1汽车轻量化结构件内高压成形技术跟装备Word下载.docx
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20、胰腺康口服液（佳木斯大学）
南岗区科技局86212151
1、汽车轻量化结构件内高压成形技术与装备
（一）项目提出的背景
对于轿车，每减轻重量10%，油耗可降低8%-10%。
由于汽车采用铝合金等轻质材料减重成本大幅提高，汽车减重的主要途径是通过设计合理的受力结构实现减重。
空心变截面构件是一种典型的轻体结构，其传统制造工艺是先冲压成二个或多个半片，再焊接成整体构件。
存在工序多、零件数量多、实现复杂截面变化困难、焊点影响疲劳性能等缺点。
内高压成形正是在这样的背景下发展起来的一种制造空心轻体件的先进制造技术，其主要工艺过程是把管坯弯曲成零件轴线形状，通过预成形分配材料，然后在模具内施加高压液体成形（高压液体压力通常在200MPa左右，最高可达400MPa）。
具有产品成形精度高、生产效率高的优点，与传统冲压焊接的产品相比重量减轻20～30％、刚度和疲劳强度提高，碰撞安全性好，成本降低15～20％，模具费用降低20～30%。
被国际“超轻钢制车身项目”专家称为“优化未来汽车设计的途径”。
（二）项目来源、水平，用途及应用领域
哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心是国内首家系统开展内高压成形技术研究的单位，在国家自然科学基金、国家杰出青年基金、黑龙江省重点攻关项目、985工程和211工程学科建设项目支持下，与一汽集团、宝钢集团、齐齐哈尔第二机床、合肥锻压机床有限公司等企业合作，先后在内高压成形理论、工艺和设备关键技术研究方面取得突破，已经在多个品牌轿车上取得应用成果，亟待通过生产线建设和产品化技术研发扩大产业化规模，满足日益增长的市场需求。
内高压成形是近年来在超高压稳定密封和超高压计算机实时控制技术突破后产生的先进制造技术，可以一次整体成形沿构件轴线截面形状复杂多变的空心结构件，不但要实现对给定加载曲线高精度的跟踪，而且控制系统快速响应和反馈，以保证在10秒左右加工一个零件。
产品性能优良、技术含量高、附加值大，市场竞争力强。
哈工大先后研制国内首台二轴数控和三轴数控内高压成形机，攻克了400MPa高压源动密封和超高压控制关键技术，成功研制全尺寸轿车副车架、后轴纵臂、转向节臂零件，以及多种变径管件、不锈钢接头、空心阶梯轴和组合式凸轮轴等典型样件。
克莱斯勒300C轿车仪表盘支架、宝来轿车不锈钢排气管件和火箭接头已经形成批量。
并为哈尔滨、大连和天津等地汽车零部件公司开发了400MPa内高压成形设备，用于生产汽车底盘零件和排气管件。
本项目重点开发的产品为汽车轻量化结构件，包括：
奔腾轿车（301平台）副车架零件和高档轿车仪表盘支架等产品。
内高压成形技术可应用领域主要为汽车空心变截面构件，如汽车副车架、散热器支架、底盘构件、车身框架、座椅框架、前轴、后轴及驱动轴和排气系统异型管件等。
在航空、航天和国防领域一些空心轻量化结构件也适于采用内高压成形技术来制造。
（三）项目主要内容及产业化目标、任务
1、主要内容
（1）开展内高压成形机结构设计和优化、研制合模压力机及其控制系统；
（2）研制生产条件下增压器、水压系统、液压冲孔系统及其控制系统；
（3）研制生产用副车架、仪表盘支架弯曲模具、预成形装置和终成形模具；
（4）研制典型样件、确定内高压成形工艺规范，实现小批量试生产。
2、产业化目标、任务
建设内高压成形示范生产线（包括2000吨内高压成形机、200吨预成形机和弯管机等），解决典型产品的模具和工艺生产关键技术，进行零件试生产和性能测试、装车检验。
（四）项目所需投资
项目总投资约1500万元。
