超高强钢结构件制备用热态金属气压成形技术

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摘 要：热态金属气压成形技术（HMGF）是在液压成形和吹塑成型的基础上形成和发展起来的金属高温快速成型技术。在介绍HMGF工艺的提出与发展的基础上，分析该技术的主要工艺设备、技术控制及完善方向，并提出技术应用前景。

关键词：热态金属气压成形 轻量化 快速成型技术 高温成形

中图分类号：TG39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-025-02

1 前言

热态金属气压成形技术HMGF（Hot Metal Gas Forming）是在液压成形和吹塑成型的基础上形成和发展起来的金属高温快速成型技术，其通过快速加热使材料在高温下成形，改善了材料的成形性能，并提高了成形效率，可实现复杂中空结构件的气压成形，为汽车的轻量化制造提供了一条可行途径。

与液压成形相比较，气压成形具有以下优点：（1）所需成型压力小、设备成本低。（2）生产周期短，其生产效率为液压成形的2～3倍。（3）气压成形允许更高的成形温度，在高温下钢材成形性能好，这就使复杂零件成形成为可能，尤其是在成形高强钢中空件中具有明显的优势。

2 热态金属气压成形技术

2.1 基本概念

热态金属气压成形技术是在液压成形和吹塑成型的基础上形成和发展起来的金属高温快速成型技术，利用高温气体将坯料胀成与模具内腔形状相同，具有预定性能与形状的结构件。

在HMGF过程中，所采用的毛坯料是轧制后的板材或管材预处理以后切割而成。对于管状结构件，首先通过焊接的方法将毛坯料焊接成所需的管料（也可用无缝管下料），然后利用电阻加热方法等方法对管料进行预热，若是复杂结构件则需要用传统工艺进行预成形。将经过预热、预成形的管件置于陶瓷模具中，用含有通气孔的密封装置将管件的两端密封，在高压气瓶、气体传输机构、管件内部之间形成气流回路，并按预先设计的气体压力一时间关系充入压力气体（N2）。然后接通电源，利用镶嵌于陶瓷模具内的感应加热线圈将管件快速加热到高温，材料在高温、内部气压、管件端部沿轴向的压力和模具内壁共同作用快速成形。成形结束后释放压力气体，将结构件移至冷却和淬火模具内，通过水冷快速冷却，使结构件在较高的可控的冷速下获得均匀一致的淬火组织，最后去除工件的多余部分获得所需零件。

2.2 热态金属气压成形的主要设备

（1）压力机。

压力机有多个模具位置，包括加载或预处理模具、成型模具、冷却和淬火模具。同时压力机有两个独立的滑块，一个用来成形，另一个用来淬火，两个滑块可以被单独控制以减少循环周期。

加载和预处理模具通常为一个有嵌套的矩形固定器，用于接收坯料，当然固定器可以有其他形状，在此位置可以进行预处理和预热。成型模具包括上模和下模，当上下模合在一起的时候，其型腔的形状就是所要成形的结构件的形状。下模安装在下模座上，固定在下工作台上，而上模则安装在压板上，压板通过单独的轴承座在顶杆上移动。冷却和淬火模具形状与成型模具一样，不同之处在于冷却模具内布置的是冷却管道，而不是感应线圈。

压力机工作过程中，液压缸可以提供较高的保持压力，使得上下模在高温胀形过程中不会分离。当成形结束后，液压缸通过顶杆带动上模向上移动，开模后，成形件通过传送装置传送到冷却和淬火模具。

冷却和淬火模具的原理与成型模具基本相同。

（2）模具。

一套完整的HMGF模包括了预处理模具，成型模具和冷却与淬火模具。预处理模具用来完成必要的预弯曲和预热部分；成型模具主要用来完成成型过程，冷却模具则用来实现后期的淬火工艺，强化组织性能。冷却模具一般采用的是水冷系统。

HMGF工程中模具采用了陶瓷材料，分为内外两层，内层采用低渗透性，高刚性的材料，用来保证工件的外形；外层采用陶瓷材料，主要起支撑作用。在典型的模具设计中，型腔由氮化硅和致密的陶瓷覆盖层组成，当使用氮化硅时，用陶瓷覆盖面来强化表面。考虑到外层内感应线圈的布置与模具所需的强度，为了阻止电磁感应产生的磁场向外扩散，提高模具的强度，所以选择透磁性较差的陶瓷材料，来减少磁场的散失，降低成本。

（3）加热装置。

为了达到所预期的温度，HMGF工艺中采用了两种不同的加热方式。

1）预热过程中的加热方式――电接触式加热，热成形过程中，坯料由两对电极夹紧，电流通过板材的金属部分，材料的电阻引起零件加热。接触加热使用的一个重要依据是实际效率，这个因素直接取决于零件的电阻。物料通交流电时，电流沿物料截面分布不均匀，存在着集肤效应，表层的电流密度大而中心的小，沿结构件长度方向上加热不均匀，不能很好地对结构复杂的元件加热。

2）在HMGF成形过程中的加热方式――感应加热，将感应加热线圈镶嵌于陶瓷模具中，从而实现对金属件加热和保温。所谓的电磁感应加热就是利用电流通过线圈产生交变磁场，并将工件置于交变磁场中，当交变磁场的磁力线通过工件时，磁力线被切割，产生无数的小涡流，工件的局部可迅速得到加热，通过电磁感应直接使工件自身产生涡流而发热。这种方式直接在工件内部进行加热，因此感应加热的升温速度很快，且热效率较高。

采用感应加热成本低，加热质量高，热量散失少，易于实现自动控制，精度高，并且可以通过改变线圈的排布位置、电流频率来满足不同位置对加热速度的不同需求，优化工件的微观组织，优化工件的最终性能。

