異形變截面空心彎管的內高壓成形工藝研究

文／王欣芳，石凱·天津市天鍛壓力機有限公司

郎利輝*·北京航空航天大學

隨著航空航天及汽車產業的日益發展，輕量化成為發展趨勢。航空航天器及汽車均有許多異形管件，傳統成形方法為先沖壓成形出半管后進行拼焊，由于焊縫的存在，降低了零件的整體強度和剛度。內高壓成形是一種新興的成形技術，它是以管材為原始坯料，在管材中加入液體并施加高壓，成形出軸線為二維或三維曲線的異形截面空心零件。由于可以成形出異形截面的空心管件，減少了焊接工序，且可以成形出較傳統工藝更加復雜的截面形狀，從而大大提高了零件的整體強度和剛度，使得在同等強度和剛度的情況下內高壓成形出的零件壁厚更薄，質量更輕。因此內高壓成形成為航空航天及汽車輕量化的重要技術手段。

空心變截面零件在航空航天及汽車領域應用很廣，由于截面的復雜和多樣性，不可避免的帶來零件截面周長變化大的特點。通常坯料是等截面周長的管件，這就導致有些截面膨脹率較大，需要運用一些方法來提高零件的極限膨脹率。

零件和材料簡介

圖1 零件外形

表1 QSTE420tm 材料力學性能

本文研究的零件是某汽車的拖曳臂，其外形如圖1 所示，整體是軸線為空間曲線、截面為不規則形狀且變化的管狀零件。零件的技術要求是最終減薄率不超過15%，配合型面輪廓度0.5mm，非配合型面輪廓度3mm。零件壁厚4.5mm，材料是QSTE420tm，屬于冷成形熱軋汽車結構鋼，其材料力學性能參數如表1 所示。圖2 所示是零件截面周長趨勢圖，由圖2 可以看出，除去截面不是封閉曲線的部分零件，零件截面積最小等效周長約192mm，最大等效周長約211.58mm。考慮管徑公差，選取外徑為φ62mm 的圓管作為成形坯料，最小變形-1.38%，最大變形8.68%。

圖2 零件截面周長趨勢圖

有限元分析

分析零件特征及技術要求，該零件明顯是彎曲管件，初始毛坯是圓管，需要彎管工序。因零件的一個方向上高度差較大，成形過程中偏載力大，可采用一模兩件的方法成形，使兩個零件的偏載力互相抵消，同時提高生產效率。零件的橫截面由圓形過渡為矩形，周長變化較大，需要脹管工序(管端補料）。工藝路線制定為彎管→剛性模壓彎→管端補料脹管。

利用有限元分析軟件建模，對管坯進行彎曲成形模擬，設置彎管成形參數時，軸線盡量與最終所需零件的軸線相近，確保能順利放到后序成形模具型腔中，避免啃模現象的出現。圖3 所示為彎管成形時設置的參數，圖4 所示為彎管工藝分析模型，圖5 所示為彎管后的零件減薄云圖。

零件的橫截面由兩端的圓形慢慢過渡為中間的矩形，因為矩形橫截面的高度小于圓形毛坯的直徑，故需要采用壓彎預成形工序，將坯料壓扁，同時調整零件的軸線，使零件軸線基本與最終軸線一致。圖6 所示為壓彎成形工藝分析模型，圖7 所示為壓彎成形后的零件減薄云圖。

圖3 彎管成形參數

圖4 彎管工藝分析模型

圖5 彎管后零件的減薄云圖

圖6 壓彎成形工藝分析模型

圖7 壓彎成形后零件的減薄云圖

壓彎成形完成后，利用內高壓脹形工藝成形零件最終形狀及尺寸。將零件放入脹形模具中，在無合模力的情況下，凸模下行至完全合模。施加合模力和管內液體壓力，兩端推頭推料，最大合模力1500t，最大液體壓力180MPa，最大推料量20mm。圖8 所示為管內壓力加載曲線，圖9 所示為脹形工藝分析模型，圖10 所示為脹形后的零件減薄云圖。

由圖10 可以看出脹形后零件的最大減薄率為24.3%，位于矩形截面的圓角處，大于零件技術要求中的減薄率(15%）。截面為圓管的毛坯脹形成為截面為矩形的毛坯時，脹形量最大為8.68%，圓角處最后貼模，因此減薄危險區主要集中在四個圓角及短邊處。由于減薄危險區距離管端較遠，增加側推進給量對中間減薄作用并不明顯。本文采用修改脹形零件的初始形狀（即壓彎成形后的零件形狀）的方法，提高零件的極限膨脹率，進而成形大周長矩形。在橫截面為矩形的壓彎模具的凸、凹模上增加兩個“凸包”，修改后的壓彎模具型面如圖11 所示。

圖8 液體壓力加載曲線

圖9 脹形工藝分析模型

圖10 脹形后零件的減薄云圖

圖11 修改后的壓彎模具型面

修改型面后，零件最大減薄處在壓彎過程中的截面變化如圖12 所示，在脹管成形過程中的截面變化如圖13 所示。由圖12 可以看出壓彎成形時，利用剛性模將圓管成形為兩長邊內凹、兩短邊外凸的形狀。盡量使短邊外凸處與模具接觸，以減小內高壓成形的脹形量。長邊內凹深度在保證內壓能夠脹起的情況下盡量大，以便在內高壓脹形時為圓角處充分補料，進而減小圓角處的減薄。

圖12 壓彎成形時矩形截面的變化

圖13 脹管成形時矩形截面的變化

由圖13 可以看出脹管成形時，將壓彎成形后的零件放在內高壓成形模中，在管內加高壓液體使得長邊凹陷脹起貼模，同時給四周圓角補料，最后四周圓角貼模成形出矩形形狀。

圖14 所示為修改壓彎模具型面后，零件最終的減薄云圖，由圖14 可以看出零件的最大減薄率是13.9%，符合技術要求中的減薄率要求，零件表面沒有明顯的起皺和破裂，此工藝方案可行。

圖14 零件最終減薄云圖

零件試制

參考模擬成形的參數進行實際零件試制，利用彎管機制作彎管，將彎管后的零件放入型面修改后的壓彎凹模中，凹模不動，凸模合模下壓，加壓300t，保壓3s。成形后零件如圖15 所示。

將壓彎成形后的零件放入脹管模具的凹模中，凹模不動，凸模合模下壓，加壓1500t，保壓同時向管內充入高壓乳化液，乳化液加壓到180MPa 后，保壓3s 后卸壓。成形后的零件如圖16 所示，最終零件沒有起皺和破裂缺陷，貼模度也滿足零件的成形要求，表面質量良好。

結論

⑴采用內高壓成形異形截面的空心管件，減少了傳統成形工藝中的焊接工序，可以成形出較傳統工藝更加復雜的截面形狀，大大提高了零件的整體強度和剛度。

圖15 壓彎成形后的零件

圖16 脹管成形后的零件

⑵內高壓成形異形截面的空心管件時，改善中間預成形模具的型面可以控制終成形過程中坯料的流動方向。

⑶通過改善壓彎模具型面，提高了零件的極限膨脹率，與傳統方法相比，可以成形出大截面周長的矩形零件，使得零件的形狀設計可以更加多樣化；提高了零件的變形均勻性。