預(yù)成形管坯壓制成形汽車橋殼的變形分析

王連東 楊東峰 崔亞平 陳國(guó)強(qiáng)

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

管材液壓脹形工藝具有簡(jiǎn)化制造工藝、減輕制件質(zhì)量、提高制件強(qiáng)度剛度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于航空、航天和汽車等領(lǐng)域。針對(duì)形狀復(fù)雜的管類件，需要先對(duì)初始管坯進(jìn)行預(yù)成形，再進(jìn)行液壓脹形成形。文獻(xiàn)［1］用商業(yè)有限元軟件數(shù)值模擬了預(yù)成形管在不同的內(nèi)壓與軸向進(jìn)給條件下的液壓脹形，研究了預(yù)成形對(duì)液壓脹形成形性能的影響，預(yù)測(cè)了極限變形，并與無(wú)預(yù)成形管進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)［2］用有限元法分析了橢圓彎管在旋轉(zhuǎn)式拉彎?rùn)C(jī)上的成形過程。苑世劍等［3］關(guān)于轎車副車架液壓脹形進(jìn)行了大量的研究，將預(yù)脹形管坯橫截面壓制成凹曲線狀，有效減小了成形時(shí)的液體脹形壓力。

汽車橋殼屬異型截面復(fù)雜管類件，要求有較高的強(qiáng)度剛度，選擇無(wú)縫鋼管用液壓脹形制造，理論上科學(xué)合理。20世紀(jì)80年代，日本學(xué)者用液壓脹形方法試制出微型汽車橋殼樣件［4－5］，取得一些寶貴經(jīng)驗(yàn)。本世紀(jì)初，有學(xué)者針對(duì)微型汽車橋殼的液壓脹形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬［6］。燕山大學(xué)在汽車橋殼半滑動(dòng)式液壓脹形的工藝?yán)碚摗⒊尚渭夹g(shù)等方面做了一定的研究［7－8］。目前，液壓脹形工藝尚無(wú)法用于汽車橋殼的工業(yè)化生產(chǎn)，主要在于其形狀復(fù)雜，難成形，脹形壓力大，壁厚減薄量大。

近期，燕山大學(xué)提出了脹壓成形汽車橋殼的工藝：選擇一定規(guī)格的無(wú)縫鋼管，先將其兩端縮徑，中間部分液壓脹形，得到軸對(duì)稱的預(yù)成形管坯，內(nèi)部充液后再用模具壓制成形，得到異型截面的樣件。本文結(jié)合某小型汽車橋殼模擬樣件，著重分析了預(yù)成形管坯壓制成形的變形過程以及壁厚的分布。

1 小型汽車橋殼樣件脹壓成形工藝簡(jiǎn)介

選擇某小型橋殼，研究脹壓成形工藝過程。該橋殼總長(zhǎng)1050mm，中間截面最大高度212mm，兩端部分外徑φ67mm，受到液壓機(jī)開間的限制將原橋殼兩端直臂部分長(zhǎng)度分別縮減290mm，橋殼樣件總長(zhǎng)度為470mm，如圖1所示。選用初始直徑102mm、壁厚5.5mm的20無(wú)縫鋼管，兩端縮徑中間部分液壓脹形后得到軸對(duì)稱狀的預(yù)成形管坯（圖1b），去應(yīng)力退火后再對(duì)其內(nèi)部充液，外部用模具進(jìn)行壓制，成形為異型截面的橋殼樣件（圖1c）。

2 壓制成形變形分析

2.1 橫截面變形分析

截取管坯中間橫截面（僅繪出外表面），分析橋包部分最大截面的變形過程，如圖2所示。圖2a所示為壓制開始狀態(tài)，管坯外圓上除b點(diǎn)、c點(diǎn)與上模接觸，e點(diǎn)、f點(diǎn)與下模接觸外，其余部分均未與模具型腔貼模，其中左段圓弧be的g點(diǎn)，右段圓弧cf的h點(diǎn)靠近左側(cè)模、右側(cè)模，而上段圓弧bc的a點(diǎn)、下段圓弧ef的d點(diǎn)距離上模型腔、下模型腔較遠(yuǎn)。

