本文针对国产高档汽车对铝合金批量化精密成形、低成本及柔性化的生产需求，以江淮汽车纯电动汽车的具体需求为切入点，详细介绍了开发50000kN轿车车身铝合金覆盖件充液成形设备主机和辅助装置及模具，研制大吨位充液成形集成单元，掌握大吨位充液成形设备及面向批量化生产的充液—局部冲压成形模具的开发、设计和制造等关键技术的过程。

在国外，铝合金充液成形技术已经成熟，瑞典的AP&T、德国SHULER和SPS、日本的AMINO以及意大利的MURARO等设备供应商已竞相开发出3000～10000t的大吨位充液成形装备并建立了生产线，已加工出铝合金汽车发罩内外板、车门内外板及翼子板等覆盖件并已装车应用，AMINO北美分公司利用充液拉深成形技术开发出铝合金汽车发罩内外板、车门内外板及翼子板等覆盖零件如图1所示。

与传统冷冲压刚性模具成形相比，铝合金充液成形可以改善铝合金板材表面质量、实现汽车轻量化。目前，铝合金充液成形技术在发达国家的工业生产中得到足够的重视，产生了相应的充液拉深成形专用设备生产厂家，图2所示应用领域也不断扩大。为AP&T研制的新型同轴式板式充液成形机。国外这类专用设备价格昂贵，图3所示以3000t充液拉深机为核心的覆盖件生产线价格约为2亿元人民币，是国内自主开发成本的2倍以上。

为打破国外技术垄断，推动国内制造业制造能力的提升，响应国家节能减排号召，江淮汽车联合天津市天锻压力机股份有限公司、北京航空航天大学、清华大学以及西安嘉业航空科技有限公司成立项目组进行大吨位充液成形压力机的科技攻关，以期解决铝合金充液成形的技术难题并进行技术推广、应用，填补国内该领域空白。

针对国产高档汽车铝合金批量化精密成形、低成本及柔性化生产需求，以江淮汽车纯电动汽车的具体需求为切入点，开发50000kN轿车车身铝合金覆盖件充液成形设备主机和辅助装置及模具，研制大吨位充液成形集成单元，掌握大吨位充液成形设备及面向批量化生产的充液—局部冲压成形模具的开发、设计和制造等关键技术，解决铝合金成形难题。

技术方案

研究的整体技术方案主要由三大部分组成：50000kN充液成形主机系统、机器人取放件系统和集成控制系统，整体技术方案的研究流程如图4所示。

1.充液成形设备主机系统

充液成形设备主机系统主要由主机、高压源系统、快速换模机构和集成控制系统等组成。针对50000kN充液成形设备主机的结构特点、工作原理，重点通过以下技术的研究来对充液成形设备主机的整体结构和性能进行总体设计，开发多种充液成形设备主机辅助装置，以满足充液成形工艺批量化生产需求。

2.大尺寸弱刚度板材及零件抓取

由于汽车覆盖件尺寸较大，须采用机器人＋吸盘式机械手方式对板材及零件进行放置和抓取，吸盘的数量和布置方式可以根据零件的形状自动调节或人工调节，尽量避免成形前的不可预测的材料变形，提高成形过程的稳定性，提高零件的成品率和工艺的抗干扰性。

3.系统集成

面向大批量生产的需要，对设备主机、零件定位和机器人自动上下料等装置需要进行集成，以满足批量化生产中节拍和稳定性生产的需求。通过引入Profibus现场总线技术，有机组合各个动作环节的协调工作，研究各个环节之间的关系和动作时间的重叠，从而达到本课题研究的考核指标。

4.关键构件研制

充液拉深成形设备关键功能构件材料选择、热处理、表面处理及制备的技术方案。

（1）充液拉深主机及高压源各个关键零部件的工况条件分析、强度校核及失效形式研究；根据实际工况和其他子课题模拟所得到的力学分析对主机各部分材料的力学性能要求提出预期指标，并提出3种以上的备选原材料牌号，作出综合性能比较，确定最终所选用材料；对选定的材料作出热处理工艺模拟实验，并确定最优的热处理工艺。其中根据不同结构和工作要求分为大型铸锻件热处理工艺研究和小型易损耗配件热处理工艺研究。

（2）对部分表面性能要求苛刻的工作部件，如高压源、导板和换模机构定位销等提出合理的先进表面处理技术方案，并对样品的表面性能指标作出分析。

（3）针对易损件提出成套解决方案，包括高压动密封等几个对主机的连续高效低成本工作有重要意义的关键部件。

批量化生产的总体技术方案

1.面向大批量生产的充液成形模具开发

对大型复杂充液成形模具模具结构优化设计与制造工艺设计、大型复杂充液成形模具表面处理、模具寿命控制及安全、模具排气装置、充液与局部冲压复合成形模具、模具承受复杂压力状态下弹性变形控制、零件与模具耦合回弹及模具形面补偿技术等方面的关键技术进行研究，在50000kN充液成形设备上顺利实现铝合金发盖、顶盖等车身覆盖件的生产。