3 材料与性能

在热态金属气压成形工艺中，高强及超高强钢结构件的制备是其发展方向之一。高强钢及超高强钢在汽车领域的应用，为其实现轻量化提供了一种有效途径。

在热态金属气压成形过程中，材料的性能决定成形过程中气体压力的大小，高温下材料的成形性能会发生改变，如高强钢随着温度的升高其塑性变好，强度降低，所需的气体压力就会减小。为此，研究不同材料在高温下的成形性能，对于HMGF工艺条件下高温成形极限的建立和工艺设备的制备具有重要意义。

4 HMGF过程中的技术控制和发展方向

热态金属气压成形技术是在液压成形和吹塑成型的基础上形成和发展起来的金属高温快速成型技术，在壁厚减薄、组织控制和密封上有自己的特点。

4.1 壁厚减薄的控制

在变形过程中，由于初始温度的不同，造成最终变形不同，壁厚的减薄是不可避免，但可以通过一些方法来减少壁厚的减薄。管坯在胀形过程中，最大的减薄区域发生在胀形的中央处，可以通过施加轴向压力，向中间区域喂料来减少壁厚减薄，保证管坯壁厚的均匀性，除此之外，由于感应加热可形成不同的温度场，从而可以利用不同温度下的应力应变来达到减少壁厚减薄的目的。再者，成形过程中，倒角处过渡圆弧的填充是最困难的，通过轴向喂料也可以促进倒角处的填充，减少壁厚的不均匀性。

4.2 组织控制

组织决定性能，结构件性能的好坏取决于组织。在HMGF中，采取感应加热和可控的冷却淬火来实现组织的控制。采用感应加热可以实现不同区域不同加热温度的要求，也可实现工件的局部加热，并且运用红外测温技术，来时时控制感应加热的频率，保证成形过程中温度的恒定，使工件的变形温度恒定，减少变形不均匀，从而优化工件的微观组织，提高性能。而可控的冷却淬火可以通过控制冷却水的流速和管道的开闭，来获得不同的冷却速度，得到不同的组织，提高组织的均匀性，改善工件的最终性能。

4.3 密封设计

管道的密封好坏关系到工件成形时间的长短和成形成功与否，如果密封装置的密封效果不好就会造成气体外露，使得成形不能继续进行。为了保证良好的密封效果，可以采用焊接的方法，将两端焊合，再在焊接处开通气管道；另一种则是采用盖式或楔形密封装置，密封材料与工件有着不同的热膨胀系数，在加热过程中，产生不同的变形，使得密封装置一直紧贴工件，不会出现漏气，保证密封的效果。

近年来，对于镁合金、铝合金和钛合金的HMGF取得了较大进展，然而为实现工艺的工业化应用还需开展大量研究，本文对HMGF工艺的进一步发展方向展望如下：

（1）模具材料开发。

现有的HMGF工艺的模具材料为高刚度、高强度、耐高温的陶瓷材料，但陶瓷材料脆性大的特点，限制了其在模具上的发展，考虑到模具寿命、生产成本和生产制造周期等因素，需要开发新的模具材料，在保证成形性能的前提下，尽可能的降低模具成本。

（2）模具一体化设计。

可以采用不同的方式来获得高温高压气体，从而改变模具的加热方式，避免模具内感应线圈的镶嵌，使得成形模具和冷却模具做成一体，减少了模具数量，降低了模具制造难度和成本。

（3）成形材料的开发。

对于HMGF工艺来说，其成形的材料一般为高温下具有良好的塑性且成形速度快，为此，开发高温下具有良好塑性甚至是超塑性的材料或者是新的高应变速率的材料将成为其材料研发的重要方向。除此之外，研究高温下材料的成形性能、变形机理也将成为HMGF工艺的发展方向。

5 热态金属气压成型技术的应用

现在热态金属气压成形技术主要用于车用高强及超高强钢结构件的制备，生产轿车车身结构中对强度要求高的中空件。采用高强钢：（1）能改善汽车的安全和碰撞性能，现代汽车必须满足国家规定的各部分的安全性，尤其是正面和侧面碰撞要求；（2）可以减少汽车质量，降低燃油消耗的同时降低排放，提高汽车性能的同时，使客户满意。

在航空工业中可以用来生产高强度，轻质量的结构件，来减少飞机的重量，提高燃油效率，减少燃油消耗；在航天工业也可以用来制备高精度的管状零件，既节省原料，也可以减少后续机加工的难度和时间。

除了用HMGF工艺生产汽车和飞机上使用的各种轻体件外，还利用该技术生产了管道工业中用到的各种类型的管件及管接头。采用HMGF工艺加工的空心阶梯轴完全可以取代采用传统工艺加工的阶梯轴。与弯曲工艺结合，还可加工轴线为曲线，截面为圆形、矩形或其它形状的空心构件。通过连接和成形复合，可加工出轻体凸轮轴。利用由不同材料组成的复合管材，通过HMGF工艺成形，可以加工复合管件，以满足不同场合的要求。

6 结语

热态金属气压胀成形技术（HMGF）是在液压成形工艺和吹塑成型工艺的基础上形成和发展起来的金属高温快速成型技术，它适用于钢，铝合金，镁合金等金属板材，管材，尤其是高强钢管件的成形。使用该技术可以实现复杂外形部件的整体气压成形，减少零件、制造设备和相关操作数量，减少了庞大设备的资金资金投入，缩短了生产周期，大大提高生产效率。从而弥补了新材料成本的增加，降低了制造过程的总体成本，为汽车结构件的轻量化提供了新型途径。

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