主要用于：
2000吨内高压成形机研制、预成形机和弯管机购置、生产线其它设备费共计1000万元；
批量生产用增压器及其控制系统、批量生产模具的研发费共400万元；
典型样件试制、总成制造和性能检测、装机试验，以及试生产费用100万元。
（五）项目对我省产业发展带动作用及可获得的经济和社会效益
汽车工业是国民经济发展的支柱产业，因而本项目有着广阔的市场前景。
作为我省首家内高压成形技术产业化生产项目，对我省及我国汽车制造业的工艺水平提高、制造成本降低有着重要推动作用，将产生显著经济和社会效益。
国内整车厂家，如一汽轿车、一汽大众、上海大众、奇瑞等，以及零部件制造企业如天津顺达、宁波舜江、长春恒巨等，均对内高压成形技术和产品有迫切需求。
奥迪A6、奥迪A4、帕萨特B5、马自达M6、克莱斯勒300C和奔腾等车型内高压成形件均有国产化需求。
预计国内近年轿车内高压成形件需求约500～1000万件/年，至少需要50条（台套）内高压成形生产线（装备）。
国内目前尚无大批量生产内高压成形件的生产线，仅有2家合资厂和2家民营企业的少量单机用于特定零件的生产，生产能力远远不能满足国内的巨大需求。
本项目建成后，按1种副车架零件估算达产后利润7800万元/年，项目初期投资仅1500万元，投资回收期短，经济效益可观。
2、电力系统光学电流互感器
（一）项目提出的背景
与传统电磁式电流互感器相比，基于Faraday磁旋光效应原理的光学电流互感器在理论上具有如下的明显优势：
一是测量原理准确化。
根本消除了电磁式电流互感器的磁路饱和现象，在测量原理上没有测量频带问题。
不仅具有稳态测量的高精度，而且具有暂态测量的高精度。
二是测量传输光纤化。
光学传感原理自然采用光纤传输方式，极大简化了绝缘结构，保证了互感器高压绝缘的安全性，大幅度降低了绝缘成本，电压等级越高成本优势越明显。
三是测量输出电子化。
输出数字量，直接满足数字电力系统的要求。
四是没有有害气体，完全满足节能减排和环境保护要求。
哈工大电气工程系电力系统自动化技术研究所在1991年就开始了光学电流互感器的研究，经过研究取得了重大的突破性成果。
一是中国电机工程学会对该成果进行了鉴定，认为“在理论和实践两方面取得了成功，解决了法拉第磁旋光效应光学电流互感器两大世界性难题，标志着所研制的磁旋光效应光学电流互感器具有工程实用化前景，项目在法拉第磁旋光效应光学电流互感器关键技术方面取得了突破性成果，达到了国际领先水平。
”
二是目前35kV、110kV、220kV、500kV四个主导电压等级的光学电流互感器都通过了国家权威产品检测单位（国家电网公司武汉高压研究院）的产品型式试验。
所有指标都达到或者超过了国际IEC60044-8电子式电流互感器标准的要求，具备了国家认定的产品进入电网的资格。
三是已有19台光学电流互感器在35kV、110kV和220kV电网投入运行，安装地点分布于华北电网、东北电网、华东电网和华中电网。
运行情况表明，光学电流互感器品质优良、稳定可靠，得到了电力客户的好评。
1、自愈光学电流传感技术：
解决了光学电流互感器测量精度的温漂问题。
包括四个相互联系的辅助技术：
卡尔曼滤波技术、差分—校正技术、自愈技术和故障辩识技术。
2、零和御磁结构技术：
提出并利用零和御磁理论解决了外磁场对光学电流互感器测量精度的干扰问题。
3、容错光学传感技术：
采用双传感单元的方式，大幅度提高了光学电流互感器的运行可靠性。
4、非连接光连接工艺：
本质地保证了光学电流互感器的运行可靠性。
5、光纤绝缘子内绝缘技术：
在明显降低制造成本的条件下，大幅度地提高了绝缘安全性。
光学电流互感器在高压电网具有传统电流互感器无法比拟的成本优势。
由于绝缘结构复杂，传统的电磁式电流互感器绝缘成本昂贵，并且随着电压等级的上升制造成本大幅度提升：
