轿车安全气囊零件流动控制精密成形技术

不得不爱 · 发表于 2010-10-17 09:55

轿车安全气囊零件流动控制精密成形技术摘要：详细分析和研究了轿车安全气囊零件流动控制精密成形工艺方案及其关键技术特点，提出流动控制腔的设计方法，采用经验公式计算成形力。最后介绍了工艺试验、模具、设备及所取得的成果。
关键词：轿车　安全气囊　流动控制精密成形

一、前言

近年来，德国和日本率先开发出金属“流动控制成形” (Flow Control Forming ，简称FCF) 技术，实现了安全气囊等零件的闭式锻造成形[1 ] 。FCF 技术的特点在于：可以精确控制金属材料的非均匀塑性流动，提高其成形性能，可实现更加复杂的结构件的精密成形；可以有效避免折叠、充不满等缺陷的产生，使制件金属流线连续致密，提高了产品的机械性能；可以使制件表面更加光洁，尺寸精度更高，其公差能达到IT8～9 级。

金属流动控制成形( FCF) 技术涉及材料成形性能、成形工艺、模具技术、设备及前后配套工序等方面的专业知识，是当前金属精密成形领域的前沿技术，也是国际塑性加工技术所关注的热点课题。

近两年，随着我国加入WTO ，家用轿车迅猛增长，因此对于安全气囊的需求量急剧增加。作者及其课题组，对轿车安全气囊的关键零件，即高强度铝合金压盖与壳体(图1) 的“流动控制精密成形技术”进行了较为深入的研究与开发，并取得了成功。下面将研究开发情况进行较为详细的论述与介绍。
二、流动控制精密成形工艺分析及控制腔设计

1 流动控制成形工艺分析

流动控制成形工艺的实质就是闭式模锻成形，即使金属在外力作用下在封闭的模膛内流动成形。该工艺有两个关键点：一是控制金属的流动方向和最后充满模膛的位置，以获得优质锻件；二是控制模锻成形力的大小，使其不能过分增大而影响模具的寿命，甚至影响设备的安全运行。要达到这两个目的，其关键技术是分流降压腔或工艺补偿空间的设计。下面以压盖为例，来分析其成形工艺及如何实现流动控制成形。

压盖零件的底部并非圆形法兰，而是根据产品的不同，有4 个非均匀分布的凸耳。为了便于模锻成形，减少设备吨位和适当简化模具结构，其锻件沿凸耳的外切圆设计成整体圆形法兰。

根据压盖锻件底部带有法兰、上部为三层圆筒结构的特点，其流动控制成形工艺可以设计成正向闭式挤压模锻成形，如图2 所示；也可以设计成反向闭式挤压模锻成形，如图3 所示。

若采用正向闭式挤压模锻成形，对于金属流动成形的控制腔，即分流降压腔的设计，有两种方案：其一，将控制腔设置在凹模法兰模膛的周围，其形状为一扁平环形槽，如图2a 中的A 所示。模锻时，将圆饼状坯料放入凹模模膛，凸模施加压力，使坯料金属产生正向挤压变形，当所有圆筒形模膛充满后，坯料上少量多余金属(为了工艺的稳定性和获得合格锻件所必需的) 被挤入控制腔而成环形小飞边，对环形小飞边可采用小间隙切边模切离。其二，将控制腔设置在模锻时最后充满的圆筒模膛的顶端，即将圆筒形模膛设计得比锻件对应的圆筒长一些，如图2b 中B 所示。模锻时，当模膛部分充满后，多余金属则被挤入筒形控制腔，锻后采用车削加工的方法去掉。

若采用反向闭式挤压模锻成形，同样对于金属流动控制腔有两种方案可供选择：其一，将控制腔设置在法兰模膛上端周围图3a ，其形状大小同图2a相同；其二，设计在最后充满的圆筒模膛的顶端图3b ，则与图2b 完全一样。

2 控制腔(分流降压腔) 的设计

(1) 横向环形控制腔的设计[2 ]

由文献[2 ] 可得到环形控制腔的高度尺寸hcS与法兰模膛半径r0 ( = d0/ 2) 的近似关系为

hc = 0.082 ·r0 (1)

环形控制腔外半径rc 的大小取为

rc = (1.1 ～ 1.15) ·r0 (2)

相应的环形控制腔的体积为

Vk = 0106 ·r30 (3)

按式(3) 计算出的环形控制腔的体积约等于坯料多余金属体积2 倍，而多余金属体积为坯料体积的上偏差值与锻件体积的下偏差值之差。

(2) 纵向圆筒控制腔的设计

1) 控制腔设置的位置　若将控制腔设置在模具的所有圆筒形模膛中最后充满的模膛的端部，首先必须做出判断，即对于厚度不同、高度也不同的模膛，到底其中哪个模膛最后充满? 通常容易造成高度最大的模膛才能最后充满的错觉。

