汽车用钢管液压成形技术

LIU1018

汽车用钢管液压成形技术

    钢管制成后，二次加工成形技术复杂的当属汽车用钢管，这里介绍新日铁最先进的钢管利用加工技术，并对今后钢管的需求和技术开发的方向进行展望。
    一、制成各种形状的汽车零部件用管材
    作为结构材料使用的钢管，一般为大口径和中口径，多用于建设机械、建筑土木（例如：桩、电杆等），而小口径管（直径约12cm以下）多用于汽车制造材料（图1）。汽车用管材，除了采用厚壁的无缝钢管之外，还广泛使用管壁较薄、高精度、价格低廉的电焊管。与石油天然气管线电焊管不同，汽车用材料更重视金属外层表面美观，因此要对热轧板表面附着的氧化物进行酸洗。
    钢管制成的汽车零部件用于内部流体通过的排气系统上。这与门、梁等反复冲击的零部件在结构上有很大不同。而且必须在有限的车体空间内设置零部件。对于汽车制造商以及零部件生产厂家，要求进行以弯曲加工为主的扩管、压扁、收口等二次加工，这是一大特点（图2）。近来，随着零部件成形的复杂化，对其中部分零部件进行弯曲、收口和扩管的复合成形加工工艺也应运而生。
    此外，近年来，在汽车零部件高强度化、轻量化、安全性、提高成本性能比的进程中，开始采用中空、刚性高的钢管替代一直使用的棒材。而且，为减少钢材焊接所带来的重量和工程量的增加，开始采用钢管一体成形。钢管可灵活利用的范围很广，但同时也要求高精度成形。
    二、扩大了钢管利用可能性的成形技术——“液压成形法”
    为了适应这种高精度化需要，作为成形方法，大约从15年前就引起注意，现在已经引入并加速发展的技术是液压成形法。
    不局限于钢这种金属的成形工艺，在它成形后无论变成什么形状，材料自身的体积是不会变化的。例如，钢板经过压延使它的长度延伸，而厚度变薄，体积不变。基于这个原理，液压成形法，置于模具内的钢管进行水压通胀延伸的同时，管壁不变薄，在钢管长度方向上压缩成形的技术（图3）。有效利用钢管的强度特性，实现薄壁化可能的同时，使多个零部件接合制造部件成为一体，于是，省略了接合端部的法兰盘等，实现了轻量化和零部件数量减少、节省工艺的过程。由于这项技术的实用化，给车身的框架材料、排气系统的零部件等带来很大变化，加速了汽车的钢管化（图4）。
    注：钢材即使变形而体积是不变的。例如：从钢板两端施加拉力厚板就变薄了。液压成形技术为调整模具在钢管内填充液体，通过液体内部压力使材料膨胀，按照模具的形状变形，管壁的厚度不发生变化，这是由于在两端用工具对钢管进行压缩。于是，成形后的钢管变短，管壁的厚度几乎没有变化，所以，像框架那样大的形状变化成为可能。
    液压成形法最早诞生于约50年前的日本名古屋工业技术实验所，最初使用于管线的接头、汽车用零部件。1994年为应对汽车轻量化的需要，世界18国的35个钢厂制定了“ULSAB计划”，即从1994年开始的4年间，从材料、设计两方面探索车身钢材的超轻量化。这为液压成形技术的全力研究带来机遇，在欧美汽车零部件生产中首先成为定型技术，完成了实用化。
    20世纪90年代后半期，日本也将液压成形作为汽车的成形技术加以采用。日本推迟实用化的原因是与欧美相比，日本此前的车身框架的成形技术，在生产性和经济性上处于优势地位，降低了引入这项技术的必要性。然而，新日铁以“ULSAB计划”为契机，在提高汽车轻量化中作为追求极限轻量化的策略，从德国引进了液压成形设备，努力开展此项技术的研发与创新。
    目前，应用较多的液压成形设备仍是牌坊式大型昂贵的设备。为此，新日铁和丰田汽车共同进行了设备小型化研究，于2001年开发了集削减成本、零部件安装、焊接生产线为一体的、高效率的“紧凑型液压成形设备”，体积是原设备的1/10（图5）。设计方案的主要内容是：实现小型化的关键点是将用于成形的、厚50mm的高强度钢板，纵向重叠排列形成层压式的C型框架，根据模具所需压力，设置了开口型模具。
    注：①必要的机能调整
    对液压成形技术进行两方面必要的机能调整，“模具开闭机构：大的冲击动作×轻负荷”、“模具冲压机构：小的冲击动作×重负荷”，目的是通过各种机能最适宜化实现紧凑型，以及节能化。
    ②积层C型框架结构
    由于利用液压成形技术时需要往钢管内进行高压注水，在模具开启方向产生巨大的力量。对抗这种巨大的力量就必须有高强度的设备结构，传统的作法是使用大型油压装置，使设备大型化。这个方案使用50mm厚的高张力厚板“WEL-TEN780”（是一般疲劳强度的2倍），在制品的纵向重叠排列，形成积层C型框架结构。
    ③自身调整机能
    由于模具冲压时产生巨大的力量，采用了在小口径、短冲程下配置数个超高压化、大输出的气缸系统方案。又由于作为气缸的驱动压力源引入的是成形用水的压力，因此，在成形过程中对模具的开启力和模具的冲压力可以自身进行自然调整。
    三、材料选定与零部件形状最适宜化的解析技术
    液压成形的关键是作为原材料的电焊管必须完全适合所设定的零部件形状的加工条件。汽车厂家很容易按JIS标准对电焊管进行调配，新日铁自身引进了试验设备，并对材料的加工硬化率（n值）、深冲性（r值）等材料特性的影响进行验证，建立了选定和制造包括焊接部位在内的可靠性的零部件形状、适宜成形条件的钢管的管理系统。
    通过施加扩管与压缩力进行液压成形时，因为瞬间的水压导致压缩值失误，会造成管壁变薄引起开裂和纵弯曲，为此选定了最适合的材料形状与成形时的综合控制技术。不必说控制的参数非常之多。再者，在封闭的模具内部所进行的变形，操作人员很难发现最适宜的设备规格、最适合的加工条件。另外，成形后的零部件的形状、模具与材料的润滑程度、焊接位置等的控制条件也发生变化。
    设定这些复杂的控制条件发挥作用的是“有限元法”的解析技术。它是数值解析法之一，将物体分割成若干极小要素，对各个要素的负荷力产生的变形结果进行计算，进一步综合，经过全部加权求得近似值的方法。设定形状、输入变形时压力数值等数据，钢管的改变形态、事前验证的应力和歪斜数据等最适宜的加工条件。作为材料则完全适合目标形状，另外通过模拟试验，推导出了加工时的水压、压缩等条件，在此基础上，利用新日铁的试验设备进行验证试验，来进一步确定产品的特性（图6）。
    新日铁的优势在于长年培育的数据解析技术，以及很早就导入的液压成形设备的验证试验，为开发客户要求的零部件提供解析方案。
    目前，在这项解析技术促进下，新日铁可独自实现扩管率大的高难度形状的加工条件，以及同其他零部件新的接合方法的研究，谋求进一步扩大利用液压成形技术生产通用零部件（图7）。
    新日铁将汽车零部件生产用液压成形技术作为一种模式，致力于除汽车以外各领域钢管利用加工技术的开发，钢管作为结构材料的可能性将进一步扩大。