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          汽車行業輕量化需要和未來發展趨勢

          2018-06-22 Author:興迪源機械 分類:內高壓成形

           

          河南興迪鍛壓設備制造有限公司
          佛山市南海興迪機械制造有限公司
          編寫:李經明 總經理
          2018年06月20日

           

          1.汽車行業對輕量化的需求

           

          1.1 汽車制造業總體現狀和趨勢

           

          2016年,中國汽車產量為2811.9萬輛,年增長率為14.5%,銷售汽車2802.8萬輛,同比增長13.7%,產銷總量再創歷史新高幸福彩票官网平台。

           

          近8年國內的汽車產量變化如圖1所示,呈現逐漸遞增的趨勢,從近兩年來看國內汽車產量增速從2016年的14.5%下降到2017年的3.2%幸福彩票官网平台,增長速度明顯趨緩幸福彩票官网平台。

           

          圖1:近八年國內汽車產量變化條形圖

           

          新一輪由自主崛起驅動的國產替代,無論是在替代的廣度還是深度上幸福彩票官网平台,都有明顯提升,為零部件行業快速增長提供更大助力。零部件行業收入一直保持快于汽車行業的增長,占汽車行業比重已由2008年的20%提升至2017年第三季度的25%,顯示在自主崛起,進口替代的超強驅動下,行業快速增長,行業地位顯著提升幸福彩票官网平台。

           

           

          圖2:2001年-2015年我國汽車和零部件產業總產值及增長趨勢

           

           

          圖3:2008年-2017年第三季度零部件占汽車全行業收入比重

           

           

          1.2汽車制造業必然發展趨勢

           

          汽車制造業的必然發展趨勢是輕量化。汽車輕量化,是指采用現代設計方法和有效手段對汽車產品進行優化設計,或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下,盡可能降低汽車產品自身重量,以達到減重幸福彩票官网平台、節能、減排、安全的綜合指標。

           

          汽車輕量化的必要性體現在法規、汽車性能和續航能力三個方面。由于自2018年1月1日起,全國機動車全面實施國V排放標準,法規趨嚴已是不爭的事實幸福彩票官网平台;采用輕量化可以明顯提升汽車性能幸福彩票官网平台,可以提升燃油經濟性幸福彩票官网平台,改善動力性幸福彩票官网平台,提升操控性和舒適性,實現安全性和輕量化的平衡;最后一方面體現在新能源汽車的續航能力幸福彩票官网平台,對于新能源汽車,重量降低10%,以為這續航能力增加5.5%。

           

          《中國制造2025》提出將輕量化作為汽車產業重點發展方向之一幸福彩票官网平台。另外,行業輕量化的整體趨勢也在發生變化幸福彩票官网平台。國內乘用車的重量總體呈下降趨勢,自2008-2014年總體下降約6%;近3年重量下降趨勢已經趨緩(技術突破的有限性幸福彩票官网平台,性能和配置需求抵消的重量)幸福彩票官网平台;國內輕量化取得了一定的成果幸福彩票官网平台,但是進入新的瓶頸期幸福彩票官网平台,如何突破這一瓶頸是整個汽車行業不斷思考的問題。

           

          圖4:國內市場乘用車輕量化趨勢(2005-2016)(5MT樣本基準)

           

           

          如圖5所示,汽車車身用材料主要有低碳鋼、高強鋼幸福彩票官网平台、超高強鋼和鋁合金等幸福彩票官网平台。

           

          圖5:汽車車身用材料示意圖

           

          通過圖6和圖7可知幸福彩票官网平台,國內外車身會議報道的不論是轎車還是SUV的車身輕量化系數總體呈逐年降低趨勢幸福彩票官网平台幸福彩票官网平台,但與國外相比幸福彩票官网平台,國內的輕量化系數扔高于國外國外平均水平,整體上還有5-10%的差距幸福彩票官网平台,如何進一步實現輕量化仍舊是一亟待解決的問題。

           

          圖6:近16年國內外車身會議報道輕量化系數變化

           

           

          圖7:歷年國內外車身會議SUV車型的車身輕量化系數

           

           

          1.3 輕量化的途徑

           

          汽車輕量化的途徑主要有兩個,即材料輕量化和結構輕量化幸福彩票官网平台。

           

