汽車橫梁內高壓成形規律仿真分析

羅建斌，吳 量，蘇海迪，苗明達

（廣西科技大學廣西車輛零部件與整車技術重點實驗室，廣西 柳州545006）

制造工藝

汽車橫梁內高壓成形規律仿真分析

羅建斌，吳 量，蘇海迪，苗明達

（廣西科技大學廣西車輛零部件與整車技術重點實驗室，廣西 柳州545006）

采用非線性有限元軟件對汽車橫梁開展彎管和內高壓成形的多道次成形全過程數值模擬，并探討了內高壓成形過程中不同液壓加載方式以及摩擦系數對成形構件壁厚分布的影響規律。仿真分析的結果表明：在內壓力加載方式中，前期增長較緩慢，后期增長較迅速的折線加載方式下成形件的成形效果最好；在摩擦系數中，μ=0.125下成形質量最高。因此，選擇合適的液壓加載方式以及降低摩擦系數可在一定程度上提高成形件的成形質量。

汽車橫梁；管材內高壓成形；液壓加載路徑；摩擦系數；仿真分析

0 引言

隨著能源短缺和環境污染問題的日益突出，汽車輕量化技術備受人們關注。汽車輕量化技術即在滿足汽車安全性及舒適性的前提下減輕車身重量。據研究表明，汽車每減少質量100 kg，油耗可降低（0.3 ～ 0.6）L/100 km，CO2排放量可減少約 5 g/km[1]。故這一技術顯得十分重要。近年來，內高壓成形技術在汽車輕量化中得到了重要的運用，該技術的原理是通過在管材內部施加一定的液壓力，同時沖頭對管材軸向補料，使管坯在模具內發生塑性變形，使管壁與模具內表面貼合，獲取所需形狀的零件。目前主要運用于空心軸類件、非圓截面空心構件以及復雜管件等的制造。Kristoffer Trana等[2]利用 Ls-Dyna有限元仿真軟件對轎車A柱進行成形模擬，包括管坯的彎曲及內高壓成形，將仿真結果與試驗結果進行對比了解到，管坯的預成形階段對最終的液壓成形具有很大的影響。榮吉利等[3]、張豫寧等[4]采用ABAQUS有限元軟件開展了微型車后橋脹形工藝的數值模擬，通過分析，獲取了合理的加載路徑。王連東等[5-6]針對某小型汽車橋殼，闡述了內高壓成形工藝過程，并進行了數值模擬及工藝試驗，試制出合格的樣件，得到了適合的預脹形及終脹形的加載路徑。劉勁松等[7]針對汽車發動機的配氣凸輪軸，進行薄壁管件的內高壓成形實驗研究，使得結構重量減輕，整體可靠性提高，且大幅降低加工成本，為發動機的緊湊化、輕量化提供技術支撐。

汽車橫梁作為汽車異形管件的一種，傳統的設計采用沖壓——焊接成形。與傳統工藝相比，內高壓成形技術的主要優點為減輕了質量和提高了材料利用率，減少了模具數量，降低了模具費用，整體成形提高了材料的剛度與強度，提高了成形零件的精度。本文通過非線性有限元軟件AUTOFORM對汽車橫梁彎管、內高壓成形全過程進行數值模擬，并分析在內高壓成形過程中不同液壓加載路徑和摩擦系數對成形質量的影響規律。

1 計算模型

某汽車橫梁結構如圖1所示，長度為1170.3mm，壁厚2 mm，橫梁最小截面周長219.8 mm，最小截面周長所對應圓管直徑為69.9 mm，基于最小截面所對應圓管直徑選取初始管坯直徑為68 mm.橫梁幾何形狀復雜，軸線彎曲成弓形，局部有凸凹臺階面，截面為非規則的梯形，由于橫梁有八道彎，是一個軸線形狀為曲線的結構件。由于管坯不能直接放置于內高壓成形模具的型腔內，需要通過預成形獲得與最終零件具有相同或者相似幾何外形和空間軸線的空心管坯。因此本次模擬過程采用多道次內高壓成形，即內高壓成形工序中以彎管后的結果管件作為初始管坯進行脹形。

