管梁內高壓液壓成形技術研究與實現

文／劉迪祥，黃頂社·安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心

張亞增·河南省有色金屬地質礦產局

管梁內高壓液壓成形技術研究與實現

文／劉迪祥，黃頂社·安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心

張亞增·河南省有色金屬地質礦產局

劉迪祥，沖壓工藝主管，工程師，主要從事汽車沖壓件開發及沖壓工藝研究工作，先后主導多款商用車、乘用車整車沖壓工藝設計及工裝開發工作，擁有1項發明及10多項實用新型專利。

本文以某車型扭力梁橫梁為實例，進行內高壓液壓成形工藝分析，從工序排布到有限元模擬、調試、工藝驗證及實現給予簡析，并驗證工藝設計和分析的可行性，供有關人員參考。

車身輕量化是汽車廠持續追求的目標，車身變輕對于整車的燃油經濟性、車輛控制穩定性、碰撞安全性都大有裨益。液壓成形技術被行業認為是實現汽車輕量化的重要途徑之一，該工藝可生產形狀復雜的管狀產品，其成形過程如圖1所示，可實現產品結構優化，達到減重目的。

圖1 管材液壓成形過程

液壓成形是指依靠高壓液體作為傳力介質，代替剛性凹模或凸模，使坯料在傳力介質的壓力作用下貼合凸模或凹模成形的一種先進柔性制造工藝，因其三向應力狀態成形性較好，可生產形狀復雜的變截面管狀產品，如前后副車架、防撞梁、儀表臺管梁等產品。液壓成形與冷沖壓成形相比，具有成形工序少、模具成本低、零件精度高、生產周期短的優勢。

產品分析及工序排布

圖2所示零件為某車型后扭力梁橫梁，零件長為1153mm，材質為S550MC，管端尺寸為97.875mm×77.819mm，壁厚為3.5mm，零件重量為9.037kg。對零件截面周長分析，初步確定原始管坯尺寸為φ100mm×1320mm×3.5mm，毛坯重量為10.99kg。

圖2 扭力梁橫梁零件圖

由于液壓成形凹模部分型面尺寸小于管坯直徑，為避免發生啃模現象，必須在充液成形工序前增加預成形工序。同時由于管坯預成形壓扁過程中出現塌陷情況，為保證充液成形工序的端口密封效果，需要增加端口整形工序。

終成形就是將預成形后的管材放到管梁充液脹形模具中，通過管內的超高壓液體，使管材外壁與模具型腔貼合，從而成形出想要的形狀。在終成形過程中，都會沖制出兩個孔用于后序激光切割的定位。

針對該零件特征，確定總體液壓成形工藝方案為：下料→預成形（端口整形）→液壓成形（液壓打孔）→激光切割→退火處理→清洗涂油。其中下料交由鋼廠處理，直接按來料加工模式進行。

零件工藝分析

建立數值分析模型，按照零件型面，用三維軟件UG或CATIA建立模具型面工具體，模具有預成形和終成形兩序，然后將工具體導入CAE軟件，進行相應動作設置，工具體型面及CAE分析過程，如圖3所示。

終成形工序將預成形后管坯放入終成形模具，利用密封推頭對管坯進行密封，并充入高壓液體，同時調節兩端推頭進給量及內部壓力，保證小圓角等特征完全貼模。終成形管各處貼模度、各典型截面貼模情況的模擬分析結果如圖4所示。

由上述分析可知，零件最終成形壓力為200MPa，內腔面積為0.132m2，所需最大合模壓力為2640t。零件最終最大減薄率為9.5%，零件在充液成形過程中無破裂危險點，各關鍵截面貼模度良好。

圖3 扭力梁橫梁CAE成形情況

圖4 扭力梁橫梁終成形CAE貼膜分析

零件工藝調試

車間生產工藝流程：毛坯運入（汽車）→毛坯存放（毛坯存放地）→毛坯上線（叉車）→預成形（800t）→終成形（5000t）→激光切割→熱處理→表面處理→存放（存放區）。

因成形過程中壓力大，液壓成形模具對數控加工精度及模具各部件位置精度要求也很高。本模具就將成形鑲塊等位置精度要求高的部件裝配到模座上后，再與模座一起在高精度數控機床上一次加工而成。

模具完成加工及裝配后需要調試，其第一階段保證模具可動部分，如斜楔、驅動油缸、進給機構等部件運行順暢穩定無干涉。第二階段提升研合率及完成出件，保證制件能生產出來，第三階段是提升沖壓件精度，消除啃料及其他零件表面問題。

經過兩個月的工裝調試，順利出件并驗收合格后，進入沖壓廠生產場地。圖5所示為預成形及終成形模具調試過程。

零件工藝驗證

橫梁調試穩定出件后進行了工藝驗證，主要內容有CAE減薄驗證、成形力驗證和材料利用率驗證，驗證結果如圖6所示。

橫梁CAE分析最大減薄率為9.5%，在合模時V形管與方形管過渡且靠近V形管底部處；最大增厚率為31%，在推頭撐管時V形管與方形管過渡且靠近方形管上部處。

圖5 預成形（左）及終成形（右）模具調試過程

圖6 橫梁CAE減薄理論分析（上）及實測（下）

實測橫梁實物檢測點最大減薄率為7.7%，便于測量的最大增厚率為10.8%。減薄與增厚趨勢與CAE分析基本吻合。未檢測到CAE最大及最小減薄點是受檢測設備限制，無相關檢測空間及平面，實物料厚測量如表1所示。

表1 橫梁料厚理論值與實測值對比（單位：mm）

橫梁CAE分析預成形合模力為350t，終成形合模力為2640t，經實物驗證，預成形主缸成形壓力為10MPa（約320t），終成形CAE分析合模力為2376t（內壓180MPa），零件合格，此時貼模狀態良好，可以滿足下道工序要求。

CAE分析橫梁坯料尺寸長度為1320mm，直徑為100mm，經實物驗證，尺寸與CAE狀態一致，零件重為9.04kg，坯料重為10.99kg，材料利用率為82.23%。

目前，該零件已經實現自動、高速、安全的批量量產，產品質量已經通過整車可靠性驗證和臺架試驗，零件實物如圖7所示。

圖7 橫梁零件實物圖

結束語

內高壓液壓成形技術可將多件沖焊合拼件簡化為管形件，提高產品精度、強度、剛度、美觀度及生產效率，降低零件成本和零件重量，是汽車行業未來輕量化發展方向。