汽车工程手册：零件成型和原型领域的进展

1.金属

（1）内部高压成型（IHU）内部高压成型基于零件的扩张，直至模具模腔由于工件与介质直接接触时在液体介质的作用力作用下扩张。除了液体介质的作用力外可能还叠加有其他的力，如轴向力和横向力（剪切力），它们帮助工件成型。

内部高压成型按工件结构设计，可有4种不同的方法（图9.2-24）。下面予以说明：

图9.2-24 不同的内部高压成型方法原理图

1）精整：在文献中也称校正。将弯曲和加压预成型的工件在单独的成型模具的内压作用下成型。

2）扩张：在壁面将工件材料延伸并扩大，这时只在液体压力的作用下成型。成型尺寸视所用材料在成型方向的延性而定。

3）扩张挤压：将工件轴向推入附加的成型区，它比扩张成型增加变形部分。变形部分的位置和数量受到限制。由于工件与模具间的摩擦，轴向力传递工件的行程不能长、不能有太大的弯曲，断面变化不剧烈。

4）轴心偏移：在模具侧向力作用下，空心工件轴心的一部分偏移。通过附加施加横向力，工件在内部高压下弯曲并扩张^[1]。

内部高压成型的工程优点：

1）复杂零件可制成一件。

2）取消连接焊缝。

3）零件的形状、尺寸精确。

4）由于材料的可强化性，提高零件强度和刚度。

5）不同壁厚和不同材料的管件可在同一模具中制造^[2]。

内部高压成型的工程缺点：

1）复杂，长零件要通过延伸成型，因此只能是圆周差别不大的零件。

2）样件模具昂贵。

3）生产周期较慢。

4）复杂的技术设备。

在车身上，优化车身空间利用的IHU法受到重视，因为IHU法取消了焊接凸缘，并同时具有高的零件刚度和轻的重量。常用的底盘单件纵梁或防汽车翻滚弓架证明IHU技术的突出优点。如新的沃尔沃C70轿车单件A柱是第一次用IHU法生产的，具有最高的安全性、高的精度和高的经济性（图9.2-25）^[9]。

IHU技术也已在底盘后桥的构件上使用并得到验证。

动力装置的典型使用情况是形状和尺寸变化的排气管弯头。首先选择IHU技术的决定性因素是它的砂型件的复杂造型。

（2）机械液压成型 与常规的机械拉深不同，在机械液压拉深时工件在拉拔模室中克服液体压力，这时在拉深工件上形成三轴方向立体的应力状态，它有利于拉深性能。与常规的拉深相比，在拉深时可改善工作表面品质，在壁厚的临界范围可较少地减小壁厚。

图9.2-25 沃尔沃C70轿车的单件A柱

机械液压成型的进一步发展是SMG公司的主动机械液压法（Aktive-Hydro-Mec-Verfahren）工程。常规加工的发动机盖、车顶、车门外金属板，在按零件中心常规造型时只能利用很小的抗翘曲强度。其原因在于很小的成型度和在这类零件方面没有足够的刚度^[3]。

在主动机械液压法时利用受控的压力介质先将金属板预伸长，引起零件材料刚度增加，然后在单侧的成型轮廓冲头作用下成型。图9.2-26是主动机械液压法的工作原理^[3]。

（3）两金属板内部高压成型法

1）高压成型法原理。除管材和型材内部高压成型外，还可利用IHU法将两个不受约束的、相互放在一起或在边界范围相互焊接的金属板成型。金属板成对放在模具上，根据零件几何形状有不同的成型法。它们将工作液体引入两金属板之间^[4]，像喷枪那样喷入两金属板之间。其他的可能是半球形的密封冲头，在模具闭合后工作液体通过冲头进入两金属板之间（图9.2-27）^[4]。下面的金属板预先冲孔，在模具闭合后马上供入变形过程所需的工作液体。

图9.2-26 主动机械液压法闭合和预延伸工艺

图9.2-27 液体工作介质通过密封冲头进入两金属板之间

在IHU管件成型时，在工作行程开始需要排除管件内部的空气，而在两金属内部高压成型时不需要排除空气，因为两金属板扁平地放在一起，没有空腔。进入两金属板之间的低压工作液体使工件鼓起。与拉深相似，两金属板可采用专门加工过的型板，它的外廓尺寸在整个长度上有很大变化。在工作横断面上已经将成型时模具模腔所需的工件材料准备好。

