文/張賓賓，李 萍，唐 勇·合肥工業(yè)大學(xué)先進(jìn)塑性成形工程中心

汽車橋殼本體整體液壓成形工藝

文/張賓賓，李 萍，唐 勇·合肥工業(yè)大學(xué)先進(jìn)塑性成形工程中心

汽車橋殼為一空心梁，是汽車運(yùn)行過程中重要的傳力件和承載件。在汽車行駛過程中，用于承受左右車輪傳來的路面反作用力和力矩，故汽車驅(qū)動橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度與剛度。由于橋殼的尺寸和質(zhì)量比較大，制造較困難，在其結(jié)構(gòu)形式滿足使用要求的前提下應(yīng)簡化制造工藝，減少加工面、提高材料利用率和降低成本。

目前傳統(tǒng)的橋殼制造工藝主要有鑄造橋殼、沖壓-焊接橋殼、擴(kuò)張成形橋殼，其加工工序繁雜、成本高、材料利用率低、焊接過程中產(chǎn)生的氣體對環(huán)境破壞大。從20世紀(jì)90年代開始，液壓成形技術(shù)開始在國際汽車工業(yè)中得到推廣和應(yīng)用，采用該技術(shù)生產(chǎn)的零件已經(jīng)廣泛用于汽車工業(yè)中，是一種減重、高效、節(jié)材、節(jié)能、符合汽車制造輕量化要求的先進(jìn)制造技術(shù)。

橋殼本體是驅(qū)動橋殼的重要構(gòu)成部分，屬于異形截面回轉(zhuǎn)殼體，其整體液壓成形技術(shù)的工藝原理是選擇適當(dāng)?shù)某叽绻芘?，首先進(jìn)行機(jī)械縮徑將其端部直徑減至零件圖要求，然后進(jìn)行軸向壓縮復(fù)合液壓脹形出最終的本體零件。國內(nèi)外有關(guān)汽車橋殼整體液壓成形的研究偏重于試驗研究，關(guān)于成形理論方面的研究比較缺乏。國內(nèi)目前車橋制造工藝主要靠沖壓—焊接而成，液壓成形工藝及裝備制造研究工作尚處于起步階段。雖然已經(jīng)用試驗試制出液壓成形汽車橋殼，但離實際應(yīng)用還有一定的差距。

本文針對零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展了橋殼本體復(fù)合縮徑—脹形工藝的研究，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，在前期理論研究和試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對脹形工藝中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，即軸向長度較長，中間部分脹形量大的情況，著重研究了在大的軸向進(jìn)給和不同的加載條件下的脹形件成形工藝和影響規(guī)律。本研究能夠進(jìn)一步加深對汽車零部件液壓成形工藝機(jī)理的認(rèn)識，對國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域理論研究上的欠缺，做了有益的補(bǔ)充，為工程實踐制定工藝參數(shù)提供了理論指導(dǎo)，并為提高我國汽車制造業(yè)的核心競爭力奠定了基礎(chǔ)。

成形工藝分析

圖1 橋殼本體的數(shù)學(xué)模型

汽車橋殼本體內(nèi)高壓成形件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于異形截面大尺寸件，截面形狀為規(guī)則的矩形，中間部分尺寸與兩端部分相差較大。兩端直壁部分的管徑為110mm，中間最大尺寸為348mm，初始壁厚為8mm，成形件總長為1160mm，圓弧過渡區(qū)圓角半徑為200mm。

橋殼本體端部縮徑

管坯材料擬選用20號鋼，材料的性能參數(shù)：屈服極限為245MPa，強(qiáng)度極限為410MPa，均勻延伸率為25％，密度為7.85g/cm3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28。

管坯初始外徑D0是根據(jù)汽車橋殼本體部分的最大外部尺寸Dmax和最大許用脹形系數(shù)Kmax確定，D0≤Dmax/Kmax，Kmax＝e3.6n（n為材料的應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)，對于20號低碳鋼來說，n通常取0.18～0.22）。根據(jù)上述公式，初步確定管坯的初始外徑為160mm，并根據(jù)材料的延伸率等情況確定長度為1410mm。