          據Front&Sullivan分析,到2017年幸福彩票官网平台,輕量化汽車材料市場有望達到953.4億美元。并且師姐鋁業協會的報告指出幸福彩票官网平台,汽車的自重每減少10%,燃油的消耗可降低6~8%?,F代汽車自身質量同過去相比減輕了20~26%,預計在未來的10年內幸福彩票官网平台,轎車自身質量還將繼續減輕20%。

           

          其中材料輕量化具體有兩個方向:低密度輕質材料、高強度材料幸福彩票官网平台。前者主要包括:鋁合金、鎂合金幸福彩票官网平台、鈦合金幸福彩票官网平台、塑料、多孔材料及復合材料等。高強度材料包括:高強度鋼、超高強鋼等。

           

          據統計,如圖8所示,現代轎車中占自重90%的六類材料分別是鋼材(55~60%)、鑄鐵(12~15%)、塑料(8~12%)、鋁(6~10%)、復合材料(4%)、陶瓷及玻璃(3%)、其他(10%)幸福彩票官网平台。

           

          圖8:現代轎車主要材料占比

           

           

          (1)汽車強量化材料——高強度鋼

           

          理論上幸福彩票官网平台,相對于傳統340MPa的材料,600MPa級鋼材的減重潛能約為20%幸福彩票官网平台,800MPa級鋼種的減重潛能可達30%以上,強度級別在1000MPa以上的鋼材在汽車上的比重已經達到16%。

           

          圖9:高強鋼的級別以及在汽車上的應用

           

          不同類型的高強度鋼板在汽車上的應用,如表1所示,分別列舉含磷高強度冷軋鋼板幸福彩票官网平台、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙向鋼板幸福彩票官网平台、超低碳高強度冷軋鋼板幸福彩票官网平台、迭層鋼板等。國內高強度鋼研制及生產的主要單位有寶鋼、武鋼、鞍鋼幸福彩票官网平台、上汽集團幸福彩票官网平台、重慶汽車研究所、上海大學等幸福彩票官网平台。

           

           

          (2)汽車強量化材料——鋁合金

           

          鋁合金具有低密度幸福彩票官网平台、可再生、良好的工藝性幸福彩票官网平台、抗沖擊性能好、耐腐蝕等諸多優點幸福彩票官网平台。已經成為僅次于鋼材的汽車用金屬材料,其目前在發動機缸體、活塞、變速箱殼體、進氣支管、氣缸蓋幸福彩票官网平台、轎車骨架幸福彩票官网平台、車身幸福彩票官网平台、座椅支架、輪轂、熱交換器等領域應用率較高。據預測,到2025年,采用全鋁車身的車型占比達到30%幸福彩票官网平台,全球車身用鋁總量將達到870萬噸,車身用鋁行業將出現爆發式增長。關于國內以及北美市場汽車用鋁的預測如圖10和11所示,由圖可知國內車身用鋁量年復合增長率達45%,北美市場未來10年汽車零部件用鋁量也逐年明顯增加幸福彩票官网平台。

           

          圖10:未來車身用鋁量預測

           

          圖11:北美汽車部件用鋁情況

           

           

          2014年世界各大鋁生產商所完成的鋁產量如圖12所示,而關于2016年全球鋁產量的調查顯示,前十大遠慮生產商依次是中國宏橋幸福彩票官网平台、俄羅斯鋁業、力拓加鋁幸福彩票官网平台幸福彩票官网平台、信發集團、中國鋁業、阿聯酋全球鋁業、美國鋁業幸福彩票官网平台、國家電投幸福彩票官网平台、東方希望和挪威海德魯,合計產量突破3093萬噸幸福彩票官网平台,同比增長4%,中外企業各占半席位,中國企業合計產量1664萬噸,占比為53.8%幸福彩票官网平台,國外企業合計產量1428.8萬噸幸福彩票官网平台,占比46.2%。增幅較大的是中國宏橋,較上年產量增長28%,其次是東方希望,增幅為21%幸福彩票官网平台。

          圖12:2014年全球主要企業的鋁產量

           

           

          (3)汽車強量化材料——鎂合金

           

