汽車橋殼機械式脹形工藝研究

郭喜來

摘要：汽車橋殼生產是一項精密度、技術性要求非常高的工藝。機械式脹形鑄造工藝相比傳統式工藝技術難度更低，產品剛性增加，耐久度提升，是汽車生產制造的理想發展方向。本文針對這一工藝進行了理論探討，總結了這一工藝的生產方法，為汽車橋殼的工藝優化發展提供了借鑒和參考。

關鍵詞：汽車生產；汽車橋殼；機械工藝

隨著社會的發展和經濟的騰飛，汽車生產制造已經成為國民經濟的支柱型產業。汽車的車橋是汽車生產中的關鍵環節，而橋殼是車橋生產的關鍵，橋殼工藝關系著整車的成形質量、剛度、耐久度，對于橋殼工藝的優化研究，是減少生產消耗，提升資源利用率和提高汽車品質的絕佳途徑。本文研究對象是建立在塑性變形理論之上的脹形工藝，這種工藝避免了鑄造工藝下的材料浪費和技術要求高的缺點，也避免了沖壓工藝下能耗能、工序復雜的缺點，其效率高、效益高，密封性強，更有利于汽車工業的發展，因此本文的研究具有極強的現實意義和理論價值。

一、機械式脹形工藝理論

（一）脹形工藝概述

機械式脹形工藝是依靠對原材料進行一定程度的拉伸使其變形，在壓力下使材料發生外擴膨脹進而制造成預先設定的外形。機械式脹形工藝不僅能夠對整個材料進行擴脹，也能對局部某個地方進行定型擴脹。

脹形工藝的分類比較多。根據脹形工藝的用具可分為剛性脹形和利用聚氯乙烯、石蠟等軟膜的脹形；根據脹形的方式可分析自然的脹形、復合的脹形等。自然脹形即是根據脹形材料自身的性能變形。軸向的脹形是在材料自身性能基礎上，對愛戀進行軸向的壓力。復合的脹形是在之前二者的基礎上，再徑向反壓；根據脹形管坯的條件又可分成封閉式的脹形和擴孔式的脹形。封閉式脹形屬于應用比較廣泛的工藝，管坯沒有預制孔，利用壓力對管坯進行擴脹。擴孔式脹形是管坯留有預制孔，利用芯模來對管坯進行力的作用。

（二）機械式脹形工藝的原理

在脹形工藝中，自然脹形主要依靠原材料自身的拉伸變形來完成的。脹形位置承受雙向的拉應力和雙向的拉伸，單側的壓縮。這種應力狀態下原材料會發生擴脹變形。在軸向的脹形中，作用力不僅包括了自然脹形的作用，也包括了軸向的壓縮變形，其應力狀態是拉伸和壓縮的平面應力狀態。

脹形應力狀態下，材料會發生一定程度的塑性變形。這種變形能夠使擴脹部位發生薄厚的改變，也能提升脹形的極限。在脹形工藝中，脹形力度太小無法獲得理想的效果，脹形力度大則會出現剛性下降，質量下降甚至材料損壞的現象。

在脹形工藝中，關鍵環節是控制脹形的程度。脹形的程度利用脹形系數來表示。脹形系數越大則變形的效果越大，反之則變形程度越小。若變脹形系數超過了材料的極限就會發生材料損壞，導致脹形失敗。

二、汽車橋殼機械式脹形工藝的特點

（一）預制孔下的擴孔式脹形

汽車橋殼機械師脹形工藝是根據汽車橋殼外形而形成的加工工藝，工藝的原理在普通脹形工藝原理的基礎上增加了特殊的外形變形特點。也就是說，汽車橋殼機械師脹形需要在管坯進行預制擴孔，從而形成汽車的橋殼外形。為了形成特定的橋殼，需要在管坯開預制孔，利用默劇對預制孔進行脹形。