圖1 某小型汽車橋殼脹壓成形工藝

圖2 橫截面變形過程

壓制時(shí)，左側(cè)模、右側(cè)模先運(yùn)動(dòng)到位后（圖2a），上模向下運(yùn)動(dòng)、下模向上運(yùn)動(dòng)。上段弧bc兩端受到模具壓縮向下運(yùn)動(dòng)，中間部分在液體內(nèi)壓作用下向外擴(kuò)張，逐漸靠向上模型腔，壁厚不斷減薄；下段ef逐漸靠向下模型腔。

左段弧be受到壓彎，上下端相向運(yùn)動(dòng)不斷靠近，中間部分向外擴(kuò)張，遇到側(cè)模阻礙后，原來的一段圓弧變成一段豎邊和上下兩段弧（圖2b）；隨著上下模的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，上下兩段圓弧進(jìn)一步被壓彎，其曲率半徑不斷變小，并逐漸出現(xiàn)水平直邊，同時(shí)豎邊變長(zhǎng)，其壁厚減薄；右段弧cf的變形與左段be的變形類似。

上下模運(yùn)動(dòng)到位時(shí)（圖2c），橫截面左右兩側(cè)的直邊、圓角均已成形；上段弧b2c2、下段弧e2f2仍未貼模，需通過增加液壓，使其進(jìn)一步脹形直至貼模，同時(shí)壁厚進(jìn)一步減薄，其中a3點(diǎn)、d3點(diǎn)壁厚最小。

由橋包部分橫截面壓制過程中的變形可知，上下段圓弧主要發(fā)生脹形，壁厚不斷減薄；左右段圓弧的變形屬于在內(nèi)壓作用下的折彎，以折彎為主以脹形為輔。管坯橫截面的大小對(duì)成形性的影響至關(guān)重要。

預(yù)成形管坯橫截面大小合適時(shí)，左右側(cè)的過渡圓角大小合適，直邊部分輪廓清晰，過渡圓角部分的壁厚增厚，豎邊部分壁厚略減薄；上下段圓弧經(jīng)過適當(dāng)脹形擴(kuò)徑，壁厚減薄。若預(yù)成形管坯橫截面過小，上下段圓弧的脹形量大，壁厚減薄量大，易脹裂；左右段圓弧成形中亦需一定的脹形，壁厚仍有一定的減薄，需要的液體壓力應(yīng)適當(dāng)增大。若管坯的橫截面過大，上下段圓弧的脹形量小，但左右段圓弧壓彎時(shí)，過渡圓角過小，上下模壓制力大，甚至壓不到位。

假定預(yù)成形管坯橋包部分的周長(zhǎng)Ly與樣件對(duì)應(yīng)橫截面周長(zhǎng)Lw存在一定的比例關(guān)系，即

其中，k為截面系數(shù)。有限元模擬及試驗(yàn)研究表明，當(dāng)截面系數(shù)k＝0.96～0.98時(shí)，壓制時(shí)樣件的成形性較好。

2.2 縱截面變形

截取過軸線及橋包部分上下蓋最高點(diǎn)的縱向截面（僅繪出外表面），分析其變形過程。圖3a所示為壓制開始狀態(tài)，管坯縱截面上只有j點(diǎn)、m點(diǎn)與上模型腔接觸，q點(diǎn)、s點(diǎn)與下模型腔接觸。壓制時(shí)，管坯上j點(diǎn)、m點(diǎn)附近區(qū)域被上模壓下，斜線ij段、mn段的斜度逐漸減小直至被壓平，弧jm在液體內(nèi)壓作用下向外擴(kuò)張，逐漸靠向上模型腔，同時(shí)壁厚不斷減薄。軸線下方，oqrst的變形亦類似。