          汽車是鎂合金的重要消費領域,約占整體消費總量的62%幸福彩票官网平台。2015年幸福彩票官网平台,我國乘用車需要鎂合金10萬噸/年。鎂合金的比重只有1.8,采用鎂合金能夠有效減輕整車重量,可在適用鋁合金的基礎上再減輕15%~20%幸福彩票官网平台,具體在各個領域的占比參考圖13。鎂合金需求的增長主要來自于兩個方面:汽車產量的增長、單輛汽車鎂合金使用量的增長。

           

          圖13:鎂合金在不同領域應用占比情況

           

           

          鎂合金材料特性及其在汽車上的應用如表2所示,其具有重量輕幸福彩票官网平台、制震性強、高強度、可回收性優越等諸多優勢幸福彩票官网平台幸福彩票官网平台。

           

           

           

          (4)高強度纖維復合材料

           

          汽車領域是復合材料的最大市場幸福彩票官网平台,大約占其總體積的20%幸福彩票官网平台,銷售額的18%幸福彩票官网平台,世界上平均每輛乘用車,復合材料約占總重量的6%,而全球碳纖維的潛在需求量預測如圖14所示幸福彩票官网平台,在汽車行業的潛在需求量呈現明顯的逐年上升趨勢。

          圖14:全球碳纖維潛在需求量預測

           

          2015年幸福彩票官网平台,汽車復合材料的用量已經超多200萬噸幸福彩票官网平台,增長主要來源于汽車產業的自然增長和已經采用了復合材料的汽車部件的市場份額增加幸福彩票官网平台,而碳纖維在汽車領域的應用預測參考圖15,采用了復合材料的汽車部件的市場份額不斷增加幸福彩票官网平台。

          圖15:碳纖維在汽車領域的應用預測

           

           

          2.內高壓成形技術對汽車制造業的重大意義——結構輕量化實現

           

          對于大部分汽車零配件制造企業來講幸福彩票官网平台,實現新型輕量化結構的加工和制造是首要任務幸福彩票官网平台,而作為國內新興的輕量化加工技術,內高壓成形能夠有效突破輕量化的瓶頸幸福彩票官网平台。

           

          內高壓成形技術實現汽車的輕量化幸福彩票官网平台,從而大大降低汽車油耗(約占50%以上),也是減少二氧化碳廢氣排放的最有效對策幸福彩票官网平台。內高壓成形技術革命性提高車身強度幸福彩票官网平台、剛度并優化結構以提高汽車沖撞的安全性。并且該技術能夠減少汽車零件和模具數量,降低生產成本。

           

          根據歐洲鋁協公布的資料,汽車重量每降低100kg,每百公里可節約0.6L燃油,同時也可減少尾氣排放。但是幸福彩票官网平台,我國目前采用內高壓成形技術進行制造的汽車零件還不到10%幸福彩票官网平台。

           

          2.1 內高壓成形技術的源起

           

          在飛機、航天和汽車等領域幸福彩票官网平台,減輕質量以節約材料和運行中的能量是人們長期追求的目標幸福彩票官网平台,也是現代先進制造技術發展的趨勢之一幸福彩票官网平台。除了采用輕體材料外,減輕質量的另一個主要途經就是在結構上采用“以空代實”和變截面等強構件,即對于承受以彎曲或扭轉載荷為主的構件,采用空心結構既可以減輕重量節約材料又可以充分利用材料的強度和剛度。內高壓成形正是在這樣的背景下開發出來的一種制造空心輕體構件的先進制造技術。

           

          2.2 內高壓成形原理

           

          內高壓成形(Hydro Forming)也叫液壓成形或液力成形,是一種利用液體作為成形介質幸福彩票官网平台,通過控制內壓力和材料流動來達到成形中空零件目的的材料成形工藝。內高壓成形的原理是通過內部加壓和軸向加力補料把管坯壓入到模具型腔使其成形為所需要的工件。對于軸線為曲線的零件,需要把管坯預彎成接近零件形狀,然后加壓成形。其成形原理和興迪源機械公司的典型內高壓產品具體如圖16和17所示。

           

          圖16:內高壓成形原理

           

          圖17:興迪源機械典型內高壓產品-發動機空心軸

           

           

          2.3 內高壓成形技術優勢

           

          內高壓成形技術相對于傳統工藝具有革命性的突破,主要體現在以下幾個方面:

           