220kV产品的成本为6.0万元人民币，500kV产品的成本高达25.0万元人民币。
对于1000kV特高压输电工程，根据中国电力科学研究院的推算，每台传统电磁式电流互感器的制造成本高达178万人民币，由于高压绝缘的技术困难，还不能保证电流互感器制造的技术可行性。
哈工大研制的光学电流互感器，1000kV的制造成本仅仅30万元人民币，在保证绝缘安全性的条件下明显地降低了制造成本。
为了保证电网安全运行，电力装备要按一定的时间周期更换。
不仅如此，如上所述，中国电力正处于快速发展阶段，作为重要电力基础装备的电流互感器需求量很大。
目前，中国的互感器市场需要总额为每年80多亿元人民币，其中110kV以上电压等级的电网每年需要3万多台电流互感器，金额超过在30亿元人民币。
表1是2005年度我国110kV以上电压等级电网电流互感器的市场容量情况。
在技术进步的推动下，电力系统开始了数字变电站的建设工作，未来的变电站都将是数字变电站。
作为数字变电站的关键装备，电子式互感器必将取代传统互感器，成为互感器市场的主体，而光学电流互感器是品质最好的电子式电流互感器。
产业化目标、任务：
建设光学电流互感器制造企业，实现领先的光学电流互感器技术的产业化。
经过5年建设，达到15%到20%的市场占有率目标（高压电流互感器市场），年产值达到5亿，年利润达到1亿。
资金投入分两个阶段：
产品化阶段和产业化阶段。
产品化阶段以小批量生产为基础，目的是提升产品质量，掌握制造技术和质量检测技术，得到电力客户的认可；
产业化阶段迅速上规模，达到企业的利润指标和产值目标。
为了规避风险和保证经济效益，在产品化阶段控制投资规模，产品得到电力客户认可后再大幅度增加投资，以确保公司健康和快速的发展。
建设期限：
第一年完成产品化工作，第二年进入产业化阶段。
也就是第2年开始获得利润。
产品化阶段的资金需求为：
第1条生产线300万元
中间试验及质量检测系统200万元
流动资金200万元
其他：
100万元
产品化阶段的资金需求为800万元。
（五）项目对我省产业发展的带动作用及可获得的经济、社会效益
数字化时代的到来对包括电力系统在内的工业领域将产生重大的变革性影响。
电子式互感器是数字化时代的必然结果，传统的互感器产业必须变革，否则将被时代淘汰。
光学电流互感器制造企业适应时代发展。
相信本项目的实施会在互感器制造业产生重大影响，将为促进产业升级做出重要贡献。
电压等级不同，光学电流互感器的制造成本不同，销售收入也不同。
为了方便计算，这里按每台生产成本4万人民币计算，销售收入按每台平均7万人民币计算。
如此每台平均利润为3万元人民币。
得到如下结果：
第1年。
产品化阶段。
销售200台。
生产成本为800万元，销售收入为1400万元，利润为600万元。
第2年。
产业化阶段第1年。
销售1000台。
生产成本为4000万元，销售收入为7000万元，利润为3000万元。
第3年。
产业化阶段第2年。
销售2000台。
生产成本为8000万元，销售收入为14000万元，利润为6000万元。
按照每年资金回笼两次计算，需要如下的流动资金：
第1年，400万元；
第2年2000万；
第3年4000万。
以哈尔滨三大动力企业为龙头，黑龙江省我国重要的电力装备制造基地。
本项目的实施，将进一步增强黑龙江省电力装备制造业的实力。
光学电流互感器是高科技产品。
将采用集成制造模式。
就是：
控制核心部件的生产，大部分部件通过外协生产。
如此，不仅本企业可以产生就业机会，而且可以带动其它企业的发展，可以进一步扩大地方的就业机会。
3、碳纤维复合材料高压气瓶
碳纤维复合材料高压气瓶与传统金属材料压力容器相比，具有重量轻、压力容限高、可靠性高、失效模式安全等优点。
