威系列等。

根据目前各汽车主机厂车型应用情况的统计，管件液压成形技术制造的典型汽车零部件有底盘悬架系统零件、车身结构件、发动机系统零件及支撑框架类零件4大类。

（1）底盘悬架系统零件：前后副车架、发动机托架、前后桥、驱动桥壳、保险杠、梯形臂、牵引杠、控制臂、横向稳定杆、从动连杆、转向管柱等。

（2）车身结构件：A柱、B柱、C柱、车顶横梁、车顶纵梁、车身纵梁、挡风玻璃支架、后座纵梁、门槛梁、后边梁等。

（3）发动机系统零件：进气歧管、排气歧管、凸轮轴、曲轴、三元催化转化器等。

（4）支撑框架类零件：仪表板支架、散热器支架、座椅框架等。

析的基础上，结合物理试验对管件液压成形的变形理论进行研究，进一步明确条件参数对管件液压变形行为的影响，如管件内部胀形压力与轴向进给的合理匹配关系，管件变形失稳准则[9,10]，变形过程中应力应变分布，管件壁厚变薄规律分析[11]等。

（2）新材料工艺开发：管件液压成形产品常用材料一般为碳钢、不锈钢、合金钢及铝、铜、镍、钛等的合金，随着车用镁合金、复合材料等新型轻质材料的出现，也需要开发出相应的管件液压成形工艺[12]。

（3）液压成形设备研制：需要适应各种汽车零部件的类型，开发出系列性的低成本管件液压成形机，根据零件的类型提供不同的锁模力，并有高的合分模速度、预填充速度和成形速度，以缩短节拍，而且设备更加柔性化、模块化、智能化。

（4）模具设计与制造：继续向三维化方向发展，利用有限元软件对产品的三维数模进行分析，给出合理的模具参数后，用三维 CAD 软件设计出 3D 模具数模，直接对模具数模型面数控编程后送数控设备加工。

（5）超高压产生及控制：发展低成本的高压增压器，为成形提供更高的液体压力，同时提高内压和补料进给位移的控制精度，尽量接近曲线加载。目前的内压控制精度可达到0.5 MPa，位移控制精度为0.05 mm 左右。

（6）成形工艺创新：从一般的直缝焊管液压成形扩展到锥形管[13]、激光拼焊管[14]及双层管[15]的液压成形，同时为提高塑性差的材料，如镁合金、复合材料等的成形性能，压力介质由常温的乳化液扩展到热态气体或液压介质[16]。

（7）虚拟仿真分析：在管件液压成形产品的开发阶段就运用数值模拟软件对产品的外形轮廓、截面形状、材料性能等参数进行分析，对产品的工艺参数、模具参数优化，为生产出合格的产品提供理论依据。

4 管件液压成形技术的发展趋势

管件液压成形技术涵盖塑性加工理论研究、新型材料工艺开发、液压成形设备研制、模具设计与制造、超高压产生、机电液一体化控制、成形工艺创新及虚拟仿真分析等多方面的内容。影响零件最终成形质量的因素较多，许多关键技术难题的解决，有待于这些方面的进一步发展。根据管件液压成形技术的现状及其在汽车零部件制造中的应用情况，上述各方面的发展趋势可概括如下。

（1）塑性变形理论研究：在计算机虚拟仿真分

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第十五届上海国际汽车工业展览会4月21日开幕第十五届上海国际汽车工业展览会将于4月21日至29日在上海新国际博览中心举行。本届展会以“创新-美好生活”为主题，不仅集中展示世界汽车的最新发展成果，也将演绎现代汽车注重科技环保带给人类社会的美好生活方式。 2013上海车展由中国汽车工业协会、中国国际贸易促进委员会上海市分会、中国国际贸易促进委员会汽车行业分会主办，上海市国际展览有限公司、德国慕尼黑国际博览集团/IMAG国际展览会与交易会有限公司承办，特别支持单位为中国机械工业联合会，支持单位为中国汽车工程学会。 根据展期安排，4月20日为媒体日，对海内外新闻媒体开放，4月21日至22日为专业观众日，4月23日至29日为公众日。预计车展期间观众人数将达到80万人次。本届车展总面积超过28万平方米，启用上海新国际博览中心全部17个室内展馆（2011年为13个）以及室外临时展馆，其中乘用车13个馆（W1-W5、E1-E7、N1）,比上届增加2个馆；商用车展区为N2馆一半及部分室外展区；汽车零部件展区为N2馆一半、N3、N4、N5馆以及室外20个临时展馆。此外，室外还设立了媒体参展区和新闻中心、餐饮区、休息室、医务室等功能区和服务区。本届展览自主品牌、合资品牌和国外品牌齐聚，盛况空前，来自18个国家和地区近2000家厂商参展，展出整车约1300辆。全球首发车111辆，其中跨国公司28辆；亚洲首发车49辆；概念车69辆，其中跨国公司50辆，国内公司19辆；新能源车91辆，其中跨国公司56辆，国内公司35辆。 22汽车工艺与材料 AT&M2013年第4期

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第十五届上海国际汽车工业展览会4月21日开幕第十五届上海国际汽车工业展览会将于4月21日至29日在上海新国际博览中心举行。本届展会以“创新-美好生活”为主题，不仅集中展示世界汽车的最新发展成果，也将演绎现代汽车注重科技环保带给人类社会的美好生活方式。 2013上海车展由中国汽车工业协会、中国国际贸易促进委员会上海市分会、中国国际贸易促进委员会汽车行业分会主办，上海市国际展览有限公司、德国慕尼黑国际博览集团/IMAG国际展览会与交易会有限公司承办，特别支持单位为中国机械工业联合会，支持单位为中国汽车工程学会。 根据展期安排，4月20日为媒体日，对海内外新闻媒体开放，4月21日至22日为专业观众日，4月23日至29日为公众日。预计车展期间观众人数将达到80万人次。本届车展总面积超过28万平方米，启用上海新国际博览中心全部17个室内展馆（2011年为13个）以及室外临时展馆，其中乘用车13个馆（W1-W5、E1-E7、N1）,比上届增加2个馆；商用车展区为N2馆一半及部分室外展区；汽车零部件展区为N2馆一半、N3、N4、N5馆以及室外20个临时展馆。此外，室外还设立了媒体参展区和新闻中心、餐饮区、休息室、医务室等功能区和服务区。本届展览自主品牌、合资品牌和国外品牌齐聚，盛况空前，来自18个国家和地区近2000家厂商参展，展出整车约1300辆。全球首发车111辆，其中跨国公司28辆；亚洲首发车49辆；概念车69辆，其中跨国公司50辆，国内公司19辆；新能源车91辆，其中跨国公司56辆，国内公司35辆。 22汽车工艺与材料 AT&M2013年第4期

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