2）高压成型法的各种方案。在两金属板相互焊接成型时，上、下金属板的凸缘同时引入模具模腔中。这种方法适用于生产零件，在断面上的上金属板壳面和下金属板壳面的展开比大致相同。与常规的、上下两个半壳面由拉深工艺制造接着焊接的成型法不同，焊接内部高压成型的两金属板的优点是两金属板在平面状态而不是在成型后焊接。这种成型法可制造带有焊接密封凸缘的零件，如燃料箱（图9.2-28）^[5]。这样可以缩短工艺链，减少工作介质消耗。另外的节省潜力是在成型的模具方面。当内部高压成型仅需有两个模具（上模和下模时），在拉深工件的上半壳面和下半壳面，则每一工位需要一套由拉深冲头、金属板压边模具和下模组成的拉深模具。

图9.2-28 由两个铝金属板组成的燃料箱

若利用IHU法制造上半壳面和下半壳面拉深深度明显不同的工件时，则必须使用没有焊接的金属板。有缺陷的焊缝在成型时允许上半壳面和下半壳面间相对移动，从而可消除出现皱纹和裂缝的危险。在使用IHU法时要特别注意在上半壳面和下半壳面之间的分型面只有通过粘附力才能密封。因此，上模和下模分型面要仔细精磨和配对研磨。

（4）冷挤压 冷挤压是在材料再结晶温度以内的成型温度下的很多实心成型法中的一种工艺。毛坯或冷挤压毛坯在模具中利用施加必要压力的冲头成型。冲头和模具壁面一起组成空腔^[6]。按工件材料在模具中的流动方向，冷挤压可细分为：①反向流动挤压以加工盆形（器皿）结构；②充满模具空腔的横向流动挤压；③改变断面的向前流动挤压。

原来的冷挤压法只用于加工铜、铝件和小件钢件。在加工钢连接元件（如螺钉、铆钉）时，这种成型法早就使用。随着工程设备的不断进步，使用的工件材料已扩大到质量达15kg的钢件（图9.2-29）^[8]。

这时要注意模具设计，模具面压力不能超过2500MPa。

与其他成型技术相比，冷挤压成型的优点很多，如材料利用率高、生产率高、尺寸精确、重复性好，并且在保证表面最好质量时，由于保持了工件材料组织的流线而达到最佳的材料使用性能^[7]。

图9.2-29 45钢（C45）冷挤压件

冷挤压成型趋势不断朝向接近最终轮廓的成型零件，不需要再加工（完全成型）或少许再加工（几乎完全成型）。新的模具制造材料、高耐磨性涂层、计算机辅助工艺和模具设计将促进冷挤压成型的发展。目前冷挤压成型用于转向节主销、三脚架、车身固定件（如车桥支撑、保险杠支撑）等零件。

参考文献

（5）铸造技术　在铸造技术方面主要集中在开发新的和优化现有的铸造方法，其目标是铸造可热处理和可焊接的铝压铸零件。这种零件的特征是气孔很少。在最近几年，在市场上出现三种新的铸造法：“模压铸造”、“触融压铸”和“真空压铸”。

1）模压铸造（Squeeze Casting）。模压铸造将模压的经济性和对可热处理和可焊接零件的一些特别要求结合在一起。模压铸造的特征是可以调整浇铸活塞的速度变化规律。浇铸活塞可排除浇铸腔和浇铸道中的空气。控制和调节浇铸活塞速度、优化浇铸腔和浇铸道几何形状，使铸液能层流地流入铸模并在没有气体的情况下充满模具（铸液在浇铸腔的流动速度为0.5～2.0m/s）。

图9.2-30是模压铸造法示意图^[1]。

图9.2-30 在间接模压铸造时的循环浇铸

a）配料 b）垂直方向振动 c）浇铸 d）铸满和凝固

2）触融压铸（Thixo Casting）。在触融压铸前还有大家知道的“半固态金属（SSM-Semi-Solid Metal）铸造”，专门制造棒料，然后锯成销^[2]