在军事领域，碳纤维复合材料高压气瓶是飞行器动力系统的关键组成部件之一。
被广泛地应用在火箭、卫星、导弹、飞机、空天飞行器等航空航天系统上，对减轻飞行器的整体重量，降低发射成本具有重要意义。
民用上，在经济高速发展的现代社会中,气瓶制造业被认为属于朝阳工业范畴。
对气体能源的开发存储，新能源汽车的设计制造有着重要的影响。
本项目以碳纤维复合材料高压气瓶为研究对象，开展小极孔碳纤维复合材料高压气瓶的结构设计、超薄金属内衬制备、小角度缠绕成型工艺和健康监测等方面的研究工作。
在此基础上制备出相比同类型产品重量更轻的碳纤维复合材料高压气瓶。
为碳纤维复合材料高压气瓶在新型武器装备、航空航天系统、储气领域、新能源汽车上的应用奠定基础。
项目来源于国家“863”重大专项计划《大尺寸复合材料高压气瓶研究》。
在该计划的支持下，项目组首次设计和制备出了带有超薄钛合金内衬的小极孔碳纤维复合材料高压气瓶。
该气瓶相对同容积、同压力的同类气瓶减重30%，减重效果显著。
产品经使用单位现场验收满足使用性能要求，已成功应用于某型号飞行器液体发动机的地面试验，是国内第一个用于挤压式液体火箭发动机的复合材料高压气瓶。
目前，该产品已应用在我国火箭和导弹液体发动机仅有的两家研制和生产单位，北京航天动力研究所某型号液体火箭发动机和西安航天动力研究所某型号液体发动机上，并为这些型号稳定配套碳纤维复合材料高压气瓶产品，对新型火箭发动机的减重起到了关键性作用，为系列新型火箭发动机的研制奠定了基础。
同时，伴随着气体应用技术的成熟，该产品及相关技术可转化用来制备储气、储氢的复合材料气瓶，促进气体能源的开发利用，新能源汽车的设计制造，应用前景广阔。
1、小极孔碳纤维复合材料高压气瓶整体结构优化设计。
针对小极孔碳纤维复合材料高压气瓶的特殊结构形式，在满足使用性能要求的前提下，相比同类气瓶以最大化减轻重量为设计目标，进行高压气瓶整体结构优化设计。
2、超薄金属内衬成型技术。
针对超薄金属内衬成型过程中易出现的回弹、边缘开裂、厚度不均匀现象及焊接时易氧化、烧穿、产生气孔的工艺难题。
采用冲压与拉伸相结合的分段式成型技术，结合特种焊接工艺攻克超薄金属内衬成型工艺技术。
3、小角度特种稳定缠绕成型技术。
针对小极孔复合材料高压气瓶的结构设计和缠绕工艺要求，建立了小角度缠绕设计理论和工艺方法，解决传统缠绕工艺不利于碳纤维强度发挥和极孔周围厚度堆积导致封头应力场不均匀的难题。
4、碳纤维复合材料高压气瓶健康监测与可重复使用技术。
建立复合材料高压气瓶性能检测平台。
监测碳纤维复合材料高压气瓶在重复使用时的变形情况，进行全寿命监测，预测碳纤维复合材料高压气瓶的工作状态，保证其在服役期的安全性。
本项目以碳纤维复合材料高压气瓶整体结构优化设计、超薄金属内衬成型、小角度特种稳定缠绕制备工艺及碳纤维复合材料高压气瓶性能检测技术为主线，建成具有相对稳定生产能力的碳纤维复合材料高压气瓶产业化基地。
全面提升促进我国在碳纤维复合材料高压气瓶领域的设计制造水平，保证我国航空航天系统、气体存储领域以及汽车制造行业的需求，促进复合材料压力容器制造产业以及相关产业的技术升级和发展，加快国民经济和国防建设的前进步伐，完全符合国家高技术产业化的指导思想、总体思路和目标要求。
项目组已投资420万元完成碳纤维复合材料高压气瓶产业化基地厂房的建设工作，厂房建筑面积2400m2，具有年产400支气瓶的生产空间。
在此基础上项目组拟建设两条生产线，批量生产碳纤维复合材料高压气瓶，所需投资规模为684万元。
通过本项目的研究，可有效提升我省在超薄金属内衬冲压成型、自动焊接技术、复合材料压力容器加工技术领域的制造水平。
