吳士波，趙升噸，張大偉

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

汽車橋殼作為汽車的主要部件起著支撐車體、保護(hù)差速器等功能。目前汽車橋殼主要采用鑄造、沖壓焊接的方法制造。其中，鑄件的強(qiáng)度、剛度雖然較大，但浪費(fèi)材料和能源，生產(chǎn)工藝不夠環(huán)保；沖壓焊接件的質(zhì)量輕，但焊縫性能比較差[1]。

管材液壓成形工藝具有材料利用率高、生產(chǎn)成本降低、成形件整體強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[2]?；诠懿囊簤撼尚蔚闹T多優(yōu)點(diǎn)，Lei[3]已將此成形工藝應(yīng)用于汽車橋殼成形，并對(duì)橋殼的液壓脹形過程進(jìn)行模擬；王連東提出采用脹—壓復(fù)合成形工藝[4]，初步解決了橋殼傳統(tǒng)液壓脹形成形性不好、脹形液體壓力大的問題，成形件較傳統(tǒng)脹形成形件結(jié)構(gòu)規(guī)整、可成形圓角更小、管材貼模良好。

汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝主要包括預(yù)制坯的脹形過程與汽車橋殼的壓制過程，其中預(yù)制坯的形狀與尺寸直接影響最終橋殼的質(zhì)量[1]，而預(yù)制坯脹形時(shí)的加載曲線（即管坯內(nèi)部壓強(qiáng)與軸向進(jìn)給量的協(xié)調(diào)關(guān)系）是脹形件質(zhì)量的關(guān)鍵，管坯內(nèi)部壓強(qiáng)過小或過大會(huì)引起脹形件的局部褶皺或貼模性差的問題。本文以某型橋殼為例，根據(jù)汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝預(yù)制坯的設(shè)計(jì)原則[1]，并考慮了汽車橋殼截面尺寸的劇烈變化，設(shè)計(jì)了汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝預(yù)制坯。通過ABAQUS有限元軟件對(duì)橋殼脹—壓復(fù)合成形預(yù)制坯脹形過程進(jìn)行模擬仿真，分析預(yù)制坯脹形過程中加載曲線對(duì)預(yù)制坯成形質(zhì)量的影響。通過控制加載曲線得到有益褶皺進(jìn)而脹形得到符合要求的預(yù)制坯，并對(duì)理想預(yù)制坯的壁厚進(jìn)行分析。

1 預(yù)制坯的脹形方式與尺寸的確定

1.1 預(yù)制坯的脹形方式的確定

汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝的基本步驟為[4]：管材兩端縮徑→對(duì)縮徑管材脹形得到預(yù)制坯→將脹形件壓制成形。以某型汽車橋殼為例，如圖1所示為預(yù)制坯的脹形基本步驟，初始管材采用20#無縫鋼管，對(duì)管材進(jìn)行縮徑處理得到縮徑管坯；將縮徑管坯進(jìn)行脹形得到預(yù)制坯。

圖1 橋殼脹—壓工藝預(yù)制坯脹形基本步驟

由于管材力學(xué)性能、零件形狀等的影響，采用傳統(tǒng)管材內(nèi)高壓成形工藝時(shí)管材的膨脹率低甚至出現(xiàn)管材破裂現(xiàn)象，若在管材脹形時(shí)利用有益褶皺，可以適當(dāng)增加管材的膨脹率、降低管材的減薄[2，5，6]。本橋殼預(yù)制坯所需的管材膨脹率較大，但由于管材極限膨脹率以及成形工藝的限制，管坯脹形時(shí)若采用一次脹形的方式，在脹形過程中管材減薄嚴(yán)重甚至?xí)霈F(xiàn)管材破裂。即使在管材脹形過程中采用有益褶皺，由于管材坯料的局部堆積同樣會(huì)出現(xiàn)無法展平的死皺[7]。管材破裂與出現(xiàn)死皺都屬管材失效行為，在管材脹形過程中不允許出現(xiàn)上述失效現(xiàn)象。因此，汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝預(yù)制坯需要通過兩次液壓脹形與有益褶皺相結(jié)合的方式得到，從而降低管材脹形過程中的減薄甚至破裂的可能性。

1.2 預(yù)制坯尺寸的確定

在汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形過程中，橋殼附加蓋的大小對(duì)橋殼的成形性有一定影響，若附加蓋過大，橋殼成形件成形性好，但浪費(fèi)材料；相反，若附加蓋過小，橋殼成形件省材料但橋包部分成形性差，且在壓制成形過程中的端部翹曲易造成管坯端頭密封失效[1]，無法完成橋殼脹形過程。以某型號(hào)汽車橋殼為例，如圖2所示，橋包最高點(diǎn)的高度H1=58mm，附加蓋最高點(diǎn)高度為 H2，定義 L=H2/H1。當(dāng) L取值為 0.78～1時(shí)，橋殼外形及基本成形的內(nèi)壓范圍較理想[4]。為方便計(jì)算與模具設(shè)計(jì)，本模擬試驗(yàn)中取L=1。