2.大批量生产条件下大型汽车覆盖件充液成形工艺分析技术

重点突破大批量生产零件工艺仿真准确度和适用性、内压力与拉深筋双作用下材料流动规律控制、考虑成品率和一致性的加载路线优化、全成形过程数值模拟、充液与局部冲压复合成形过程分析关键技术等，为大批量、稳定性生产打下基础，是前期工作的进一步延伸。

（1）铝合金板材充液成形过程壁厚变化规律研究

针对铝合金材料整体构件因变形约束大存在的壁厚不均匀问题，研究充液成形壁厚变化规律及其关键影响因素，开展预胀高度和高压界面摩擦行为对壁厚变化的影响规律研究，在通用有限元软件（如Dynaform）上进行充液成形流固耦合模拟分析，为充液成形工艺参数优化、预胀形状设计、界面摩擦控制及构件壁厚的均匀控制提供技术基础。

（2）铝合金板材充液成形过程形状尺寸精度控制

针对成形件成形精度的要求，研究充液成形过程形状尺寸精度控制方法，研究充液成形过程中预胀变形量、压边力、液室压力加载路径、模具变形对形状尺寸精度的影响，掌握加载优化和控制方法，提出尺寸精度控制、组织性能控制和模具设计方法。

（3）铝合金板材充液成形缺陷研究

针对铝合金薄壁难成形材料板材构件充液成形中存在的起皱、开裂问题，研究薄壳塑性失稳行，旨在掌握预胀量、压边力、液室压力加载路对起皱和开裂的影响规律，建立工艺窗口，为充液拉深成形提供指导。

（4）铝合金板材充液成形件质量评估，工艺参数优化

以壁厚、抗凹性、变形均匀性及尺寸精度为指标进行综合评估，优化预胀量、压边力、液室压力和坯料形状尺寸等关键工艺参数，建立工艺规范，指导实际生产。

3.面向批量化充液成形生产的铝合金覆盖件产品设计、产品验证及质量控制研究

重点面向产品的稳定性和一致性进行产品设计、检验，突破柔性检测工装、切边模具及回弹控制、涂装稳定性及装配、钢铝涂装烘烤变形匹配和整车装配试验验证等关键技术，形成面向充液成形批量化生产的质量控制体系和产品验证体系。内容包括：

（1）铝合金材料性能控制及面向充液成形的铝合金覆盖件设计

选择合适的铝合金材料如6451和6014等，针对其力学性能及其稳定性进行研究，根据其成形极限、失稳规律和成形极限余度等并面向充液成形工艺的需求，设计相应的铝合金覆盖件如发盖内板和顶盖，利用有限元技术对其力学和疲劳性能以及成形后零件、装配后的整车性能进行仿真，将知识与设备、工艺和模具相结合，从而为成形出合格的样件以及批量化生产打下基础。

（2）面向充液成形的切边系统研究

充液成形精度较高，需要研制精度高的切边模具和工装夹具，研究切边的工艺过程和顺序，以避免零件的再次塑性变形和内部残余应力的不均匀释放，回弹量过大，造成零件质量的不可控，从而影响到零件的装车精度。

（3）形状检测柔性夹具的研究

充液成形精度较高，需要研制精度高的切边模具和工装夹具，工装夹具具有柔性特性，可以面向至少4种产品如发盖内板和顶盖等的使用，减少了检测的成本。柔性夹具的多点支撑系统、检具的可重构调配装置、传感器位置设定等是其中的关键。

（4）钢铝焊接及涂装烘烤变形补偿技术

所设计和成形的铝合金零件需要与其他钢件焊接后进行涂装、烘烤，钢铝焊接后焊缝的力学、内部组织性能控制以及变形控制非常关键；并且由于钢铝之间的热膨胀系数不同，焊接后进行烘烤时很容易产生变形不均匀。如何控制烘烤时的变形也是关键技术之一。

结论

江淮汽车通过对压力机、自动化、高压源、模具、工艺的研究（钢—铝电位平衡研究、焊装密封研究、钢—铝连接技术研究、铝合金涂装技术研究、表面抗凹性能研究、碰撞达标性研究、振动以及噪声控制技术研究等），拟2016建成一条年产10万台套铝合金制件的高速自动化生产线，实现铝合金制件的整车搭载，使汽车轻量化技术得到延伸，提升装备制造业的发展，推动节能减排、低炭经济。