同时，结合我省最大的航空复合材料产品研发基地——哈飞集团以及哈尔滨玻璃钢研究院等企业在复合材料制备、飞机设计、汽车制造等方面的优势，形成碳纤维复合材料高压气瓶研发与工程应用的产业链，全面提升促进我省在碳纤维复合材料高压气瓶领域的设计制造水平，促进复合材料压力容器制造产业以及气体能源、新能源汽车等相关产业的技术升级和发展。
满足航空航天、潜艇舰船、武器装备、气体存储、交通运输等领域对超轻量化高压容器的需求，为各种类型发动机的性能提升带来积极的促进作用，必将带来巨大的社会效益和经济效益。
4、便携式多波束测深仪
随着现代科学技术的进展，人们通过空间遥测技术获得了人类居住的地球上陆地部分较为精细的地形，并据此指导人们改造自然，开发各种陆路资源为人类社会发展服务。
但我们对约占地球表面积71%的海底地形以及大量江河湖泊的水下地形的了解却远未达到人们期望的程度。
众多应用场合都迫切需要高效、高精度、高分辨的便携式水下地形测量技术和设备。
便携式多波束测深仪正是满足此需求的高新技术产品。
本项目技术来源于曾获得原中国船舶工业总公司部级科技进步一等奖的海军某型号多波束测深仪。
哈尔滨工程大学在此高新技术成果的基础上，依靠获得的国家自然科学基金、高等学校博士点基金、水声技术国防科技重点实验室基金、黑龙江省高新技术产业化基金项目开发出我国首台“便携式多波束测深仪”和我国首台“便携式高分辨浅水多波束测深仪”，初步具备了研制系列化多波束测深仪产品的能力。
其中，“便携式高分辨浅水多波束测深仪”于2007年11月参加在上海举办的中国国际工业博览会并从2800多项参展产品中脱颖而出获得三等奖（国家级，仅39个项目获奖！
）；
2007年12月该设备进行了部级科技成果鉴定，权威评审专家一致认为：
“设备的技术指标已经达到当前了国内领先、国际先进水平”。
便携式多波束测深仪有着十分广阔的市场需求和应用前景，可以穿透水体获取海底地形信息，探测水下生物资源、矿藏资源的分布情况，保障水上交通运输安全、航道疏竣、抗洪抢险、以及水下导航与定位，海底电缆铺设、障碍物探测与沉物打捞，江河、水库容量预测，堤坝、桥墩泥沙淤积测量、水下考古调查等。
便携式多波束测深仪是集现代水声、电子、计算机、信号处理技术为一体的高新技术设备。
其主要内容如下：
1.多波束声学基阵结构优化设计、加工与测试方法
2.高密度多层印刷电路板精密焊接、调试与检测方法
3.高可靠性海底地形检测与跟踪信号处理软件研究
4.系统时间、位置信息归位计算与修正技术研究
5.实时测控与可视化监视软件开发
6.系统静态校准和动态校准技术研究
本项目的产业化目标和任务：
本项目的产业化目标是要满足国内市场迫切需求且数量很大的各种浅水多波束测深仪应用场合，逐渐替代国外昂贵的进口产品，最终实现海底地形地貌探测主要高端设备—多波束测深仪的完全国产化。
但因为长期以来国外产品占据国内市场，广大用户对国产新产品需要一个认识、了解和熟悉的过程。
为此，本项目的首要任务是要尽快形成小批量生产能力，完善本项目产品的可用性和可操性，通过加强无偿试用和用后满意付款的销售方式缩短被国内用户熟悉的时间。
本项目产品的另外一个任务是努力降低生产成本，让更多的中国人用得起高端海底地形地貌探测设备，因此价格定位原则是仅为国外同类产品的三分之一左右。
相信经过1-2年的产品成熟期后，可进一步扩大销售数量和市场占有率，最终实现全面替代国外产品的总体目标。
根据初步市场分析及项目规划，本项目所需总投资概算为288万元，固定资产投资40万元，研发费用118万元，流动资金130万元。
（五）对我省产业发展的带动作用及可获得的经济、社会效益
1.经济效益分析
本产品适用的行业有大面积扫海测量、海洋工程、海底资源调查、水库测量、河道测量、抗洪抢险、水下考古和军事等。
