脹－壓復合成形汽車橋殼預成形管坯的設計及成形試驗

崔亞平 王連東 楊立云 楊東峰

燕山大學，秦皇島，066004

0 引言

汽車橋殼是汽車上的主要承載件之一，形狀復雜，幾何尺寸大，強度和剛度要求高。目前它主要用鑄造和沖壓焊接方法來制造，鑄件強度高，但質量大，沖壓件質量輕，但焊縫強度低。用液壓脹形方法制造汽車橋殼［1-2］，比鑄造方法節省材料，比沖壓焊接方法工序簡化、材料利用率高、壁厚變化合理。本世紀初，有學者針對微型汽車橋殼的液壓脹形過程進行了數值模擬［3］。燕山大學在汽車橋殼液壓脹形的工藝理論及成形技術等方面做了一定的研究［4-5］。汽車橋殼為異形截面大尺寸復雜形狀的管類件，用常規液壓脹形工藝制造，橋包部分的過渡小圓角不易貼模，需要較高的內部脹形壓力、較大的設備噸位。目前，液壓脹形工藝尚無法用于汽車橋殼的工業化生產。

Mason在1999年提出了管材徑壓脹形工藝的概念，Kang等［6］數值模擬了圓形管材徑壓脹形成復雜截面零件的過程，分析了管材尺寸對成形性能的影響;Nikhare等［7］模擬了預成形管的液壓脹形過程，研究了預成形對液壓脹形成形性的影響。

燕山大學液壓脹形課題組提出了適用于大尺寸變徑異形截面管類件的鋼管脹－壓復合成形汽車橋殼新工藝:選擇一定尺寸的無縫鋼管，先對其兩端縮徑中部液壓脹形(稱為預成形)，使其成形為軸對稱的預成形管坯，再對其內部充液(水)并用模具壓制成形。

本文提出了鋼管脹－壓復合成形汽車橋殼預成形管坯的設計方法，針對某小型汽車橋殼通過有限元模擬，分析了預成形管坯截面大小對壓制成形的影響，確定了合適的截面系數，并在普通液壓機上成功試制出合格橋殼樣件。

1 小型汽車橋殼脹－壓復合成形工藝簡介

某小型汽車橋殼的總長為1050mm，中間截面最大高度(當量直徑)為212mm，兩端直臂圓管部分外徑為67mm，受液壓機開間的限制，將橋殼樣件總長度縮減至470mm。橋殼樣件的幾何形狀如圖1所示。

圖1 橋殼樣件三維模型

橋殼主要由兩端直臂部分及中間橋包部分組成，橋包部分前蓋和后蓋底部存在過渡小圓角，難成形。樣件成形后需切掉前蓋，用于安裝主減速器。

管坯選用初始直徑102mm、壁厚5.5mm的20無縫鋼管，其屈服極限σs為370MPa，強度極限σb為420MPa，延伸率δ為30%，硬化指數n為0.2。橋殼的脹－壓復合成形工藝如圖2所示。初始管坯長565mm(圖2a)，兩端縮徑后外徑減至67mm，總長變為595mm(圖2b);縮頸后管坯中部經過兩次液壓脹形(圖2c)后，長度減至470mm，中部最大直徑為207mm。液壓脹形后的管坯稱為預成形管坯，對其內部充液后再用模具壓制成形橋殼樣件(圖2d)。

圖2 某小型橋殼脹-壓復合成形工藝

2 預成形管坯的設計方法

預成形管坯的設計方法如下:

(1)預成形管坯為軸對稱狀的回轉體。

(2)預成形管坯長度與制件長度相等。

(3)預成形管坯直臂部分周長與制件對應部分截面周長相等;橋包部分截面周長Ly與制件對應橫截面周長Lz存在一定的比例關系，即

式中，k為截面系數。

截面系數k的取值決定了預成形管坯的尺寸，直接影響橋殼的成形性。試驗研究表明:k值選取適當，橋包部分過渡圓角大小合適，直邊部分輪廓清晰;k值選取不當，橋包部分輪廓不清晰，或者過渡圓角過小、壓制力過大，甚至破裂。

3 截面系數值的確定

3.1 有限元模擬

因前期縮徑及脹形工藝對預成形管坯的成形性有很大影響，故使用有限元分析軟件ANSYS在初始管坯的縮徑及脹形模擬基礎上進行壓制成形模擬，重點分析橋殼模擬樣件輪廓成形尤其是橋包部分過渡圓角的成形情況。

