【成形工藝】愛馳汽車U5的水箱上橫梁是怎么成形的
在汽車工業(yè)中,鋁合金型材主要用于汽車保險(xiǎn)杠等安全部件,而最引人關(guān)注的是鋁型材空間框架車身結(jié)構(gòu)。2017年的奧迪A8-D5的鋁型材占比在5%左右,主要是前縱梁;2010年的奧迪A8-D4的鋁擠出用量18.5%,共30個(gè)零件,主要是前后縱梁、門檻梁、座椅橫梁等零件。更有甚者,海德路預(yù)測(cè)未來車身用鋁零部件,如圖1所示,可以看出多數(shù)是彎曲或者液壓鋁型材。
圖1 鋁型材在汽車車身上的應(yīng)用預(yù)測(cè)
鋁型材的成形
前面我們介紹過鋁合金的擠壓工藝基礎(chǔ),鋁型材就是鋁棒通過熱熔、擠壓,從而得到不同截面形狀的鋁材。(擠壓Extrude工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品包括管、棒、型、線,但汽車上常用的是型材Profile)
鋁型材通過擠壓,切斷之后得到統(tǒng)一斷面的直線型型材。如圖2中Model 3的門檻內(nèi)板的加強(qiáng)梁。
圖2 Model 3使用鋁型材增強(qiáng)車身門檻
由于造型和配合等原因,直接采用擠出型材切斷的案例較少,更多的是將擠出后的型材經(jīng)過彎曲成形的工藝,制作成二維或三維的彎曲零件。如愛馳U5汽車前端使用的鋁型材彎曲件。
圖3 愛馳U5前艙使用的鋁型材管件
那么,這些鋁型材的彎曲零件又是如何制造出來的呢?目前,可實(shí)現(xiàn)此工藝的方法有兩大類,一種是液壓成形,另一種即是滾彎成形。液壓成形精度較高,并且截面可設(shè)計(jì)成變化的;滾彎成形會(huì)受到鋁型材材料波動(dòng)的影響,精度較液壓成形低,廢品率較高。兩種彎管制作工藝的對(duì)比如圖4所示。
圖4 鋁型材彎管工藝對(duì)比
傳統(tǒng)的彎曲成形工業(yè)有很多種,按照成形方式可以分為兩大類。第一類是鋁型材的彎曲形狀由模具所決定,如拉彎、繞彎、壓彎等;第二類是型材通過工件與模具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行彎曲成形,如滾彎,自由彎曲,柔性彎曲等。(上交大-白梅杉)
拉彎成形
拉彎成形,顧名思義就是將零件的兩端夾緊并拉伸,使零件沿著模具位置拉伸成形的一個(gè)過程。拉彎模具相對(duì)工作臺(tái)面固定不動(dòng),拉彎?rùn)C(jī)兩側(cè)的轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn),從而帶著型材靠模來完成型材的拉彎成形。兩個(gè)轉(zhuǎn)臂上裝有拉伸油缸,由油缸帶動(dòng)拉桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。模具固定在工作臺(tái)面上。
拉彎成形可以分為3個(gè)步驟:
第一步,設(shè)備拉伸缸鉗口夾住材料并給型材施加預(yù)拉伸力,達(dá)到材料屈服強(qiáng)度。
第二步,拉彎?rùn)C(jī)回轉(zhuǎn)缸加載彎曲回轉(zhuǎn),拉伸缸按照程序設(shè)定軸向拉力,使型材圍繞拉彎模具做貼合運(yùn)動(dòng)而使材料成形。
第三步,根據(jù)材料變形回彈情況增加補(bǔ)拉伸。
圖5 拉彎成形示意圖
拉彎可實(shí)現(xiàn)多弧度變曲率的型材成形,并在成形過程中消除一定的應(yīng)力。但拉彎成形的模具通用性較差,模具投入較大。
壓彎成形
壓彎成形是利用液壓壓力機(jī)對(duì)材料施加壓力,通過壓彎模具對(duì)材料產(chǎn)生彎矩,使材料發(fā)生彎曲形成一定的角度和曲率,屬于一種特殊的沖壓成形工藝。壓彎成形的結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示。