在国内市场，多波束测深仪的需求数量很大，只是很多中小用户对国外产品的高价位、高维护费、高培训费等望而却步，相信高性价比的国产便携式多波束测深仪的能有广阔的国内市场，并为我省创造巨大的经济效益。
2.社会效益分析
便携式多波束测深仪是一项高新技术产品，难度大、技术复杂，自其在美国诞生至今世界上仍只有美国和西方少数发达国家能够制造。
本项目作为国内唯一自主知识产权的多波束测深仪产品，掌握了该高新技术产品的制造技术可以极大地促进我国跻身于世界海洋测绘仪器制造先进国家行列，有利于提高我国的国际地位。
其次，进入20世纪以来，随着陆地资源逐渐枯竭人类开始大规模向海洋进军，导致产生了海洋专属经济区（EEZ）激烈的划界斗争。
采用多波束测深仪可以加速我国大陆架测绘工程的进程，提高测绘效率和质量，使我们在与邻近国家的谈判中掌握主动权，保护我国的海洋资源，维护国家的主权与尊严。
第三，现代战争是陆海空全方位立体战争，水下安全和防卫由于其隐蔽性显得更加重要。
我们当务之急是利用和平时期做好充分的战场准备。
多波束测深仪是海军测绘部队唯一可以选用的能够高精度、高效能地进行海底地形测绘的适用装备。
可以为未来海上、水下战争中争取主动权，为打赢一场现代化条件下局部战争提供可靠的测绘保障。
第四，由于本项目产品价格为国外典型产品价格的三分之一左右，利用价格优势可以一方面在国门内进一步普及水下测绘新技术、新设备，迫使国外进口产品降价，也可以利用价格优势出口到东南亚国家和其他沿海国家，从而进一步扩展产品的需求数量。
5、光纤光镊
激光捕获就是利用激光的动力学效应实现对微粒的稳定捕获。
目前，人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。
此外，光镊技术还可应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。
基于显微镜的光镊仪器体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小，使其很难操纵位于狭窄位置（如深孔中）的微粒，也不易实现多光镊操纵。
这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。
与基于显微镜的光镊系统相比，光纤光镊操纵灵活，被捕获的生物样品可以自由移动。
光纤光镊微操纵系统简单适用，光纤可以深入到样品室，在样品池里形成光阱，大大提高了光阱捕陷范围。
因此，光纤光镊技术已受到世界各国，特别是技术发达国家和地区的科技工作者的广泛关注，这一技术在生物学和仪器学等众多学科领域得到广泛和深入的研究。
随着科学研究向微观领域的不断延伸,对微米级物体的捕获和操作日益显现出重要性，特别是随着生物医学的发展，单分子水平上的捕获与操纵变得尤为重要。
光纤光镊由于操作灵活、易于实现，其操控对象和操作精度达到了亚微米量级，有望成为分子捕获及操纵、染色体分选、微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域有力工具之一。
为将光纤光镊进一步产业化推广，本项目的主要内容集中在对光纤光镊系统的批量化生产的工艺及流程，具体包括：
1.实用光纤光镊探头的批量化制作工艺
光纤光镊可广泛应用生物医学、显微制造等多个领域，需要根据需要选择不同的光纤光镊的结构和外包层材料。
因此，批量化制作不同用途的光纤光镊探头，需要工艺流程也不尽相同。
另外，光纤光镊探头的封装与检测工艺，也需要与制作工艺配套，才使光纤光镊探头的批量制作成为可能，也为光纤光镊探头的标准化和互换性建立了基础。
2.光纤光镊系统批量生产的工艺技术
如何保证系统制作的一致性、稳定性和高成品率，是批量生产工艺需要
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