根據汽車橋殼加工中的模具具體情況，機械式脹形也分為直接擴孔脹形和芯模擴孔脹形兩種。直接擴孔脹形是模具可直接作用與預制孔。芯模擴孔脹形是利用芯模作為擴孔脹形的擴脹芯，利用模具的運動使得芯模向外發生擴脹力從而產生脹形。

（二）工藝難點

汽車橋殼機械式脹形工藝需要滿足預制孔的擴脹要求，預制孔和突出的外徑需要滿足橋殼制造的尺寸，也有滿足橋殼制造中對于材質薄厚、大小和剛度、耐久度的要求。因此，在整個脹形工藝中，工序明確也復雜，對于技術性和精密度的要求極高。

三、汽車橋殼機械式脹形工藝應用

（一）汽車橋殼機械式脹形工藝介紹

利用橋殼的外形特點，在縮徑工藝和管坯的預制孔之后，利用脹形工藝將原材料特定位置進行擴脹，達到汽車橋殼制造所要求的尺寸，再進行組建的焊接和加裝，最后校正和整形滿足橋車橋殼的要求完成橋殼制造。

在原材料上進行預制孔的制造，預制孔的大小和形狀根據汽車橋殼制造的具體要求選擇長圓形或者橢圓形等。長圓孔預制需要保證原材料周邊的薄厚要求，滿足后期組件焊接的剛性要求。完成脹形時，牙包的外部與模具貼合，原材料的長度要等于制件外部的長度。若預制孔的制作不合理，那么會導致脹形發生材料的撕裂、斷裂，導致脹形失敗。在完成預制孔之后，對口的周圍進行修正，焊接三角板，完成其他組件的安裝。

（二）有限元模型的建立

建立汽車橋殼機械式脹形工藝的有限元模型需要利用DEFORM3D軟件進行仿真模擬。利用軟件自帶的材料和模型，去進行仿真試驗，模擬材料的工藝、效應力變化、應變力分布和荷載力變化等。同時需要注意的是，利用有限元模型來進行模擬時，只能分析出管坯的拉裂、拉伸等效果，無法分析其具體的現象變化，因此也需要進行物理實驗。

利用軟件建立汽車橋殼機械式脹形工藝的三維模型，選擇具體的材料幸好和財力模型，包括材料的截面尺寸、長度、開口半徑、中心距離和進給速度等。

（三）有限元模型結果分析

機械式脹形工藝的預制成形工序中，由于材料變形的部位多位于管坯切口兩邊和中間，隨著芯模的運動，管坯逐漸和芯模貼合，等效應力逐漸增加。物理實驗中的結果也能驗證結果的準確性。管坯的受力主要位于管坯的切口兩邊和中間位置，與等效應力分布相應。

在成形的過程中，隨著脹形的進行，應力值也逐漸增加，同時材料發生斷裂的風險也增加。拉應力增長，材料斷裂的風險增加。因此需要結合物理實驗對其進行合并驗證。管坯在成形中，管坯的軸距降低，應力變化也逐漸復雜。計算出軸距是橋殼機械式脹形工藝的重點。若發生了斷裂、起皺那么脹形則失敗，產品也無法進行后期加工。因此在機械式脹形工藝中，在芯模推進的過程中，管坯兩邊位置不增加限制，管坯兩邊向管坯中間的補給自由，降低了切口的受力，避免材料的斷裂和起皺。在完成脹形工藝之后，牙包的外部和模具貼合，管坯的長度應當與制件外部的長度相當。機械式脹形工藝，管坯軸距減少，當脹形成形到三分之一時，管坯的軸距縮短量呈現線性降低，這時利用擬合計算得到減少的具體數學曲線，從而能夠更加精確的控制脹形的尺寸和形狀。

總結

汽車橋殼機械式脹形工藝相對于傳統工藝其成形的效果更好，加工的效率更高，且能夠多次重復利用，降低了脹形的成本，有利于汽車加工的效益增加，是汽車加工企業生產工藝優化的方向，也是現代汽車工業發展的主要趨勢。

參考文獻

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