上下模壓制到位時(shí)（圖3b），上段弧j1m1、下段弧q1s1仍未貼模，需通過增加液壓，使其進(jìn)一步脹形，直至貼模，同時(shí)壁厚進(jìn)一步減薄，其中k1點(diǎn)、r1點(diǎn)壁厚最小。

綜合管坯橫截面、縱截面上的變形，可知橋包部分的前蓋、后蓋部分，在上下模運(yùn)動(dòng)到位后，均需增加液體壓力脹形擴(kuò)徑貼模，致使壁厚減薄量較大，若控制不當(dāng)容易開裂，如圖4所示。

圖3 縱截面變形過程

圖4 開裂樣件

3 壓制成形有限元模擬

針對(duì)圖1所示的脹壓成形工藝，使用有限元分析軟件ANSYS模擬初始管坯的縮徑及液壓脹形制坯過程，得到預(yù)成形管坯（圖1b）后，再模擬壓制成形過程。鑒于預(yù)成形管坯結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只建立1／4模型進(jìn)行分析。使用Solid45單元對(duì)預(yù)脹形管坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立剛－柔接觸，通過在管坯內(nèi)部施加壓力載荷在模具上施加位移來模擬管坯的預(yù)脹形壓制成形過程。

圖5所示為預(yù)成形管坯壓制成形時(shí)的有限元模型。壓制時(shí)下模及側(cè)模不動(dòng)，上模自初始位置下壓53mm至上下模最小間距為67mm時(shí)合模。壓制時(shí)內(nèi)壓p0按下式確定：

式中，t1為預(yù)成形管坯最大外徑處壁厚的平均值，其值為4.0mm；d1為管坯的最大外徑，其值為207mm；σs為材料初始屈服極限，其值為320MPa。

圖5 有限元模型

上模壓下1／3行程時(shí)，橋包部分已初見一定的輪廓；上模壓下2／3行程時(shí)，橋包部分輪廓已經(jīng)部分成形，前后蓋尚未貼模，過渡圓角較大；上模運(yùn)動(dòng)到位后，即上下模合模時(shí)，橋包部分輪廓已經(jīng)成型，過渡圓角尺寸基本到位，但前后蓋尚未貼模（圖6），其中前蓋與上模型腔的最大間距為7.58mm，后蓋與下模型腔的最大間距為4.07mm。合模后，將液壓增至40MPa，得到了外形輪廓清晰的樣件（圖7），橫截面過渡外圓角半徑達(dá)到8mm。

圖6 上下模合模時(shí)管坯

圖7 壓制成形樣件

改變壓制成形過程中管坯內(nèi)液體壓力，模擬成形過程，結(jié)果表明：隨著內(nèi)壓的減小，上下模合模時(shí)橋包部分前后蓋與上下模型腔的間距增大，校形時(shí)需要的壓力增大；無(wú)內(nèi)壓時(shí)，前蓋處的最大間距為10.04mm，后蓋處的最大間距為7.20mm，內(nèi)壓大于80MPa時(shí)前蓋方能貼模，前蓋脹形量大，壁厚減薄量大，極易發(fā)生圖4所示的脹裂。

4 壓制成形試驗(yàn)

4.1 壓制成形模具

在YA32－315液壓機(jī)上進(jìn)行初始管坯的縮徑、脹形試驗(yàn)，得到預(yù)成形管坯，再對(duì)其內(nèi)部充液并用模具進(jìn)行壓制，得到異型截面的樣件。壓制成形模具（圖8）主要由前模塊14、后模塊9、上模塊15、下模塊16、左壓頭4、右壓頭12組成。上模塊15、下模塊16分別固定在液壓機(jī)的活動(dòng)橫梁及工作臺(tái)上，下模塊16兩側(cè)的前模塊14、后模塊9之間用4個(gè)橫拉桿通過螺母連接。管坯10兩端的左壓頭4、右壓頭12之間用縱拉桿1聯(lián)接通過螺母緊固保證管端密封。縱拉桿1與左右壓頭之間有O形密封圈。左壓頭上安有充液管接頭，右壓頭上有泄壓閥及壓力傳感器。