根据塑性成形最小流动阻力定律和试验观测，应当主要由模膛对变形金属的流动阻力的大小来判断。为此，作者提出可通过圆筒形模膛的高宽比或宽高比来判断，即
式中　k ---圆筒形模膛的高宽比
h ---模膛高度
t ---模膛宽度。

对于压盖锻件，首先分别计算内、中、外筒的h1/ t1 、h2/ t2 、h3/ t3 ，得到k1 、k2 、k3 的具体数值，然后根据k1 、k2 和k3 的大小做出判断。显然，k 值最大的圆筒形模膛端部才是模锻时最后充满的部位。因为当所有圆筒形模膛尺寸精度，尤其是模膛表面粗糙度在加工时保证严格一致的条件下，越是窄而深的模膛其流动阻力越大，无论是冷态挤压模锻还是热态挤压模锻，均是如此。

2) 高度尺寸的确定　当所有圆筒形模膛中最后充满的模膛被确定后(若外径为d1 ，则内径为di -2 ti) ，则相应的控制腔的内径为di - 2 ti 。因此仅需确定圆筒形控制腔的高度尺寸hi 即可。根据控制腔的体积约等于坯料上多余金属的2 倍，即
三、模具设计与设备选择

1 模具设计

模具结构设计是流动控制精密成形的关键，作者设计了两套可分凹模模具通用模架，一套适用于单动液压机，另一套适用于双动液压机。更换凸、凹模工作部分可实现压盖、壳体的多种流动控制精密成形工艺方案的试验。试验表明，采用双动压力机时，其可分凹模模具结构较为简单，有利于提高其使用寿命。

2 设备选择

(1) 设备吨位的计算

以挤压变形为特征的成形力，即设备吨位可按如下公式计算：

P = CpA (6)

式中　p ---单位挤压力(MPa)
A ---凸模工作部分的投影面积(mm2)
C ---安全系数

单位挤压力p 有理论计算、经验计算和实验测试等多种方法确定，但采用比较简单且常用的经验计算公式如下[3 ] ：
式中　n ---各种因素对冷挤压单位压力影响因素的平均值
a 、b ---与材料有关的系数，对于有色金属，a = 3.14 ，b = 0.8
A0 、A1 ---毛坯挤压前后的断面积(mm2)
x ---模具形状影响系数
σb ---冷挤压材料的抗拉强度(MPa)

根据压盖冷挤压模具特点及所用铝合金冷挤压前软化处理规范，分别取模具影响系数x = 1.5 ，材料的抗拉强度σb = 280MPa ；代入压盖的相关尺寸数据，计算得到单位挤压力p 约为1300MPa ，这与有关文献的推荐值完全符合。

由单位挤压力p 与挤压凸模工作部分的投影面积，得到压盖的成形力与试验实测的成形力非常接近。

试验所用设备为Y28 - 400/ 400 型数控双动液压机，机内、外滑块公称压力均为4000kN ，下顶缸公称压力为2000kN ，可以实现三动。当作为单机使用时，若成形力在4000kN 之内，仅采用内滑块即可；若成形力大于4000kN 而小于或等于8000kN ，则可将内、外滑块联锁为公称压力为8000kN 的单动压力机。全部空行程速度为300mm/ s ，内滑块与下顶缸工作速度为20mm/ s ，全部参数为计算机控制，主要用于冷挤压和温、冷闭式模锻。

四、试验结果及效益分析

图4 为分别采用LY12 、LC4 试验成功的轿车安全气囊压盖和壳体的精密模锻件。
以压盖为例，零件重量为0.104kg ，精密锻件重量为0.360kg ；在精密模锻件未开发成功之前，某单位采用LC4 超硬铝棒通过机加工试制和生产，单件用料1.192kg ，而我们开发的精密模锻件重量为0.360kg。不难看出，完全采用实心棒料通过机加工生产，材料利用率仅为8.7 %；而采用流动控制成形实现精密模锻生产时，其材料利用率为30 % ，相对于机加工材料利用率提高3 倍以上。生产压盖所用的LC4 优质铝合金，其进口材料价格为50 元/ kg左右，国产的价格也超过30 元/ kg。采用流动控制成形新技术，节约了原材料，减少了机加工工作量，提高了工作效率和产品质量，技术经济效益显著。

五、结论

根据轿车安全气囊压盖的结构特点，分析了流动控制精密成形工艺方案及其关键技术，提出了流动成形控制腔的设计方法，介绍了模具设计与设备的选用，试验表明其研究结论与成果是切实可行的，技术经济效益显著，具有重要的应用前景。

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