在铸棒法中用电磁头搅拌制造SSM合金棒料。这时合金棒料形成枝状晶体的金相组织，在半液体状态使SSM合金具有触融性能^[3]。

此后，如通过感应线圈将销加热到一定温度。在该温度下既有固态铝，也有液态铝。变软的销接着送入压铸机的浇铸腔中压铸成型（图9.2-31）。

加热的铝销在没有外力作用时保持外部形状，只有在压力作用下才像液体那样流动。

目前可用的SSM合金只是AlSi7Mg。镁合金正在开发中。

没有气孔和振动收缩的触融压铸件可热处理和焊接。AlSi7Mg铸件热时效处理后可达到下列的力学特征值：

屈服强度：R_p0.2≥230MPa；

图9.2-31 触融压铸的铸造流程

抗拉强度：R_m≥290MPa；

断裂伸长率：A₅≥11%。

3）真空压力铸造。真空压力铸造可制造耐压、可热处理、可焊接的铸件。

真空压力铸造法的重要特征是在真空中压力浇铸、分型和充满模具腔成型。真空度低于100mbar。延长真空压力铸造循环时间可换取铸造的经济性。

真空压力铸造可减少铸件气孔，使它能达到热处理的程度。根据热处理温度、零件几何形状和铸模中的冷却条件，热时效处理后的AlSi10Mg合金可达到的力学特征值为：

屈服强度：R_p0.2≥180～260MPa；

抗拉强度：R_m≥230～320MPa；

断裂伸长率：A₅≥6%～14%。

从材料角度，无论是常用的铝合金零件，还是镁合金零件，都可采用真空压力铸造法。

参考文献

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（6）锻造　锻造可理解为一组制造方法。按DIN 8583-1标准，它们主要列入压力成型组中的成型技术法。属于成型技术法的有自由锻成型、模锻成型、压入成型和挤压成型。按自由锻成型和模锻成型的不同特征，分为自由锻和模锻。

自由锻只要简单的、一般不受工件形状约束的模具。模锻则需要受工件约束的模具。

锻造一般在一定的温度范围进行。在该温度范围，工件材料达到再生和再结晶过程，以提高工件材料的成型能力和减小内应力。有些合金的锻造温度限定在很窄的范围，以免出现不希望的相变。

（7）锻钢　锻造零件使用合金钢或非合金钢，主要使用渗碳钢和调质钢。它们的形状改变能力和相应的可锻性随含碳量增加而下降。

为锻造，要切下工件毛坯，加热到锻造温度，塑性成型，接着热处理。热处理时可利用锻造热能（节省能量）或利用其他热处理方式。通过喷射处理清洁锻件表面。模锻零件大多还要接着加工功能表面。

与铸造零件相比，锻造零件的优点是机械加工性能好。这是由于调整了锻件材料的金相组织和由于锻件内部的缺陷概率很小、质量稳定。

锻造零件主要用于高压力、重大安全性场合，如连杆、曲轴、摇臂支座、车桥臂和变速器档位齿轮。

尽管锻钢零件有很多优点，但它在零件中的份额有所下降。通过进一步开发其他的锻造方法，可以阻止下降趋势，如精密锻造、半热状态锻造、无毛边锻造和保护气体下锻造等，以免锻钢零件表面脱碳、起鳞（生成氧化皮）。

其他的方法是在充分利用余热时进一步开发热处理方法。直接利用锻造热的热处理还需锻造零件的合金成分与冷却条件的有效配合。

参考文献

2.聚合物

除不断引入成熟的、低成本的成型模具外，还关注整个的制造系统和通过进一步开发已知的标准技术（如注塑）开发新的加工方法。

多组分工程或软—硬结合工程的双色后灯只是这期间汽车工业采用的创新制造技术的两个实例。

如果通过合理的制造技术将不同的材料组合起来，如利用下面要提到的三个制造方法，可再次扩大应用范围。

（1）一次注射技术（One-Shot-Technik）“一次注射技术”可理解为每一种装饰材料（装饰材料、皮革、泡沫薄膜、漆膜等）和同时制造的载体零件结合，并在一个工位完成（图9.2-32a和b）^[1]。

图9.2-32 后注射技术（HST）的“一次注射技术”与常规的粘接技术比较

a）后注射技术 b）粘接技术

一次注射技术法目前用于汽车内饰的最大件上，以制造对表面的视觉和触觉有严格要求的内衬件（如A/B/C柱、仪表板等），汽车外饰尚未采用此法。

根据装饰材料和零件尺寸的不同采用后注射、后挤压/后冲击、后发泡或后起泡等制造方法。装饰件的形状不是任意的，在结构和性能上要与当时的制造过程适应^[3]。

一次注射技术法的主要优点是：

1）成本低（最多可降低60%）^[2]。

2）不用粘接，与环境友好。

3）减少雾汽和对乘员室的有害气体辐射。

其缺点是约要增加高达30%的模具（已扣除节省的粘接模具）成本。总的来说，汽车工业中已采用了“一次注射技术”，它可使用在环境友好制造、零件的低有害物质辐射、及时完成较难制造和需高模具费用的足够多的零件的所有场合。