在前期工作中，我們已經(jīng)制定了橋殼本體端部縮徑工藝方案，對成形理論進(jìn)行了研究，確定了縮徑凹模錐角和采用兩個道次的縮徑工藝方案，運(yùn)用有限元方法對成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，見圖2。并對模擬過程進(jìn)行了試驗驗證，具體的管坯幾何參數(shù)變化情況的模擬結(jié)果見表1。

圖2 橋殼本體端部縮徑成形的模擬結(jié)果

■表1 管坯幾何參數(shù)變化的模擬結(jié)果 （單位：mm）

通過數(shù)值模擬和試驗結(jié)果的對比，縮徑后管坯的長度增加量、端部翹曲率、壁厚變化情況與模擬結(jié)果相符合，而且縮徑管表面質(zhì)量高，沒有出現(xiàn)軸向失穩(wěn)現(xiàn)象，模擬結(jié)果比較真實地反應(yīng)了實際變形情況，縮徑工藝方案達(dá)到了預(yù)期的要求，并為隨后脹形工藝的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

橋殼本體脹形

脹形工藝設(shè)計對最終獲得良好質(zhì)量的產(chǎn)品起著決定性的作用，如何獲得均勻的壁厚分布和避免起皺、破裂等成形缺陷成為工藝設(shè)計的主要問題。因此，軸向進(jìn)給和內(nèi)壓的加載條件對成形質(zhì)量影響較大，合理的加載條件可以改善脹形件壁厚分布，避免出現(xiàn)褶皺、屈曲和破裂等成形缺陷。

液壓脹形中脹形部分的膨脹變形程度越大，其壁厚減薄越嚴(yán)重，也最容易在這些部位產(chǎn)生破裂。類似于縮徑成形中提到的縮徑比，在這里我們引用脹形系數(shù)K來衡量脹形過程中變形程度的大小，求得K＝2.175。脹形系數(shù)K還應(yīng)該滿足K≤Kmax，其中Kmax為最大許用脹形系數(shù)，經(jīng)過計算Kmax＝2.05。由于中間最大脹形部分外徑為348mm，脹形系數(shù)K＝2.175≥Kmax。

經(jīng)過計算和比較分析，一步脹形不能脹出合格的零件，汽車橋殼本體的液壓脹形分兩個階段：第一階段是在最大脹形部位施加約束，抑制其脹形，其他區(qū)域在內(nèi)壓和軸向進(jìn)給的作用下最終貼模成形；第二階段則是移除約束，材料最終完全貼模成形。

有限元分析模型的建立

圖3所示為橋殼本體脹形的模擬模型，基于最終脹形件的幾何形狀以及脹形過程中載荷作用的對稱性，在建立有限元模型時我們只建立模型的1/2，以提高模擬效率。管坯為變形體，忽略溫度變化的影響，采用C3D8R對管坯進(jìn)行六面體單元網(wǎng)格劃分，模具和沖頭劃分為剛性單元。在最大脹形處的上下兩端圓弧區(qū)域施加YSYMM約束。管坯材料模型符合Mises屈服準(zhǔn)則，摩擦系數(shù)為0.1，符合庫倫摩擦定律?？偟拿浶芜^程劃分為兩步：第一步是在有YSYMM約束下的脹形階段；第二步是撤銷約束后的最終脹形階段。

圖3 橋殼本體脹形過程的有限元模型

不同加載條件下脹形模擬及分析

在脹形過程中，進(jìn)給量太小，脹形不完全，且試件在后期會由于補(bǔ)料不足而破裂；相反，進(jìn)給量過大，在脹形后期會使脹形件端部壁厚增厚，甚至?xí)趬嚎s過程中產(chǎn)生褶皺和屈曲等不穩(wěn)定狀態(tài)。內(nèi)壓也是影響橋殼本體脹形的一個重要原因。低壓進(jìn)給、高壓整形是成形中的普遍規(guī)律。

