汽车部件用钢管成形技术的开发

1 降低钢管二次加工的残余应力、提高部件耐疲劳性的技术

钢管二次加工方法有很多，包括液压成形（HF）、弯曲、转动成形、扩口、缩口等。HF方法可以获得比较均匀的应变分布，因此，HF产品可发生加工硬化提高强度。佐藤雅彦等人从研究部件加工后的残余应力入手，开发出提高扭转梁（torsion beam）耐疲劳性的技术。扭转梁是汽车底盘部件。钢管扭转梁的中央呈V形断面。在汽车行驶中，随着左右车轮的波动，扭转梁不断发生扭转，因此，要求扭转梁具有良好的耐疲劳性。但是，钢管扭转梁成形时产生的残余应力导致其耐疲劳性下降。也就是说，降低成形时的残余应力，可以提高钢管扭转梁的耐疲劳性。

钢管二次加工时产生的残余应力产生的原因是，在钢管成形加工过程中，应力在周向和壁厚方向的分布不均匀。因此，使成形后部件中的应力分布均匀化可降低部件中的残余应力。基于这种思路，开发出利用HF的钢管二次加工方法。将外径101.6mm、壁厚3.4mm、抗拉强度752MPa的钢管冲压成形为扭转梁形状后，利用HF，对扭转梁形状冲压件施加内压和轴向压力，制作成扭转梁样品。样品外表面的残余应力分布如图2。从图2可知，由于HF加工，扭转梁样品的A、B、C三个位置的残余应力都有所下降。特别是，HF加工的轴向压力越大，B、C位置的残余应力越小。

根据HF试验结果可知，即使对无内压冲压加工部件，用HF法施加长度方向的压缩力，也可以降低部件的残余应力。基于这种思路开发出用上下模具将钢管加工成扭转梁形状后，用带有台阶的轴向冲头，插入钢管两端施加长度方向应力的加工方法。采用该方法对外径90mm、壁厚2.8mm、抗拉强度646MPa钢管进行加工，制成的样品外表面残余应力的分布如图3，其中还有使用无台阶冲头进行传统冲压加工的结果。由图3可知，在D、E、F位置的残余应力因使用台阶冲头加工而下降。无内压对钢管进行长度方向压缩时，需要注意防止钢管发生压曲。采用上述方法制作的样品未发生压曲。

2 减薄拉伸制造长度方向壁厚变化钢管（偏肉钢管）的技术

近年来，在钢板冲压加工领域，使用不同部位板厚和强度不同的拼焊钢板材料的趋势增强。只在要求高刚性的部位增加钢板厚度，可以有效地使部件轻量化。管材部件也是如此，如采用偏肉钢管（在长度方向或圆周方向壁厚变化的钢管）则可使管材部件轻量化。偏肉钢管的制造方法有，将拼焊板材弯曲成钢管的方法和拉拔加工制造バデッド管的方法。佐藤雅彦等人提出了与上述方法不同的采用减薄拉伸的方法，这种方法使钢管局部减薄进行偏肉钢管成形，具体如图4所示。第1道工序是用固定器将钢管的一端固定，从钢管的另一端将冲头推进管内进行扩管。第2道工序是卸下固定器，将模具压在扩管部位，同时，再次将冲头推进钢管内，对钢管内面进行减薄拉伸，使该部位薄壁化。用该方法制造出扩管部（厚壁）、减薄拉伸部（薄壁）、未加工部（厚壁）连续成一体的偏肉钢管。

用上述方法将外径60.5mm、壁厚1.8mm、长380mm、抗拉强度440MPa级的电焊钢管（毛管）加工成偏肉钢管，尺寸如图5。加工时的润滑条件是，管内涂敷二硫化钼、钢管外面是脱脂状态，冲头速度1mm/s。

图6是焊缝减薄拉伸部的壁厚测定结果。毛管焊接部中央壁厚因焊道切削略有减薄。但减薄拉伸加工后，该部位的厚度在周向上的分布基本均匀。图7是该偏肉钢管各部位的硬度测定结果。毛管焊接部的硬度略高于毛管母材，但减薄拉伸加工后，两处的硬度基本上没有差别。原因是焊接部与母材处的加工硬化指数（n）不同。母材的n值大于焊接部的n值，所以母材的加工硬化量较大，使焊接部与母材处的硬度差变小。图8是偏肉钢管各部位的粗糙度（Ra）算术平均值。扩管部和减薄拉伸部内表面的粗度小于毛管。原因是，冲头在钢管内面进行高压滑动，特别是，面压高的减薄拉伸部的粗度下降幅度很大。扩管部外表面粗度大于毛管外表面粗度的原因是，扩管时钢管未装入模具，表面形成桔皮状。减薄拉伸部的外表面粗度下降，但下降幅度小于内表面。原因是，减薄拉伸使用的模具表面比冲头表面粗糙，并且钢管外表面与模具之间基本上没有滑动。

本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》38期B13。