管材成形技術及其在汽車上的應用

文／謝文才·一汽解放汽車有限公司

管材成形技術

制管

焊管加工流程包括：鋼卷(或板)剪切、成形、焊接、探傷、校直、切斷、包裝等，如圖1 所示。成形工藝的不同，焊接工藝也不同。高頻焊接適用于直縫焊管，尺寸精度好、價格低、生產效率高，優良的綜合機械性能；激光焊管設備昂貴，用于大批量自動化生產，接頭性能好。常見成形工藝及焊接工藝見表1。

圖1 焊管加工流程

表1 不同成形工藝使用的焊接方式

彎曲

繞彎成形是指管坯被夾模和壓模壓靠在可繞軸心轉動的彎管模上，夾模可在與彎管模軸心具有固定半徑的圓弧軌道上轉動，帶動管坯在徑向壓力和壓模切向摩擦力作用下與彎管模一起旋轉實現彎曲成形。圖2 為彎管原理圖，圖3 為彎管設備。

圖2 彎管原理示意圖

圖3 彎管設備

脹形

⑴內高壓成形。成形工序為：合模→充液→高壓脹形。成形原理見圖4。

圖4 內高壓成形原理

⑵低內壓成形。其原理為：管坯內填充液體介質作為支撐內壓和傳力介質，通過壓力機閉合模具產生的機械力和管內液體壓力的共同作用來實現管材的塑性變形，如圖5 所示。

圖5 低內壓成形

⑶熱氣脹。其原理為：將硼鋼管加熱到奧氏體化溫度，然后快速放到模具內，同時在管腔內通入高壓氣體，使鋼管在模具內實現熱氣脹成形+淬火，如圖6 所示。

圖6 熱氣脹成形原理

管端成形

管端成形過程為：上模具隨壓機滑塊下行，下模滑塊在上模斜楔的作用下向管腔運動，同時芯子也隨下模滑塊向管腔運動，直至全部進入到管腔內；壓機滑塊繼續下行，此時下模滑塊已經停止運動，上凹模與鋼管接觸，并使鋼管發生塑性變形直至與下凹模具接觸，鋼管成形完畢，同時壓機滑塊運動到下死點；壓機滑塊向上運動，上下模具分離，下模具滑塊帶動芯子從鋼管中退出，完成一個工作循環。管端成形模具設計見圖7，成形管件見圖8。

圖7 管端成形模具設計

圖8 管端成形管件

管端修邊沖孔

浮動凹模安裝在滑塊上，浮動凹模隨滑塊一起運動，伸進管子型腔內部，停止不動；上模修邊凸模向下運動，先將上側圓弧修掉，廢料與凸模一起向下運動，接觸到固定凹模時，再將下側圓弧修掉，與此同時沖孔凸模將圓孔沖出；然后，浮動凹模隨滑塊一起從彎管型腔內退出。管端修邊沖孔模具見圖9，成形管件見圖10。

圖9 管端修邊沖孔模具

圖10 管端修邊沖孔成形管件

管材成形技術在乘用車上的應用

底盤零件

⑴前副車架主體結構為管材內高壓成形，形狀多為“Ω”形或“U”形，材料多為普通的高強鋼，強度級別在440MPa 左右，厚度在1.8 ～2.5mm。一般成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形→管端成形。幾種常見前副車架總成見圖11。

圖11 兩種前副車架總成

⑵B 級車后副車架邊梁、橫梁為管材內高壓成形，形狀多為“井”字形或“π”字形，材料多為普通的高強鋼，強度級別在440MPa 左右，厚度在1.8 ～2.5mm。一般成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形→切開(可選)→管端成形。幾種B 級車后副車架見圖12。

圖12 幾種B 級車后副車架

⑶A 級車后扭力梁橫梁、縱臂多為管材內高壓成形，材料多為先進高強鋼，強度級別在780MPa左右，厚度在3.0 ～4.0mm。一般橫梁成形工藝為：預成形→內高壓成形→管端成形；縱臂成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形→切開(可選)→管端成形。幾種A 級車后軸見圖13。