汽車橋殼預(yù)制坯形狀同樣對(duì)橋殼成形件成形質(zhì)量有很大影響，一般情況下，軸對(duì)稱脹形件的可成形性及成形質(zhì)量較非軸對(duì)稱脹形件好，因此汽車橋殼預(yù)制坯的形狀選取軸對(duì)稱。如圖3a所示，忽略橋包部分小臺(tái)階對(duì)壓制成形的影響，設(shè)計(jì)預(yù)制坯形狀為左右對(duì)稱。在橋殼成形件右半部分取若干截面并計(jì)算截面上橋殼周長(zhǎng)，其中，在橋殼截面周長(zhǎng)變化劇烈的地方取多個(gè)截面，定義截面周長(zhǎng)為C1，等效圓截面周長(zhǎng)為C2，取 k=C2/C1。當(dāng) k=0.96～0.98時(shí)汽車后橋殼成形性較好，橋包及過渡圓角合適[8]，本模擬試驗(yàn)中取k=0.96。如圖3b所示為汽車橋殼壓制所需要的理想預(yù)制坯各截面處半徑分布情況。

圖2 汽車橋殼樣件

圖3 橋殼樣件與預(yù)制坯半徑分布

汽車橋殼最終成形件的最薄壁厚要求為3mm，為保證成形件總體強(qiáng)度與使用要求，設(shè)計(jì)預(yù)制坯的厚度為4mm，因此，根據(jù)塑性成形基本理論中材料成形前后等體積的原則，如圖1a所示，初始管材選取20#無縫鋼管，外徑為118mm，壁厚4mm，長(zhǎng)度為476mm。經(jīng)冷推壓縮徑處理后管材兩端直徑為66.5mm，縮徑長(zhǎng)度為45mm，如圖1b所示。

2 有限元模型

運(yùn)用ABAQUS有限元模擬軟件對(duì)汽車橋殼成形過程進(jìn)行模擬時(shí)，無法對(duì)其成形過程進(jìn)行完全真實(shí)的仿真，因此，在運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行橋殼成形模擬時(shí)作如下簡(jiǎn)化：①管坯內(nèi)表面采用施加等效壓強(qiáng)的方式模擬高壓液體對(duì)管坯的作用；②根據(jù)汽車橋殼成形件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模擬過程采用橋殼整體的二分之一作為有限元模型進(jìn)行模擬以減少計(jì)算時(shí)間；③脹形模擬過程中忽略載荷加載速度對(duì)材料應(yīng)變速率的影響，通過采用平滑分析步減少模擬過程中的慣性力。

管材流動(dòng)應(yīng)力變化符合Hollomon冪指函數(shù)公式，即

σ=Aεn

式中：A——與材料有關(guān)的強(qiáng)度系數(shù)；

n——材料的硬化指數(shù)。

預(yù)制坯脹形過程是在管坯內(nèi)部液力脹形與軸向受壓縮的條件下進(jìn)行的，因此材料參數(shù)采用雙向應(yīng)力脹形條件下得到的參數(shù)更接近實(shí)際。與拉伸實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)（A=746，n=0.223）相比，在雙向應(yīng)力脹形條件下得到的管材相應(yīng)參數(shù)偏大[9]。

如表1所示為縮徑管坯的材料參數(shù)。

表1 縮徑管坯材料參數(shù)

汽車橋殼預(yù)制坯的脹形管坯為經(jīng)去應(yīng)力退火后的縮徑管坯，在ABAQUS中通過更新材料屬性等效去應(yīng)力退火過程。

汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝預(yù)制坯有限元模型中，管坯采用C3D8R網(wǎng)格類型，其余脹形模具采用離散剛體，網(wǎng)格類型為R3D4。定義管坯對(duì)稱面，管坯與模具之間采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.05。采用ABAQUS顯示動(dòng)力進(jìn)行脹形模擬分析。

如圖4所示為汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形預(yù)制坯脹形有限元模型。

3 預(yù)制坯脹形

3.1 一次脹形工藝模擬

圖4 壓制有限元模型

管材初次脹形最大直徑約為管材最終直徑與初始直徑的均值且一次脹形件形狀為圓柱體。保證脹形成形件成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素是脹形過程中加載曲線的設(shè)置[10，11]，即脹形過程中一次脹形左右半模具軸向進(jìn)給量S與管材內(nèi)部壓強(qiáng)P的協(xié)調(diào)關(guān)系。在本脹形模擬試驗(yàn)中，采用三種加載方式進(jìn)行模擬對(duì)比，如圖5所示為三種不同方式的加載曲線。