4.2 壓制成形過程

先將左壓頭4、右壓頭12裝在管坯10上，緊固縱拉桿1兩端的螺母2；將裝好壓頭的管坯組件放到下模塊上；裝入橫拉桿7，緊固螺母8，直至前模塊14、后模塊9靠在下模塊的側(cè)面上；向管坯10充液；上模塊15壓下，直至合模。壓制中泄壓閥11的初始?jí)毫υO(shè)定為12MPa，合模后壓力增加至40MPa，得到橋殼樣件，如圖9所示。與傳統(tǒng)液壓脹形工藝制造的橋殼樣件［7－8］相比，脹壓成形橋殼樣件輪廓清楚，橫截面過渡小圓角貼膜性好，而且成形所需的最高液體壓力僅為40MPa，明顯小于前者的100MPa。

圖8 壓制成形模具

圖9 壓制成形樣件

4.3 樣件壁厚分布

針對(duì)壓制成形樣件，用過其軸線且相互垂直的水平面（x面）、鉛直面（y面）及軸向中間橫截面（z面）將樣件剖開（圖10），分別測(cè)量三個(gè)面上的壁厚。沿軸向由內(nèi)到外每間隔10mm選點(diǎn)測(cè)量x面、y面上壁厚；在橫截面上，從x面起始向y面方向，每間隔8mm（曲線長(zhǎng)度）選取測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量20個(gè)點(diǎn)處的壁厚。

圖10 橋殼樣件解剖圖

（1）縱向截面上壁厚。y面上壁厚變化曲線如圖11a所示，中間橋包部分壁厚減薄，最小壁厚為3.82mm，較初始壁厚5.5mm減小30.55%；端部縮徑部分壁厚增厚，最大值為7.80mm，較初始壁厚5.5mm增大41.82%。x面上壁厚分布趨勢(shì)與y面上大致相同，橋包部分壁厚略小。

（2）橫截面上壁厚。z面上壁厚變化如圖11b所示。對(duì)應(yīng)圖1cA－A截面，過渡圓角處壁厚大于直線段及大圓弧段的壁厚。過渡圓角處的最大壁厚為4.60mm，大圓弧段中間點(diǎn)處的壁厚最小，其值為3.78mm，較最大壁厚小17.83%。

由圖11中的有限元模擬樣件的壁厚分布可知：有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相同，鑒于試驗(yàn)樣件初始管坯壁厚存在一定的偏差，與試驗(yàn)值相比模擬值存在一定差異，橫截面上的壁厚最大差值為5.3%，縱截面上的最大壁厚偏差為5.4%。

圖11 樣件壁厚分布

5 結(jié)論

（1）理論分析與有限元模擬表明，預(yù)成形管坯壓制成形汽車橋殼樣件的過程中，橋包部分的前蓋、后蓋部分進(jìn)一步發(fā)生脹形，軸向、周向上產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，壁厚減薄量大；其他部分的變形以折彎為主，預(yù)成形管坯大小適當(dāng)，則其成形效果好，輪廓清晰，過渡小圓角合適。

（2）對(duì)壓制成形橋殼樣件研究結(jié)果：在縱向剖面上，端部縮徑部分壁厚增厚，最大增厚量為41.82%，中間橋包部分壁厚減薄，最大減薄量為30.55%；在中間橫截面上，過渡圓角處壁厚較大，大圓弧段的壁厚較小，最小壁厚值較最大壁厚小17.83%。

（3）汽車橋殼的脹壓成形工藝，初步解決了該類件傳統(tǒng)液壓脹形時(shí)存在的成形性不好、壁厚分布不科學(xué)、脹形液體壓力大的瓶頸問題。

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