副車架管梁的液壓成形工藝研究

周渝琨， 黃 宇， 程鵬志

（1.廣西汽車集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 530028；2.航宇智造（北京）工程技術(shù)有限公司，北京 100191）

0 引言

副車架是汽車底盤系統(tǒng)中的重要安全件和承載件，承受著汽車行駛中的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等狀況下的橫向、縱向和垂向載荷，同時(shí)為部分懸架零部件提供安裝點(diǎn)。

穩(wěn)定桿安裝在副車架上， 副車架穩(wěn)定桿的支撐點(diǎn)主要承受垂向載荷， 因此對(duì)穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)垂向剛度要求較高。現(xiàn)有的副車架和穩(wěn)定桿的連接采用管梁連接，是底盤副車架中非常重要的組成部分，其強(qiáng)度、剛度、疲勞性能直接決定整車的安全性與舒適性。這其中，管梁作為承擔(dān)大多數(shù)垂直載荷與力矩的主要受力構(gòu)件， 其重要性不言而喻。隨著汽車設(shè)計(jì)水平不斷提高，管梁由傳統(tǒng)的板式?jīng)_壓件逐漸過渡為管式密閉零件， 針對(duì)不同截面形狀發(fā)展出不同種類的成形工藝。

內(nèi)高壓充液成形技術(shù)通過內(nèi)部加壓和軸向加力補(bǔ)料把管坯壓入到模具型腔使其成形， 可以成形具有復(fù)雜變截面形狀的直線管式零件，相對(duì)傳統(tǒng)沖壓工藝，給予零件設(shè)計(jì)以更大的靈活性，同時(shí)大大提高生產(chǎn)效率，是管式密閉零件制造的主要發(fā)展趨勢(shì)[1，2]。

1 零件特征及材料分析

1.1 零件特征分析

圖1 所示為某車型副車架管梁二維特征分析， 由截面分析可知， 零件由端口矩形圓角截面逐漸過渡為L(zhǎng) 字形截面。零件中定位孔所在形面有較高的輪廓度要求。零件壁厚減薄率最大不超過15%。

圖1 零件特征分析

由零件特征分析可知， 該零件為典型的直軸線變截面空心管材零件，適用于管材充液成形工藝。

1.2 零件選材分析

隨著現(xiàn)代汽車對(duì)車身強(qiáng)度要求的不斷提高， 對(duì)于底盤類零件所用材料的強(qiáng)度要求也不斷提高，在該車型中，零件選用牌號(hào)QStE500TM 的熱軋酸洗鋼，該零件化學(xué)成分如表1 所示。

表1 QStE500TM 材料化學(xué)成分

本牌號(hào)系列鋼為細(xì)晶粒鋼，具有良好的冷成型性，適用于制造具有較高強(qiáng)度或高強(qiáng)度要求的汽車大梁、 橫梁等車體結(jié)構(gòu)件。 其基本物理性能如表2 所示。

表2 QStE500TM 材料基礎(chǔ)物理性能

2 工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真優(yōu)化

2.1 工藝路線設(shè)計(jì)

該管梁整個(gè)成形工藝流程主要包括：①管坯下料；②管材預(yù)成形；③管材充液整形；④沖裁、清洗涂油等工序，如圖2 所示。

圖2 成形工藝路線設(shè)計(jì)

在整個(gè)工藝流程中，管材預(yù)成形、充液整形過程是管材充液成形工藝，這是整個(gè)工藝方案的核心，對(duì)其建立模型并進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而進(jìn)行工藝分析。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)確定

在進(jìn)行管材充液成形工藝前， 首先需要明確管材初始塑性變形液壓力Ps、整形壓力PC以及最小合模壓力等參數(shù)，這是進(jìn)行工藝可行性分析和相關(guān)設(shè)備規(guī)格選擇的重要參數(shù)。在實(shí)際管材充液成形過程中，這些參數(shù)主要受初始管材的壁厚t0、直徑D0、最小特征圓角半徑rC影響。 根據(jù)管材的初始參數(shù)用于指導(dǎo)實(shí)踐管材充液成形過程[3，4]。本例中，管坯壁厚t0=2mm，初始管材直徑D0=70mm，最小特征圓角半徑rC=14mm。 忽略管材軸向應(yīng)力作用，管材開始發(fā)生塑性變形的液壓力為：