圖1 汽車橫梁幾何模型

2 成形工藝仿真

2.1 預彎成形

為保證汽車橫梁的彎曲精度，因此采用繞彎工藝進行預彎成形。選取初始管坯長度為1 190 mm，厚度2 mm，直徑68 mm，材料為SPH440.彎模都劃分為剛性單元，根據橫梁幾何模型將管坯進行八道彎曲，彎模與管坯接觸面摩擦系數設置為標準鋼的摩擦系數0.125.彎管示意圖如圖2所示，材料力學參數如表1所示。

圖2 彎管示意圖

表1 材料參數

彎曲結果如圖3所示，由圖所知彎管后零件最大減薄處位于第一道彎外側，此處壁厚1.75 mm，減薄率為12.2%，最大增厚處位于第七道彎內側，厚度2.27 mm，增厚率為13.8%，沒有產生起皺和破裂缺陷，減薄和增厚都在安全范圍之內。

圖3 彎管后壁厚分布

2.2 內高壓成形

汽車橫梁內高壓成形模型如圖4所示，借助有限元軟件將原始幾何模型兩端設置沖頭進給補料區，并將其劃分為上下模具，以上道彎曲成形后的管件作為待成形管件，并在其兩端建立沖頭，其中上下模具及左右沖頭設置為剛性單元，待成形管件為彎曲結果管件，模具與管件接觸面的摩擦系數為0.125.考慮橫梁結構的特殊性，橫截面處呈扁平梯形形狀，容易在合模過程中使管坯擠壓到一起導致最后成形失敗，因此在合模過程中在管內施加適量的內壓力，保證成形質量，故選取合模壓力10 MPa，合模完成后內高壓整形時間為10 s，最終成形壓力為180 MPa.由于汽車橫梁左右結構對稱，設置左右沖頭軸向進給量為5 mm，其加載路徑如圖5所示。

圖4 內高壓成形有限元模型

圖5 加載路徑

內高壓成形結果如圖6所示。從圖中可以看出橫梁最大減薄率為21.5%，此處壁厚為1.57 mm，最大減薄處位于靠近端部的圓角過渡區。因為此處管材的變形量相對于其他區域更大，同時此處變形情況最為復雜，在軸向補料過程中，金屬材料在此處的流動較為困難，補料效果不佳。

圖6 壁厚減薄率分布

3 各參數影響

為探究各參數對橫梁內高壓成形結果壁厚的影響規律，以橫梁A截面作為典型截面，并以此為研究對象，在此截面上選取15個測點，所選截面如圖7所示，測點分布如圖8所示。

圖7 所選橫截面

圖8 測點分布

3.1 液壓加載路徑

液壓加載路徑是指油或乳化液等柔性介質經沖頭進入管材內部并在管內形成的液壓力隨時間變化而變化的情況，加載路徑會直接影響材料內高壓成形結果的成形性能。在汽車橫梁這類異形截面結構件的成形過程中，以沿橫截面方向的形變為管坯的主要變形模式，在保證不產生破裂、起皺等成形缺陷的前提下，成形結果截面壁厚分布越均勻，說明成形質量越好。本文研究三種不同液壓加載路徑對橫梁A截面的壁厚分布的影響，液壓加載路徑如圖9所示，其中加載路徑1為線性加載，加載路徑2、3為折線加載。在三種液壓加載路徑下，摩擦系數均為0.125，沖頭軸向補料路徑如圖5所示。加載路徑對其壁厚分布影響如圖10所示，從圖中可以看出，液壓加載路徑對橫梁A截面壁厚影響較為顯著，其中加載路徑3下測點壁厚分布的波動范圍較小，即壁厚分布更均勻，且各測點的壁厚值更為接近初始管坯值2 mm，而加載方式2下壁厚分布的波動范圍最大，即壁厚分布均勻性最差，成形效果不佳。說明液壓加載路徑對橫梁內高壓成形結果的影響較大。前期內壓力增長較為緩慢后期內壓力增長較為迅速的折線加載路徑下成形件的成形結果最好，說明選擇合適的液壓加載路徑可一定程度提高成形件的成形質量。