根據上述預成形管坯的設計方法，給定橋包部分截面系數 k三個不同的取值0.94、0.97、1.00，設計相應的預成形管坯及二次脹形模具。

根據成形樣件的結構特點，只對1/4模型分析，使用Solid45單元對初始管坯進行網格劃分，通過建立剛－柔接觸模型及在縮徑模具上施加位移以模擬縮徑成形過程;通過對縮徑后的管坯內部施加壓力載荷以及在脹形模具上施加位移來模擬管坯的脹形過程。初次脹形后的模擬樣件如圖3a所示，k=0.97時得到的二次脹形后模擬樣件即預成形管坯如圖3b所示;當k值依次選取0.94、0.97、1.00時，相應地按照圖4路徑1、路徑2、路徑3進行壓制成形模擬，均能成形。

圖3 脹形模擬樣件

圖4 壓制成形加載路徑

圖5所示為k=0.97情況下預成形管坯壓制成形時的有限元模型，壓制時下模及側模不動，上模自初始位置下壓53mm至上下模間距為67mm，期間管坯內部壓力保持15MPa不變，最后加至40MPa進行校形，圖6所示為壓制成形后的模擬樣件。

圖5 壓制有限元模型

圖6 壓制后模擬樣件

3.2 模擬結果

針對三組模擬樣件，自中心橫截面(截面1)向直臂部分每間隔22.5mm的軸線長度截取一個測量截面，90mm的軸線長度共截取5個截面(圖1)，分別測量每個樣件前蓋及后蓋5個截面位置的過渡圓角大小，首先將模擬結果中的截面節點坐標數據導入Excel，還原為真實大小的截面形狀，輸出后用圓角規測量橋包處過渡圓角大小，測量結果如表1所示。由表1的模擬結果可知:

(1)橋包部分過渡圓角尺寸隨著k值的減小而增大。在k分別為1.00、0.97、0.94時，后蓋截面2上過渡圓角值分別為 5.5mm、11.0mm、14.5mm。

(2)同一模擬樣件，橋包部分后蓋過渡圓角值較前蓋大。當k=0.97時，截面3上，后蓋圓角值為10.0mm，較前蓋8.5mm大1.5mm。

(3)模擬值與設計值存在一定偏差。k=1.00時，過渡圓角值均小于設計值，最小圓角值為4.5mm，較設計值小5.5mm;當k=0.94時，各圓角值均大于設計值，最大圓角值為17.5mm，較設計值大7.5mm。

表1 模擬樣件過渡圓角值 mm

經過對多組k值下不同預成形管坯進行成形的有限元模擬，結果表明:當k值小于0.94時，橋包部分的過渡圓角太大，外形輪廓不清晰;當k值大于1時，橋包部分的過渡圓角太小，模具壓制力大。最終確定k的取值范圍為0.96～0.98。

由模擬結果可知，隨著k值的減小上模的壓制力減小，當k值分別為1.00、0.97及0.94時，壓制力分別為200 900g、168 760g及 139 320g(g=9.8 N/kg)，故k在允許取值范圍內選取小值可降低設備噸位。

4 成形試驗

按圖2所示的成形工藝(相應的截面系數k為0.98)，在YA32－315液壓機上進行管坯的縮徑、脹形及壓制成形試驗，得到了橋殼樣件，如圖7所示。

圖7 試驗試件

針對試驗橋殼樣件，截取與模擬樣件截面位置相同的5個截面，同樣用圓角規分別測量前后蓋各截面上過渡圓角尺寸，其結果如表2所示。由測量結果知:橋包部分過渡圓角尺寸均符合設計要求，試驗值與模擬值的最大差值為1.5mm。主要原因在于:截面數據導出后擬合還原時存在誤差;因試驗內部液體壓力控制精度的原因，試驗記錄的加載路徑與真實情況有誤差。

表2 試驗樣件過渡圓角值 mm

5 結論

(1)本文提出了預成形管坯的設計方法:預成形管坯為軸對稱狀的回轉體，長度與橋殼制件相等;預成形管坯直臂部分周長與制件對應部分截面周長相等;橋包部分截面周長與制件對應橫截面周長存在一定的比例關系。

(2)針對小型橋殼的鋼管脹－壓復合成形工藝，對不同截面系數對應的預成形管坯進行有限元模擬，結果表明截面系數為0.96～0.98，成形性好，橋包部分過渡圓角大小合適，輪廓清晰。

(3)根據預成形管坯設計方法制定的脹－壓復合成形工藝，在普通液壓機上成功試制出小型橋殼樣件，證實了提出的預成形管坯設計方法可行。

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