1 降低鋼管二次加工的殘余應力、提高部件耐疲勞性的技術

鋼管二次加工方法有很多，包括液壓成形（HF）、彎曲、轉動成形、擴口、縮口等。HF方法可以獲得比較均勻的應變分布，因此，HF產品可發(fā)生加工硬化提高強度。佐藤雅彥等人從研究部件加工后的殘余應力入手，開發(fā)出提高扭轉梁（torsion beam）耐疲勞性的技術。扭轉梁是汽車底盤部件。鋼管扭轉梁的中央呈V形斷面。在汽車行駛中，隨著左右車輪的波動，扭轉梁不斷發(fā)生扭轉，因此，要求扭轉梁具有良好的耐疲勞性。但是，鋼管扭轉梁成形時產生的殘余應力導致其耐疲勞性下降。也就是說，降低成形時的殘余應力，可以提高鋼管扭轉梁的耐疲勞性。

鋼管二次加工時產生的殘余應力產生的原因是，在鋼管成形加工過程中，應力在周向和壁厚方向的分布不均勻。因此，使成形后部件中的應力分布均勻化可降低部件中的殘余應力。基于這種思路，開發(fā)出利用HF的鋼管二次加工方法。將外徑101.6mm、壁厚3.4mm、抗拉強度752MPa的鋼管沖壓成形為扭轉梁形狀后，利用HF，對扭轉梁形狀沖壓件施加內壓和軸向壓力，制作成扭轉梁樣品。樣品外表面的殘余應力分布如圖2。從圖2可知，由于HF加工，扭轉梁樣品的A、B、C三個位置的殘余應力都有所下降。特別是，HF加工的軸向壓力越大，B、C位置的殘余應力越小。

根據HF試驗結果可知，即使對無內壓沖壓加工部件，用HF法施加長度方向的壓縮力，也可以降低部件的殘余應力。基于這種思路開發(fā)出用上下模具將鋼管加工成扭轉梁形狀后，用帶有臺階的軸向沖頭，插入鋼管兩端施加長度方向應力的加工方法。采用該方法對外徑90mm、壁厚2.8mm、抗拉強度646MPa鋼管進行加工，制成的樣品外表面殘余應力的分布如圖3，其中還有使用無臺階沖頭進行傳統(tǒng)沖壓加工的結果。由圖3可知，在D、E、F位置的殘余應力因使用臺階沖頭加工而下降。無內壓對鋼管進行長度方向壓縮時，需要注意防止鋼管發(fā)生壓曲。采用上述方法制作的樣品未發(fā)生壓曲。

2 減薄拉伸制造長度方向壁厚變化鋼管（偏肉鋼管）的技術

近年來，在鋼板沖壓加工領域，使用不同部位板厚和強度不同的拼焊鋼板材料的趨勢增強。只在要求高剛性的部位增加鋼板厚度，可以有效地使部件輕量化。管材部件也是如此，如采用偏肉鋼管（在長度方向或圓周方向壁厚變化的鋼管）則可使管材部件輕量化。偏肉鋼管的制造方法有，將拼焊板材彎曲成鋼管的方法和拉拔加工制造バデッド管的方法。佐藤雅彥等人提出了與上述方法不同的采用減薄拉伸的方法，這種方法使鋼管局部減薄進行偏肉鋼管成形，具體如圖4所示。第1道工序是用固定器將鋼管的一端固定，從鋼管的另一端將沖頭推進管內進行擴管。第2道工序是卸下固定器，將模具壓在擴管部位，同時，再次將沖頭推進鋼管內，對鋼管內面進行減薄拉伸，使該部位薄壁化。用該方法制造出擴管部（厚壁）、減薄拉伸部（薄壁）、未加工部（厚壁）連續(xù)成一體的偏肉鋼管。

用上述方法將外徑60.5mm、壁厚1.8mm、長380mm、抗拉強度440MPa級的電焊鋼管（毛管）加工成偏肉鋼管，尺寸如圖5。加工時的潤滑條件是，管內涂敷二硫化鉬、鋼管外面是脫脂狀態(tài)，沖頭速度1mm/s。

圖6是焊縫減薄拉伸部的壁厚測定結果。毛管焊接部中央壁厚因焊道切削略有減薄。但減薄拉伸加工后，該部位的厚度在周向上的分布基本均勻。圖7是該偏肉鋼管各部位的硬度測定結果。毛管焊接部的硬度略高于毛管母材，但減薄拉伸加工后，兩處的硬度基本上沒有差別。原因是焊接部與母材處的加工硬化指數（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較大，使焊接部與母材處的硬度差變小。圖8是偏肉鋼管各部位的粗糙度（Ra）算術平均值。擴管部和減薄拉伸部內表面的粗度小于毛管。原因是，沖頭在鋼管內面進行高壓滑動，特別是，面壓高的減薄拉伸部的粗度下降幅度很大。擴管部外表面粗度大于毛管外表面粗度的原因是，擴管時鋼管未裝入模具，表面形成桔皮狀。減薄拉伸部的外表面粗度下降，但下降幅度小于內表面。原因是，減薄拉伸使用的模具表面比沖頭表面粗糙，并且鋼管外表面與模具之間基本上沒有滑動。