参考文献

（2）注塑件内部气体压力制造技术（GIT）注塑件内部气体压力制造技术有目的地和定义地制造注塑件内部空腔（图9.2-33）^[2]。它是一种双组分的注塑件，第二个组分不是聚合物，而是气体，通常为氮气。

利用惰性气体压力（最大可达300bar）制造注塑件空腔。根据注塑件几何形状和采用的制造方法，在开始将50%～100%的熔化的热塑性塑料溶液注射到模具中（图9.2-34a和b）^[1]。

在第二工位吸入压力气体，并由气体推动熔液前沿继续向前移动并完全变化。多余的熔液溢出或压回到蜗杆前室^[1]。

气体直接进入成型件、进入注塑通道或通过注射喷嘴进入成型件。

图9.2-33 聚酰亚胺厚壁成型件

图9.2-34 注塑件内部气体压力制造技术原理图

a）吹气熔液法 b）将气体直接送入模具

注塑料内部气体压力制造技术可制造三组典型零件：

1）管形零件。如：外装饰条、车顶扶手、冷却液分配管。

2）有加强肋片的扁平零件。如：机体盖。

3）周围为厚壁的壳形薄壁成型件。如：外反光镜体、中间仪表板、车门杂物袋。

专门的GIT造型控制适用于这三组零件。为达到最佳的零件质量，一定要进行造型控制。最后必须指出，注塑件内部气体压力制造技术法有很多方案和专利。因此，在选定注塑件内部气体压力制造技术法前可能要了解附加出现的许可证费用问题。

GIT技术的优点可归纳为：

1）成型件设计有很大的结构自由度。

2）厚壁成型的循环时间较短。

3）零件重量相同时刚度增加。

4）变形小、内应力小。

5）缩孔小。

6）合模力小。

其缺点可归纳为：

1）设备成本较高。

2）工艺控制十分苛刻。

3）质量保证费用较高。

4）可实现多次空化，但费用高，易损坏。

参考文献

其他参考文献

（3）复合材料技术　在塑料零件制造方面感兴趣的是复合材料零件制造技术。至今在很多场合使用的钢板零件虽然质量稳定，但较重。塑料零件的特征是轻，但强度和刚度低^[2]。复合材料可有针对性地利用处于竞争状态的各种材料的优点，以相互组合成一个成型件^[1]。复合材料技术的突破是使它成功地批量使用在奥迪A3轿车的前端横梁模块上^[3]。因此，同样可以联想到的是支撑风窗玻璃升降机构、扬声器、风窗玻璃导向的汽车门框模块，后盖承载构件，仪表板支架等也可采用复合材料。

为制造复合材料零件，要将拉深的、打孔的钢板零件放在注塑模具中，并注射合适的塑料。这时塑料熔液通过冲压在钢板上的孔渗入并在硬化时形成闭合成型、可承受高载荷的复合材料零件。该钢板既不要粘结剂，又不要其他的附加处理工艺^[4]。

利用复合材料技术可设计壁厚很薄的承载件，它比在同样承载时使用纯金属材料的承载件可减轻达40%^[4]。只要紧固件、前盖和前照灯支架、线束架、前盖衬面在制造时已组成一个整件，则这种模块结构方式可节省成本（图9.2-35，参见6.1.5小节）^[6]。

另一优点是这种复合材料零件还有色彩，因为所用的热塑性塑料有很多色调。此外，人们试图在注塑工序用纺织物或薄膜装饰塑料表面，这种方法称为模塑装饰（IMD—In-Mould-Decoration，拜尔公司专利）^[6]。

复合材料零件的主要缺点是再生利用不友好。失效的复合材料零件可以砸碎、过筛和用磁铁分开就可再利用。

概言之，金属/塑料复合材料是用于要求质量稳定、强度好、功能可靠的所有应用场合的最佳方案。复合材料零件重量轻，比等强度的金属构件成本低。零件辅加功能集成度越高，这些优点损失得越多。

图9.2-35 福特福克斯轿车混合前端

参考文献

其他参考文献