根據(jù)體積不變條件可以估算出脹形橋殼所需的軸向進(jìn)給量，260mm是一組比較理想的進(jìn)給量。而經(jīng)過分析，最大整形內(nèi)壓為90MPa是比較合理的加載內(nèi)壓，對于一個合適的內(nèi)壓和軸向進(jìn)給的參數(shù)組合，不同的加載路徑可以對成形結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。

在液壓脹形過程中，相同的進(jìn)給量會產(chǎn)生不同的結(jié)果，主要是有效進(jìn)給量（流入大脹形量區(qū)的材料）的不同。隨著材料貼模量的增大，貼模區(qū)材料與模具之間摩擦力增大，導(dǎo)致材料流動困難。因此我們將大部分的軸向補(bǔ)料分配在第一階段，第二階段只需少量進(jìn)給量。若在第二階段軸向補(bǔ)料過多只會使管坯端部壁厚增厚。根據(jù)零件的實際要求，既要有合理的壁厚分布，又要有較大的脹形量，因此內(nèi)壓和軸向進(jìn)給的匹配關(guān)系十分重要。本研究主要就這兩個因素對成形的影響進(jìn)行分析。擬采用3種不同的加載路徑研究其影響規(guī)律。加載路徑見圖4。

圖4 脹形過程的加載路徑

圖5 不同路徑下第一階段脹形結(jié)果

第一階段脹形結(jié)束后不同加載路徑下的脹形結(jié)果如圖5所示。通過對成形過程的分析發(fā)現(xiàn)，在成形初期，管坯材料主要沿周向流動，端部首先貼模成形，中間部分脹形量為0。隨著軸向進(jìn)給量的增加，在內(nèi)壓的作用下，管坯中間部分逐漸貼模成形，貼模量隨加載路徑的不同呈不同的變化趨勢。從圖中可以看出，路徑1條件下管坯中部貼模成形區(qū)域最大，受約束區(qū)域外的材料基本上都貼模成形，最大脹出部分直徑為φ302mm，脹形系數(shù)K＝1.47。圖5b、c中間部分都存在脹形量不夠、部分區(qū)域沒有充分貼模成形，最大脹出部分直徑和脹形系數(shù)均小于路徑1。其中圖6b中間截面的圓弧區(qū)域出現(xiàn)了輕微的失穩(wěn)起皺。分析其原因，雖然第一階段最終的成形內(nèi)壓都為40MPa，但路徑1的初始內(nèi)壓為36MPa，內(nèi)壓加載在成形過程中保持平穩(wěn)的變化，與初始內(nèi)壓為0的加載路徑相比，更有利于中間部分的成形。另外在加載的初始階段，由于內(nèi)壓相對增加不足，軸向補(bǔ)料為材料變形的主導(dǎo)因素。而圓弧區(qū)域材料流動阻力增大，若內(nèi)壓較小，材料在此處向前流動困難，導(dǎo)致結(jié)束時中間部分貼模量不夠。軸向補(bǔ)料的進(jìn)一步增多也會使此處容易出現(xiàn)失穩(wěn)起皺。通過分析比較，路徑1是第一階段內(nèi)高壓成形中較為合理的加載路徑。

圖6 第二階段結(jié)束時脹形件中間截面處形狀

在第二階段軸向補(bǔ)料量相同的情況下，我們通過分析中間最大脹形處成形情況來研究兩階段成形之間的承接聯(lián)系。圖6為最終脹形件中間最大尺寸處的截面形狀。從圖6a中可以看出，路徑1條件下材料最終完全貼模成形，截面形狀為規(guī)則的矩形，圓角半徑為20mm，符合零件圖要求。其他加載條件下的成形件都出現(xiàn)材料沒有完全貼模的情況。通過對成形過程的模擬發(fā)現(xiàn)，第一階段除受抑制區(qū)域外材料貼模成形量越大，第二階段中的軸向補(bǔ)料就越多地流入受抑制區(qū)域，不僅有利于材料完全貼模成形，而且可以改善壁厚均勻度。