為確保管材完全貼模， 通過逐漸增大管坯內(nèi)腔液壓力，達(dá)到高壓整形，整形壓力為：

根據(jù)成形管梁在合模方向的投影面積S 和整形壓力Pc求得設(shè)備所需最小合模壓力：

2.3 管材預(yù)成形工序仿真模型建立與工藝優(yōu)化

針對(duì)上文設(shè)計(jì)的工藝路線， 進(jìn)行管材預(yù)成形工序是提前使零件發(fā)生預(yù)變形， 避免合模后進(jìn)行充液成形的過程中發(fā)生啃模，同時(shí)管材預(yù)變形后沿環(huán)向分布，可以降低充液整形難度。 由于零件端口位置為矩形圓角截面，原始圓管管坯在合模過程中必然發(fā)生塌陷，因此，需要在預(yù)成形過程中引入管坯端口整形工序。

針對(duì)零件特征， 采用Catia v5 r21 軟件進(jìn)行三維形面建模，然后導(dǎo)入到數(shù)值分析軟件Dynaform 5.9.4 中進(jìn)行數(shù)值模擬。 根據(jù)工藝分析，可以將預(yù)成形過程分為合模和端口整形兩個(gè)工步，分別建立數(shù)值仿真模型如圖3所示。

圖3 預(yù)成形工序

在預(yù)成形工序中， 兩側(cè)整形推頭在測(cè)推油缸的推動(dòng)下對(duì)管坯端頭進(jìn)行整形。推頭整形區(qū)間越長(zhǎng)，進(jìn)入零件型腔越深，整形效果越好。 但是隨著推頭長(zhǎng)度增加，側(cè)推油缸所需噸位同時(shí)增加， 通過數(shù)值模擬優(yōu)選一個(gè)合適的推頭整形區(qū)間， 在保證整形效果的同時(shí)控制側(cè)推油缸噸位，是預(yù)成形數(shù)值模擬重點(diǎn)解決的問題[3-5]。

由數(shù)值模擬分析可知，當(dāng)整形推頭長(zhǎng)度大于120mm后，整形效果無明顯提升，而所需側(cè)推力則由于摩擦力的增加而大幅增長(zhǎng)， 這勢(shì)必會(huì)造成設(shè)備不必要的浪費(fèi)。因此，考慮實(shí)際生產(chǎn)要求與整形效果，選取整形區(qū)間長(zhǎng)度為120mm 的推頭為最優(yōu)結(jié)果， 此時(shí)所需側(cè)推油缸噸位為25 噸。

圖4 整形區(qū)間長(zhǎng)度與側(cè)推力、貼模度

2.4 充液成形工序仿真模型建立與工藝優(yōu)化

在預(yù)成形工序中，管坯已經(jīng)初步成形。在充液整形工序中，利用密封推頭對(duì)管坯進(jìn)行剛性密封，并在管坯內(nèi)沖入高壓乳化液體，從而使零件貼模成形。由于零件脹形范圍不大， 因此側(cè)推推頭補(bǔ)料量對(duì)零件最終成形效果影響較小。在數(shù)值模擬過程中，重點(diǎn)研究?jī)?nèi)壓力對(duì)零件貼模度的影響。

圖5 終成形數(shù)值模型

圖6 內(nèi)壓力與貼模間隙

由于不同的液壓力影響零件的貼模度，由圖6 所示，當(dāng)內(nèi)壓力達(dá)到71MPa 時(shí)，管坯與模具完全貼合，但此時(shí)設(shè)備所需噸位達(dá)到6000 噸。 在汽車制造領(lǐng)域，常用充液成形壓機(jī)噸位一般為5000 噸，若零件成形壓力過大，則只能一套模具生產(chǎn)一件。 考察圖中曲線，可知當(dāng)內(nèi)壓力為60 至71MPa 之間時(shí)，零件與模具間隙小于1mm， 雖未完全貼模， 但已經(jīng)符合零件技術(shù)要求，此時(shí)所需合模壓力為5460～5780 噸，因此，零件最終成形壓力為60MPa。

考慮到該模具采用一模一腔設(shè)計(jì)， 為節(jié)約成本提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)出中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的管材成型后，再通過沖裁出兩件產(chǎn)品。

圖7 最終成品零件

3 總結(jié)

管材充液成形工藝適用于汽車管梁零件的大批量生產(chǎn)， 具有矩形端口截面的管梁在預(yù)成形工序中應(yīng)增加整形工步，以確保后續(xù)充液整形工序的密封效果，同時(shí)降低整形難度， 在達(dá)到管材成形要求的條件下，通過減小成形所需液壓力，以達(dá)到降低成本、批量生產(chǎn)的目的。