圖13 幾種A 級車后軸

車身零件

⑴車身地板縱梁，在某些高性能跑車上采用整體式或分段式內高壓成形結構(圖14)，材料為普通的高強鋼或6000 系列鋁合金。縱梁成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形。

圖14 車身地板縱梁采用整體式或分段式內高壓成形結構

⑵車身地板保險杠總成吸能盒(圖15)采用管材內高壓成形工藝，材料多為普通高強鋼，強度級別在440MPa 左右，厚度在1.0 ～1.5mm。吸能盒成形工藝為：內高壓成形→切開。

圖15 車身地板保險杠總成吸能盒采用內高壓成形

⑶車身A 柱、B 柱采用管材內高壓成形(圖16)，材料多為先進高強鋼，強度級別在980MPa左右，厚度在1.4 ～2.0mm。成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形→管端成形。

圖16 車身A 柱、B 柱采用管材內高壓成形

⑷車身A 柱材料除了先進高強鋼外，還有采用6000 系列的鋁合金材料。例如，2015 款福特野馬A柱鋼管材料為DP1000，內高壓成形；2014 款捷豹F-Type A 柱鋁管材料為A6082 T6，內高壓成形，見圖17。

圖17 2014 款捷豹F-Type A柱使用A6082 T6

⑸最新車型的車身A 柱采用熱氣脹成形工藝(圖18)，材料為22MnB5，成形后零件的強度達到1500MPa 以上。成形工藝為：彎管→加熱→脹形+淬火→管端加工。

圖18 A 柱采用熱氣脹成形工藝

⑹車身前端主體采用管梁式結構(圖19)，內高壓成形工藝，材料多為普通高強鋼，強度級別在440MPa 左右，厚度在1.0 ～1.5mm。成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形→端部成形。

圖19 車身前端主體采用管梁式結構

⑺車身前輪罩加強件采用管梁式結構，內高壓成形工藝，材料為先進高強鋼，強度級別在700MPa左右，厚度在1.3 ～2.3mm 之間。成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形→端部成形。

管件成形技術在商用車上的應用

皮卡

⑴皮卡車的車架縱梁和橫梁采用內高壓成形工藝，見圖21。

圖20 車身前輪罩加強件采用管梁式結構

圖21 皮卡車的車架縱梁和橫梁采用內高壓成形

⑵皮卡車車身前端主體采用管梁式結構，見圖22，采用內高壓成形工藝，材料多為普通高強鋼，強度級別在440MPa 左右，厚度在1.0 ～1.5mm 之間。成形工藝為：彎管→預成形→內高壓成形→端部成形。

圖22 皮卡車車身前端主體采用管梁式結構

⑶皮卡車的A柱、前輪罩加強件采用管梁式結構，內高壓成形工藝，見圖23。

圖23 皮卡車的A 柱、前輪罩加強件采用管梁式結構

卡車

⑴卡車的前橋橫梁采用鋼管內高壓成形工藝，見圖24。

⑵卡車的后橋橋殼采用鋼管內高壓成形工藝，見圖25。

⑶商用車內高壓零件應用案例：中冷管、空濾器管、排氣管、尾管、緩沖器水管等，見圖26。

未來展望

⑴應用領域。管類零件由于具有重量輕、產品性能好等優勢，已經在乘用車得到廣泛應用，預計未來會在商用車車身(如A 柱等)上進一步得到推廣應用。

⑵材料。考慮到整車輕量化，未來超高強鋼、輕質合金材料是發展趨勢，如強度級別在1200MPa 及以上級別的鋼質材料、鋁合金材料等。

⑶工藝。為了實現超高強鋼、輕質合金材料的成形，傳統內高壓成形工藝已經無法滿足要求，需要不斷開發新的成形工藝，包括低內壓成形、熱成形等。