          (1)減輕質量節約材料。對于空心軸類可以減輕40%~50%,有些件可達75%幸福彩票官网平台,與沖壓焊接的組合件相比,汽車上用內高壓成形的空心結構件可減少20%~30%幸福彩票官网平台。

          (2)減少零件和模具數量幸福彩票官网平台,降低模具費用。內高成形件通常僅需要一套模具,而沖壓件大多需要多套模具。副車架零件由6個減少到1個,散熱器支架零件由17個減少到10個。

          (3)可減少后續機械加工和組裝焊接量。以散熱器支架為例,散熱面積增加43%,焊點由174個減少到20個,裝備工序由13道減少到6道,生產率提高66%幸福彩票官网平台。

          (4)提高強度與剛度幸福彩票官网平台,尤其疲勞強度。仍以散熱器支架為例幸福彩票官网平台,垂直方向提高39%幸福彩票官网平台;水平方向提高50%幸福彩票官网平台。

          (5)降低生產成本。根據德國某公司對已應用零件統計分析幸福彩票官网平台,內高壓件比沖壓件平均降低15%~20%,模具費用降低20%~30%。

          (6)環保節能。降低加工過程中能量消耗及廢污排放35%以上幸福彩票官网平台。

           

          2.4 內高壓成形工藝的廣泛應用

           

          內高壓成形工藝廣泛應用于航空航天幸福彩票官网平台、汽車制造、數碼設備金屬件、軍工幸福彩票官网平台、家居衛浴金屬管件、自行車及電動車配件、其他五金器具等幸福彩票官网平台。

           

          內高壓成形技術在汽車行業應用主要集中在排氣系統異型管件、副車架總成、底盤構件、車身框架、座椅框架及散熱器支架、前軸、后軸及驅動軸、安全構件等空心構件幸福彩票官网平台。

           

          圖18:內高壓成形技術在汽車制造中的典型應用

           

           

          (1)排氣系統(Exhaustsystem)

           

          汽車排氣系統主要由7部分組成,按與發動機距離由近至遠的順序依次為排氣歧管、熱端連接管、撓性管、三元催化器、共鳴器、消音器及尾管幸福彩票官网平台。

           

          2016年中國基本型乘用車(轎車)產量為2803萬輛幸福彩票官网平台,按照每輛乘用車每種零件使用一個,需要7個相關零件,總數可達19621萬個⌒腋2势惫偻教?,F階段使用液壓成形技術生產的排氣系統遠未達到10%,按照計算預期市場額度17659萬個。以2017年銷量最高的豐田卡羅拉為例,每套排氣系統管件的市場價格約為1000元,潛在市場價值可達1766億。如果包含其他重卡等車型,市場潛力更大。如圖19和20所示為排氣系統中冷管和排氣歧管傳統成形方式和內高壓成形對比。

           

          圖19:傳統沖壓+焊接成形工藝內高壓成形中冷管

           

          圖20:排氣歧管的傳統加工工藝與鑄造新型工藝:內高壓成形零件對比圖

           

           

          (2)底盤系統(Chassis parts)

           

          底盤系統通常采用的材料為低碳鋼及中碳鋼,也有部分使用鋁合金。

           

          主要包括:車架滑軌(Frame rails)、副車架(engine cradles)、車頂縱梁和拱梁(roof rails and bows)、后軸(rear axle frames)幸福彩票官网平台、散熱器支架(radiator frames)等結構幸福彩票官网平台。

           

          副車架市場價600,車頂縱梁2500。一輛車需要1個副車架,2個縱梁幸福彩票官网平台。潛在市場潛力可達2803萬輛×90%×5600元=1412億。

           

          圖21:副車架成形傳統工藝:沖壓+焊接新型工藝:內高壓成形

           

           

          (3)引擎與動力系統 (Engine /power train components)

           

          包括:懸架部件(Suspension members)幸福彩票官网平台,空心凸輪軸(hollow camshafts)幸福彩票官网平台,傳動軸(drive shafts),齒輪軸(gear shafts),油底殼(oil pan)等。

           

          凸輪軸市場價500元,按照每輛車使用一個凸輪軸計算幸福彩票官网平台,其市場潛力可達2803萬輛×90%×500元=126億。油底殼一般為卡車使用幸福彩票官网平台,暫時不做統計。