圖9 液壓加載方式

圖10 液壓加載方式對壁厚影響

3.2 摩擦系數

塑性成形過程中模具與管材接觸面存在運動或者運動趨勢的時候，其接觸面表面之間必然產生摩擦力，這種摩擦力在一定程度上影響成形過程中材料的流動性，進而影響成形區的補料效果，進而影響成形件的壁厚分布。因此研究摩擦系數對內高壓成形結果壁厚的影響規律具有重要的意義。選取摩擦系數為變量，內壓力加載路徑及軸向補料加載路徑采用如圖5所示的加載方式。摩擦系數分別選取為μ =0.125，μ =0.15，μ =0.175，各摩擦系數下成形結果A截面各測點分布情況如圖11所示，從圖中可以看出，在摩擦系數μ=0.125時A截面各測點壁厚分布最為均勻，且各測點壁厚最接近初始管坯壁厚2 mm，而在μ=0.175時測點壁厚分布波動最大，即壁厚分布最不均勻。可知，摩擦系數對內高壓成形結果的影響顯著。摩擦系數越小壁厚越接近初始管坯值，且整體厚度分布越均勻，故成形效果越好。這是因為摩擦系數越小，在成形過程中管材表面與模具的摩擦力越小，材料的流動性能越好，成形區的補料效果越好，進而成形區壁厚減薄程度越小[8]。

圖11 摩擦系數對壁厚影響

4 結論

針對汽車橫梁內高壓成形的數值模擬研究，具體結論如下：

（1）液壓加載路徑對橫梁內高壓成形結果影響較大。三種液壓加載路徑中，前期內壓力增長較為緩慢后期內壓力增長較為迅速的折線加載路徑下成形件的壁厚分布最均勻。選擇合適的液壓加載路徑可一定程度提高橫梁的成形質量。

（2）三種摩擦系數中，μ=0.125所對應成形件的壁厚分布波動最小。摩擦系數越小，橫梁壁厚分布越均勻，成形質量越好。

[1]耿培林，白 駿，楊保華.汽車輕量化的發展趨勢及前景探究[J].科協論壇（下半月），2012（3）：64-65.

[2]Kristoffer Trana.Finite Element Simulation of The Tube Hy droforming Process-bending，Performing and Hydrofomging[J].Journal of MaterialsProcessingTechnolgoy， 2002，127：401-408.

[3]榮吉利，馮志偉，項大林，等.汽車后橋縮徑－脹形工藝的仿真分析[J].北京理工大學學報，2014，34（3）：231-236.

[4]張豫寧，李 健，李彬，等.微型車后橋液力成形工藝的理論與仿真研究[J].鍛壓技術，2014，39（9）：143-149.

[5]王連東，陳國強，楊東峰，等.普通液壓機半滑動式液壓脹形汽車橋殼的工藝研究[J].中國機械工程，2011，22（18）：2249-2252.

[6]王連東，梁 晨，馬 雷，等.汽車橋殼液壓脹形工藝的研究及最新進展[J].燕山大學學報，2012，36（3）：206-209.

[7]劉勁松，聶鳳明，康 戰，等.液力成形技術在薄壁管件加工中的應用研究[J].現代制造工程，2010（7）：84-89.

[8]賈宇坤，羅建斌，李 健，等.轎車加強梁內高壓成形規律的仿真研究[J].鍛壓技術，2017，42（2）：183-188.

Simulation Analysis on the Hydroforming Law of Beam in the Vehicle

LUO Jian-bin，WU Liang，SU Hai-di，MIAO Ming-da
（Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006，China）

Using the nonlinear finite element software，the whole multi-forming process of beam bending and hydroforming in the vehicle has been simulated.The influece law of internal pressure loading way and friction coefficient on wall thickness distribution of the tube has also been explored.The simulation analysis result shows that the forming effect is the best under the internal pressure which is increased slowly firstly and is improved rapidly lastly.For the friction coefficient，the forming quality is the highest under μ =0.125.So，in some extent，the forming quality can been enhanced by selecting the proper hydraulic loading method and reducing friction coefficient.

vehicle beam；tube hydroforming；internal pressure feeding path；friction coefficient；simulation analysis

TG394

A

1672-545X（2017）08-0082-04

2017-05-26

廣西教育廳2014年度高等學?？蒲许椖浚╕B2014204）；廣西重點實驗室建設項目（14-A-01-03）；廣西工學院博士基金項目（?？撇?3Z10）；廣西科技大學研究生教育創新計劃項目（GKYC201702）

羅建斌（1973-），男，湖南新化人，博士，副教授，研究方向為汽車輕量化技術及車輛空氣動力學等。