圖6 壓彎成形示意圖
對(duì)于彎曲半徑較小、曲率變化較集中的零件,多采用壓彎成形。
繞彎成形
繞彎成形的工作原理是用夾頭夾持型材的一端,側(cè)壓輪將型材壓靠在繞彎模上,工作時(shí)繞彎模旋轉(zhuǎn),固定在繞彎模上的夾頭帶動(dòng)型材一起轉(zhuǎn)動(dòng),從而將型材彎曲成所需的形狀。繞彎工藝的原理如圖7所示。
圖7 繞彎成形示意圖
繞彎成形對(duì)零件的長(zhǎng)度有一定要求,過長(zhǎng)或過短的零件都無法用該工藝來實(shí)現(xiàn)。
滾彎成形
滾彎又可寫為輥彎,是一種通過將型材牽引至成形輥之間,通過多組彎輥的作用,形成最終的彎曲零件的工藝。以三輥彎曲為例,首先將型材放置在彎輥之間,靠中心的彎輥向下移動(dòng)或側(cè)輥向上移動(dòng),以使零件成形。然后三個(gè)輥輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生摩擦。最后輥輪帶動(dòng)型材運(yùn)動(dòng),滾彎成形的原理如圖8所示。
圖8 滾彎成形示意圖
滾彎成形的通用性好,且無需制造相應(yīng)形狀的模具,性價(jià)比較高,適合生產(chǎn)大批量單一弧度工件或小批量多弧段的零件。對(duì)于多圓弧工件,數(shù)控輥彎?rùn)C(jī)可以實(shí)現(xiàn)工件的多弧度彎形要求,但由于鋁型材本身材料硬度的差異,加之工件多弧度每個(gè)弧段變形程度不同,反彈不均,生產(chǎn)時(shí)工件形狀一致性不好,需要后期人工校形。
液壓成形
液壓成形(hydro forming)是指利用液體或模具使工件成形的一種塑形加工技術(shù),也稱液力成形。僅需要凹;蛲鼓,液體介質(zhì)相應(yīng)地作為凸模或凹模,省去一般模具費(fèi)用和加工時(shí)間,而且液體作為凸?梢猿尚魏芏鄤傂阅>邿o法成形的復(fù)雜零件。圖9為液壓成形鋁型材的大致生產(chǎn)流程示意。
圖9 液壓成形鋁型材生產(chǎn)流程示意圖
目前,液壓成形工藝已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)鋼的成形,對(duì)于鋁合金這種低強(qiáng)度合金來說,當(dāng)然不在話下。通過液壓成形工藝制造的鋁型材零件,精度高生產(chǎn)效率高。圖10所示的CT6前端管件就是采用液壓成形的工藝,上文所說的愛馳U5也是采用此工藝以保證如此長(zhǎng)度零件的精度。
圖10 CT6鋁型材零件
總結(jié)
鋁型材在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛,既因?yàn)殇X型材在碰撞中的吸能特性、輕量化方面有巨大優(yōu)勢(shì),更是因?yàn)殇X型材的可塑性強(qiáng),生產(chǎn)性好。國(guó)內(nèi)幾款微型車大量采用鋁型材來制造車身,已證明了鋁型材在汽車工業(yè)的表現(xiàn),但采用的零件大多為等截面的型材,并沒有發(fā)揮材料的最大局限。
本文對(duì)鋁型材的幾種彎曲方法做了簡(jiǎn)單的介紹,就目前而言,滾彎、壓彎等工藝在精度控制,生產(chǎn)節(jié)拍的控制上還是不如液壓成形。但液壓成形因?yàn)槟>叩耐ㄓ眯缘葐栴},成本較高,更為重要的是,目前該工藝的主要技術(shù)還掌握在外國(guó)人手里!你我都將為之奮斗,為我汽車工業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。
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