           

           

          圖22:凸輪軸的傳統成形和內高壓成形對比

           

          圖23:發動機油底殼的傳統鑄造或焊接和新型內高壓成形對比

           

          (4)車身及安全構件(Body and safety parts)

           

          包括:擋風玻璃框(Windshield headers)、A/B/C立柱(A/B/C pillars)、空間構架部件(space frame components)、儀表盤支架(instrument panels)、座椅架(seat frames)幸福彩票官网平台、減震器外殼(shock absorber housings)等幸福彩票官网平台。

           

          Nissan’s Titan采用液壓成形A柱,比傳統工藝減少了30個零件,減少了15.88kg,采用高強鋼,提高了汽車碰撞性能。

           

          圖24:A/B/C柱典型件的內高壓成形

           

          A/B/C柱按照市場價500元計算幸福彩票官网平台,按照每輛車使用6個柱計算幸福彩票官网平台,其市場潛力可達2803萬輛×90%×3000元=756億。

           

          從以上分析可以看出,液壓成形在乘用車領域至少具有總額度4千億的潛在市場價值。從歐美的市場發展規律來看,在中國至少還有10—20年的成長期幸福彩票官网平台。液壓成形可以降低零件的成本,提高生產效率幸福彩票官网平台,屬于無污染的綠色清潔生產技術,具有極高的市場競爭力幸福彩票官网平台。在未來的汽車工業中必將廣泛應用。

           

           

          2.5 內高壓成形技術在國外和國內的應用

           

          德國于70年代末開始對高內壓液力成形基礎進行研究幸福彩票官网平台,并于90年代初率先開始在工業生產中采用高內壓成形技術制造汽車輕體構件。德國奔馳汽車公司(DAIMLERBENZ)于1993年建立其內高壓成形車間,寶馬公司(BMW)已在其幾個車型上應用了內高壓成形的零件幸福彩票官网平台幸福彩票官网平台。

           

          日本自1997年開始,豐田、本田幸福彩票官网平台、日產、馬自達幸福彩票官网平台、三菱幸福彩票官网平台、斯巴魯等汽車廠均已導入內高壓成形設備進行零件的生產與開發。

           

          韓國的現代、起亞也開始應用液壓成形技術生產相關零部件。

           

          根據美國鋼鐵研究院汽車應用委員會的調查結果幸福彩票官网平台,在北美制造的典型轎車中,空心輕體件在轎車總量的比例已從15年前的10%上升到16%幸福彩票官网平台,而在中型面包車、大吉普和皮卡車的比例還要高幸福彩票官网平台。

           

          美國克萊斯勒(Chrysler)汽車公司于1990首先引進內高壓技術生產了儀表盤支梁。

           

          目前美國最大的汽車公司通用汽車公司(GM)已用液力成形技術制造了發動機托架、散熱器支架、下梁、棚頂托梁和內支架等空心輕體件幸福彩票官网平台。據一項調查表明,截止到2004年北美生產的典型車型中有50%零件采用內高壓成形技術制造幸福彩票官网平台。

           

          內高壓成形在我國起步較晚,本世紀初才有哈爾濱工業大學、北京航空航天工業大學幸福彩票官网平台、中科院金屬研究所等對其進行理論研究,并與一些企業進行合作開發,試制產品,還處于初始發展階段幸福彩票官网平台。河南興迪鍛壓設備制造有限公司是國內第一家向市場提供內高壓成形機商品的廠家。如圖25為興迪源機械設計加工的1500噸內高壓成形機。

           

          圖25: 1500噸內高壓成形設備

           

          但是近年來國家對內高壓成形具有較大的政策支持幸福彩票官网平台,生產內高壓成形液壓機的企業屬于先進裝備制造業幸福彩票官网平台,是國家和各地各級政府都鼓勵發展的行業。內高壓成形機在國家發布的《產業結構調整指導目錄(2011年本,2013年修正版)》中,編入“鼓勵類”第十四項機械第26小項規定的“內高壓成形機”。此外,內高壓成形中所用液體介質以液壓油和乳化液為主,無污染并且能夠回收及循環使用,也正是國家目前所提倡和重點扶植的清潔型產業。

           