圖5 一次脹形三種加載曲線

根據(jù)管材脹形整形壓強(qiáng)計(jì)算公式[2]：

式中：rc——工件截面最小圓角半徑，mm；

t——過渡圓角半徑處的平均厚度，mm；

σs——整形時(shí)材料流動(dòng)應(yīng)力，MPa。

三種加載方式的一次脹形整形壓強(qiáng)取為50MPa。三種加載方式的模擬結(jié)果對(duì)比分析如表2所示。

表2 一次脹形三種加載方式模擬結(jié)果

圖6 不同加載曲線成形情況

預(yù)制坯一次脹形過程中采用有益褶皺，如圖6a所示在一次脹形左右半模具行程為85mm時(shí)產(chǎn)生3個(gè)波紋，然后通過加壓最終得到一次脹形件。加載曲線2的管材減薄最小、進(jìn)給力適中且在成形過程中沒有出現(xiàn)死皺，成形件形狀如圖6b所示。加載曲線3雖未出現(xiàn)死皺，但成形過程中進(jìn)給力與減薄較大且管材貼模狀況欠佳。加載曲線1與加載曲線3在脹形過程中都出現(xiàn)管材貼模狀態(tài)欠佳現(xiàn)象，但其出現(xiàn)的原因不同：加載曲線1是由于脹形壓強(qiáng)不足造成，且出現(xiàn)無法展平的死皺（如圖6c所示）；而加載曲線3是由于初期脹形壓強(qiáng)過大，導(dǎo)致后期管材成形圓角半徑過小（如圖6d所示）。

3.2 二次脹形工藝

二次脹形工藝與一次脹形工藝類似，即通過合理的加載曲線控制最終脹形件的質(zhì)量。二次脹形相比一次脹形不同在于二次脹形中間形狀為球面而非圓柱面，各截面處的膨脹率不同，最大膨脹率處于中心對(duì)稱面。預(yù)制坯二次脹形模擬取三種不同的加載方式，與一次脹形相比在管材脹形過程中沒有保壓階段，最終整形壓強(qiáng)為50MPa，如圖7所示為三種加載曲線，即二次脹形左右半模具軸向進(jìn)給量S與管坯內(nèi)部壓強(qiáng)P的協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖7 二次脹形三種加載曲線

三種加載方式的模擬結(jié)果如表3所示。

加載曲線2較加載曲線1產(chǎn)生的管材減薄略小，最大進(jìn)給力小；且總體成形質(zhì)量較好，管材貼膜良好，無飛邊出現(xiàn)，如圖8a所示。加載曲線3管材的最大減薄與最大進(jìn)給力較大且出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象（如圖8b所示），其主要原因在于加載曲線3在管材脹形過程中壓強(qiáng)較大，管材脹形過大。

表3 二次脹形三種加載方式模擬結(jié)果

圖8 不同加載曲線成形情況

汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形預(yù)制坯的壁厚分布情況與橋殼最終壓制成形件壁厚分布有很大關(guān)系，從而對(duì)橋殼整體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此，有必要對(duì)預(yù)制坯脹形件的壁厚分布進(jìn)行分析。如圖9所示取脹形件截面并對(duì)此截面上脹形件壁厚減薄進(jìn)行計(jì)算。由預(yù)制坯脹形件壁厚減薄分布可以看出，預(yù)制坯壁厚分布情況呈對(duì)稱分布；中間壁厚減薄最大，最大減薄為20%，滿足預(yù)制坯的初始設(shè)計(jì)目標(biāo)；脹形件兩端壁厚分布較厚，增厚較嚴(yán)重，最大增厚在50%左右，預(yù)制坯脹形件整體壁厚分布呈現(xiàn)不均勻性，但不影響后續(xù)橋殼的壓制成形。

圖9 預(yù)制坯脹形件壁厚分布

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝預(yù)制坯脹形件成形過程的模擬仿真發(fā)現(xiàn)：若預(yù)制坯脹形過程中脹形壓強(qiáng)較低，容易使脹形件貼模欠佳；若脹形過程中脹形壓強(qiáng)過高，脹形件容易出現(xiàn)飛邊或局部褶皺失效且所需進(jìn)給力較大。一次脹形時(shí)采用加載曲線2可產(chǎn)生良好的有益褶皺，加壓展平后得到理想狀態(tài)一次脹形件；二次脹形時(shí)采用加載曲線2可產(chǎn)生貼模良好、減薄小且所需進(jìn)給力小的預(yù)制坯。

（2）通過對(duì)理想預(yù)制坯脹形件的壁厚分布情況進(jìn)行分析，成形件壁厚最大減薄20%，但兩端壁厚增厚較嚴(yán)重，最大增厚50%，預(yù)制坯脹形件整體依然存在壁厚分布不均勻的現(xiàn)象。預(yù)制坯脹形件達(dá)到預(yù)制坯設(shè)計(jì)目標(biāo)，基本滿足汽車橋殼脹—壓復(fù)合成形工藝壓制的需要。

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