橋殼本體脹形件壁厚分析

ABAQUS的Visualization模塊可以提供內(nèi)高壓成形過程中不同節(jié)點(diǎn)處材料在某一方向上位移隨時間的變化曲線，通過這些曲線，我們可以得出成形結(jié)束時不同節(jié)點(diǎn)處材料壁厚相對于初始壁厚的變化量，為我們研究其壁厚分布、減薄率提供依據(jù)。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，中間最大脹形截面上不同部分的壁厚減薄率不同，為了準(zhǔn)確測定截面上不同部分壁厚分布情況和減薄率，我們在脹形前的中間截面上選取三個典型節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。在脹形結(jié)束時，節(jié)點(diǎn)1處的壁厚減薄量最小，而節(jié)點(diǎn)2處減薄最嚴(yán)重。通過分析節(jié)點(diǎn)處材料在變形過程中隨時間的位移曲線，可以得到相應(yīng)位置的壁厚分布和減薄率。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)在脹形過程中的實際位移量與理想狀態(tài)下（壁厚不減?。┑奈灰屏康牟钪祦碛嬎銣p薄率。其中，φ＝（S0－S1）/d（S0為理想位移量，S1為實際位移量，d為初始壁厚）。

圖7 最大脹形截面上節(jié)點(diǎn)的選取

通過計算，節(jié)點(diǎn)2處區(qū)域在脹形結(jié)束后壁厚減薄量最大，減薄率為20％，此處區(qū)域在脹形過程中受到雙向拉應(yīng)力的作用，壁厚單元減薄較快。節(jié)點(diǎn)1處區(qū)域減薄率最小，為10.3％，此處在脹形過程中承受單向壓縮和兩向拉伸的應(yīng)變狀態(tài)，壁厚變化較小，而節(jié)點(diǎn)3處的壁厚減薄率為14％，此處由于在第一階段脹形過程中受到抑制，其他部分貼模成形，因此在最終成形階段由于摩擦力的作用阻礙了材料的流動，壁厚減薄較大。

用同樣方法，我們在零件沿母線方向上選取32個節(jié)點(diǎn)，分別以1、2…32來表示各個點(diǎn)，根據(jù)沿母線上各節(jié)點(diǎn)處材料的流動情況，可以得到成形件壁厚沿母線方向的分布趨勢，如圖8所示。沿母線方向上的壁厚分布整體上呈由端部向中間遞減的趨勢，端部最厚處為9.4mm，增厚率為17.5％。由于在圓弧過渡區(qū)材料流動阻力大，材料流動困難，一部分材料在此處滯留導(dǎo)致此區(qū)域壁厚呈上升趨勢。研究表明，由橋殼本體的受力及其形狀可知， 兩端大、中間小的壁厚分布趨勢是較為合理的。

圖8 成形件壁厚沿母線分布趨勢

結(jié)束語

（1）研究了橋殼本體整體液壓成形工藝，在前期對縮徑成形工藝進(jìn)行模擬和試驗的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對橋殼本體脹形工藝進(jìn)行了有限元分析。運(yùn)用模擬方法研究汽車橋殼本體液壓成形工藝，對于分析成形件壁厚分布、實施觀測和預(yù)防成形缺陷、尋找最佳加載路徑匹配等方面來說，達(dá)到預(yù)期效果，結(jié)果較為理想。并為隨后的試驗研究提供理論依據(jù)，以減少試驗量，縮短試驗周期，提高試驗質(zhì)量。

（2）車橋本體液壓成形過程中，通過合理制定工藝方案、優(yōu)化內(nèi)壓和軸向進(jìn)給加載路徑可以有效控制材料流動，改善中間最大脹形處的貼模性和壁厚分布，防止表面缺陷，最大程度地發(fā)揮材料的塑性性能。模擬結(jié)果表明脹形過程分兩個階段，在加載路徑1條件下的內(nèi)壓和軸向進(jìn)給的加載方式下，成形效果較理想，沿母線方向壁厚分布合理，中間最大截面處最大減薄率為20％。無起皺和破裂的缺陷。