          另外幸福彩票官网平台,工信部《國家中長期科學和技術發展綱要》規定了高檔數控機床與基礎制造設備重大專項申報條文,其中幸福彩票官网平台,大噸位內高壓成套設備首當其沖名列前茅。

           

           

          2.6 內高壓成形設備發展現狀及趨勢

           

          (1)國際上內高壓設備的發展

           

          國際上能提供液壓成形成套技術與設備的制造商多集中在歐洲和北美幸福彩票官网平台,其中以德國SPS公司幸福彩票官网平台、舒勒公司和瑞典AP&T公司、美國ITCInterlakenTechnology和HDTHydroDynamicsTechnologies為主要代表幸福彩票官网平台。

           

          此外還有日本的山本水壓所、Amino、川崎油工、Opton、AIDA幸福彩票官网平台,德國的Gr?bener幸福彩票官网平台、S.DUNKES,意大利的NAVA,加拿大的ValiantMachine&Tool,韓國的KANGEngineering等公司幸福彩票官网平台。

           

          (2)內高壓設備發展趨勢

           

          液壓成形技術最新發展趨勢是大型化、超高壓輸出、高精度電氣控制、高液體介質加熱能力。

           

          大噸位超高壓成形技術代表著行業的最高水準,國外生產的超高壓液壓成形裝備價格一般在200萬歐元以上幸福彩票官网平台,日本生產的一臺300噸超高壓充液成形機價格在2億日元以上。目前,同規格的內高壓成形機進口價格是國產的十倍左右幸福彩票官网平台幸福彩票官网平台。

           

          河南興迪鍛壓設備制造有限公司依托與中國科學院金屬研究所的深入產學研合作,研制出具有國際領先水平的超高壓液壓成形裝備幸福彩票官网平台,開發出大型管式熱態超高壓脈動液壓成形技術。是國內最早向市場供應內高壓成形液壓機商品的廠家,目前的標準產品有250噸幸福彩票官网平台、600噸幸福彩票官网平台、800噸幸福彩票官网平台、1200噸幸福彩票官网平台、1500噸內高壓成型液壓液壓機幸福彩票官网平台,廣泛應用于三通管材成型幸福彩票官网平台幸福彩票官网平台、氣車管件制造幸福彩票官网平台、自行車管件制造等生產領域。興迪還自主研發設計制造出4000噸的內高壓成形液壓機幸福彩票官网平台,如圖26所示幸福彩票官网平台。

           

          圖26:興迪源機械自主研發的4000噸超高壓內高壓成形液壓設備

          (3)興迪公司掌握的行業領先的技術指標

           

          設備最大輸出油壓為500MPa,內壓力的控制精度在±5MPa以內,內壓力的增長速度最大可達30MPa/s幸福彩票官网平台,充液量≥200l/min。液壓系統最大壓力25MPa幸福彩票官网平台。

           

          液體介質最高加熱溫度為400℃幸福彩票官网平台幸福彩票官网平台,控制精度在±5℃以內。

           

          設備可實現按線性、脈動幸福彩票官网平台、梯形以及復合曲線等任意加載曲線形式輸出,其中脈動波形的幅值可控范圍為0.5-50MPa幸福彩票官网平台,頻率的最大響應可達0.5Hz。

           

          軸向缸最大行程為300mm幸福彩票官网平台,軸向推力最大為2000kN,控制精度在±10kN以內。

           

          最大合模力為3150噸幸福彩票官网平台,工作臺尺寸≥1400mm×1400mm,滑塊行程300mm,滑塊下行速度≥10mm/s,工作臺可移出。

           

          適合液壓成形工藝人機界面軟件幸福彩票官网平台,可實現對位置、速度和力度的精確控制,通過操作終端進行編程并進行存儲幸福彩票官网平台。

           

          (4)興迪源機械的設備應用舉例

           

          到目前為止幸福彩票官网平台,已經有下列產品是采用我興迪公司提供的內高壓成形機進行生產的企業和具體產品如下:

           

          威特牌自行車車架異形管幸福彩票官网平台;采用維柴、康明思發動機的汽車排氣系統異形管及加水口幸福彩票官网平台;比亞迪汽車安全構件;宇通汽車座椅框架幸福彩票官网平台;大眾車型的MQB懸架臂和A+構懸架臂及PQ46底盤橫梁幸福彩票官网平台;通用車型的D2XX副車架延伸架的橫梁和懸架臂;長城汽車橫梁;農用水泵殼體零件。

           

           

          3.新型輕量化成形技術

           

          3.1沖擊液壓成形

           

          作為鋁合金等難變形材料的塑性加工問題一直是制約輕量化發展的瓶頸性難題之一,而沖擊液壓成形工藝可以很好地解決難變形輕質合金的成形難問題,通過高應變速率成形,有效提高材料的成型性能和極限。

           

          最近,河南興迪鍛壓設備有限公司與中國科學院金屬研究所塑性加工先進技術課題組合作,在鋁合金板材高應變率沖擊液壓成形技術與裝備方面取得系列進展,有望推動和提升我國航空和汽車鈑金制造業發展水平。

           

          航空航天裝備中,鈑金類零件占總零部件數量、制造工作量占全機工作量均在20%以上幸福彩票官网平台,而隨著新型輕量化汽車的需求逐年提高幸福彩票官网平台,汽車用難變形輕質合金鈑金類零件的需求量也在不斷增加。針對目前航空領域對鈑金零件的輕量化及整體化發展的迫切需求幸福彩票官网平台,具有凸臺、加強筋和小圓角等小特征結構的鋁、鎂幸福彩票官网平台、鈦輕質合金復雜異型薄壁鈑金零件的制造已成為推動大型飛機水平提升亟待解決的重要問題幸福彩票官网平台。

           

          高強鋁、鎂、鈦等輕質合金塑性差,成形過程中容易起皺和開裂。我國一直沿襲前蘇聯的落錘成形技術,落錘成形需通過模具壓制與人工結合幸福彩票官网平台,通過錘擊、墊橡膠等方式進行多道次壓制和人工輔助加工成形幸福彩票官网平台,以消除起皺并通過人工手動工序控制材料流動以防止破裂發生,要求操作者具有豐富的加工經驗和技術技巧幸福彩票官网平台。落錘成形由于是剛性模成形,成形零件會有劃痕等缺陷幸福彩票官网平台,成品率不高幸福彩票官网平台,零件精度及一致性差幸福彩票官网平台,材料利用率低,模具壽命較低,勞動條件和安全性差。

           

          針對上述復雜鈑金零件制造過程中的問題幸福彩票官网平台,金屬所塑性加工先進技術團隊和興迪源機械設備和模具工程師通過長期的合作和交流,通過將充液拉深成形技術與高速沖擊成形技術相結合,提出了一種新型沖擊液壓成形技術。

           

          完成了從理論分析、設備研制到工藝驗證的全鏈條研究。通過霍普金森拉桿實驗研究發現,5A06鋁合金單向拉伸試件在高應變速率條件下(2.7×103s-1)的延伸率相比于準靜態條件增加了40%。金屬所塑性加工先進技術課題組自行設計了一臺板材沖擊液壓成形極限試驗裝置,發現5A06鋁合金板件的沖擊液壓成形極限相比于準靜態液壓成形極限得到了大幅提高。通過自行設計的沖擊液壓成形物理模擬實驗裝置幸福彩票官网平台,對沖擊液壓成形的沖擊傳載特性及設備關鍵工藝參數進行了理論和實驗研究。研究發現,該工藝同樣適用于鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金幸福彩票官网平台、鈦合金等。

           

          圖27:(a)霍普金森拉桿實驗裝置;
          (b)5A06高應變速率應力應變曲線幸福彩票官网平台;
          (c)高應變速率拉伸和準靜態拉伸延伸率對比

           

          基于以上研究幸福彩票官网平台,雙方合作研發了國內首臺新型沖擊液壓成形專用設備。該設備采用專利技術的沖擊動力發生源組合結構實現了大質量沖擊體的高能高速驅動及控制,是該設備的核心專利技術幸福彩票官网平台。由于采用了液體這一柔性成形介質,成形零件具有良好的表面質量。通過室溫高應變率成形,無需熱處理即可提高材料在室溫條件下的塑性。設備的最大沖擊能量200kJ幸福彩票官网平台,最高沖擊速度80m/s,具有適合于工業化應用的自動操作模式。該設備最大可用于500mm×500mm×3mm的鋁、鎂、鈦等低塑性合金的板材成形幸福彩票官网平台,也可用于需要同等成形能量的管材成形幸福彩票官网平台、汽車板件成形幸福彩票官网平台、板材與管材的沖孔等工序幸福彩票官网平台。

           

          圖28:沖擊液壓成形實驗裝置及自主研發設備

           

          課題組已經通過沖擊液壓成形技術成功實現了航空復雜薄壁口框零件的成形。該技術制造的口框零件具有更均勻的壁厚減薄率,更好的小圓角填充能力,并且能夠有效地抑制回彈幸福彩票官网平台。與現有落錘生產技術相比,該技術將傳統8道次以上的人工輔助制造過程改變為2道次的自動化生產過程,無需中間工藝熱處理幸福彩票官网平台,提高了400%的生產效率。

           

          圖29:5A06復雜薄壁口框零件的落壓成形和沖擊液壓成形對比

           

          圖30:沖擊液壓成形的2B06飛機板件,2道次,無中間熱處理幸福彩票官网平台,無人工,沖孔成形同模具一次完成

           

          合作雙方還與白俄羅斯科學院和羅馬尼亞克盧日-納波利技術大學進行合作,相關研究成果已經在線發表在國際機械工程組織(The International Academy for Production Engineering,簡稱CIRP)的會刊CIRP Annals—Manufacturing Technology(DOI:10.1016@j.cirp.2018.04.024)上幸福彩票官网平台,并應邀在8月份東京舉辦的國際CIRP學術年會上作報告。CIRP是國際機械工程制造領域的核心權威專家組織幸福彩票官网平台,CIRP Annals是機械制造領域最權威的期刊(I F因子2.8以上)幸福彩票官网平台。該研究得到了中科院國際合作局、沈陽市科技局等重點研發項目的支持。

           

          3.2 熱氣脹成形

           

          為了提高輕質難變形管件及高強度管板材的成形效率,在傳統超內高壓成形、超塑性成形和熱脹成形的基礎上幸福彩票官网平台,美國韋恩州立大學的XinWu教授提出了熱態金屬氣壓成形技術(Hot Metal Gas Forming),主要工藝過程如圖31所示:將經過預熱的管材或者板材置于陶瓷模具中幸福彩票官网平台,合模密封之后,通過感應加熱實現成形過程中對成形件的快速加熱和保溫幸福彩票官网平台,達到所需溫度之后幸福彩票官网平台,通入一定大小的氣體壓力并配合管件軸向推力使材料膨脹成形,然后將工件取出,立即進行淬火處理,整個過程在10s左右完成。

           

          圖31:管材熱氣脹成形原理

           

          哈爾濱工業大學開發建立了熱氣脹研究裝置并進行相應的脹形實驗,分析了溫度對脹破壓力、極限脹形率及變形后組織狀態的影響。

           

          圖32:熱氣脹實驗裝置

           

          該成形技術早起主要集中在輕質難變形合金的成形過程中,近些年來隨著高強鋼在汽車上用量的不斷增加幸福彩票官网平台,熱氣脹成形裝備不斷發展進步,國外相關研究人員簡歷的高壓氣脹成形設備如圖33所示。

           

          圖33:高壓熱成形裝置原理圖

           

          通過高壓氣體增壓器該設備最高可以獲得理論80MPa氣體壓力,最高成形溫度達1000℃,而且該裝置可以實現對高強鋼管材的快熟加熱、快速成形及淬火處理。先用感應線圈將管材迅速加熱到奧氏體化溫度幸福彩票官网平台,保溫一段時間之后,迅速轉移到模具中,快速合模、密封、加壓脹形、淬火幸福彩票官网平台、脫模冷卻,脹形強化后掛彩局部強度可達1400~1600MPa幸福彩票官网平台。

           

          此外,通過系統研究成形氣體壓力幸福彩票官网平台、模具溫度及管材預熱溫度等成形參數對成形后的高強鋼管材強化效果的影響幸福彩票官网平台,發現成形后零件表面的強化效果分布不均勻,需要整形的小圓角區域的強化效果更多取決于最大氣體壓力及壓力加載速率而不是模具溫度,然而脹形過程中先貼模部分的強化效果主要取決于模具的溫度。

           

          圖34:成形模具結構及測試部件形狀

           

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