汽車后橋殼內高壓成形工藝及脹型模具設計

張羅 徐蓉

摘 要：汽車后橋殼是幾何形狀較為復雜的零件，目前汽車橋殼的主要生產方式是鑄造和沖壓焊接。鑄造工藝對材料和能源太過浪費，零件的力學性能較差;沖壓焊接工藝的焊縫質量難保證，材料利用率較低。利用液壓脹形工藝成形整體橋殼能克服以上缺陷，節約材料和能源，同時工序少、材料利用率高。本文研究汽車后橋殼鼓包部分的液壓脹型工藝。針對汽車后橋殼特點，采用半滑動式液壓脹形工藝，能夠有效降低合模壓力的整體式的滑動模塊，同時固定模塊可防止飛邊的出現，也考慮了取件問題。本設計的亮點是整體式的滑動模塊具備分擔大部分的管坯脹形力，降低設備噸位的作用;設計的預脹形模具和終脹形模具滑動模塊部分能夠共用，減少模具開發制造費用。

關鍵詞：汽車橋殼;半滑動式;液壓脹形;模具設計

汽車橋殼屬于大型復雜異型截面零件，它保護著內部的主減速器，差速器，半軸等零件，并承受著車身重量與車輪傳來的力矩。其作用及性能，要求既有足夠的強度和剛度，又要盡量減輕質量;而且在保證橋殼使用要求的前提下，力求結構簡單，制造方便，以利于降低成本。

車橋主要有兩種生產方式：鑄造和沖壓焊接。鑄造可以制造出形狀較為復雜的車橋，但鑄造件重量大，消耗材料和能源多，較為浪費。沖壓-焊接成形工藝較好，廢品率低，重量輕，強度高，并且成本較低[1]。但沖壓焊接工藝工序多，費材耗能，焊縫長，對焊縫質量要求較高。而利用液壓脹形工藝生產橋殼則材料利用率高，節省能源和材料，加工工序較少，且加工效率高，易實現機械化、自動化[2]。壁厚合理，應力分布較好，剛度高，重量輕。

本設計就是要依據圖1-1所給的后橋殼相關尺寸，材料為20號碳鋼無縫管。圖1-1為設計中橋殼為輕型車后橋殼，鼓包部分的最大直徑為440mm，最小直徑68mm，長度為1953mm，橋殼壁厚為10mm，均勻管徑為127mm。

為了減少變形過程中變形量過大導致徑縮脹形失敗，選取了直徑為127mm，厚度為10mm的管胚，這樣可以保證大部分材料不流動就可以滿足橋殼設計要求。研究的內容包括：

（1）確定汽車橋殼復合液壓脹形成形方案。

（2）形成汽車橋殼復合液壓脹形的工藝技術，包括設計滑動脹形模具。

圖1 所設計汽車后橋殼零件圖

1.汽車橋殼復合液壓脹形參數分析

橋殼的最大當量直徑為φ440mm，而管坯直徑尺寸為φ127mm，脹形系數

式中

kr—脹形系數;

b—脹形管件的最大尺寸，mm;

d0—管坯脹形初始尺寸，mm。

經計算得，脹形系數kr=3.46。

20號鋼的最大脹形系數可由下式算出[3]：

式中n—材料的硬化指數，對于20號低碳鋼，n=0.18-0.22

算出

由上Kr大于Kmax，需要兩次脹形。

2.汽車橋殼脹型工藝

傳統脹形時采用的模具有固定式、滑動式兩種結構，固定式結構軸向推力完成不了大脹型，管徑和材料之間的滑動使坯料不能模具形狀嚴格吻合;動式液壓脹形模具可以克服固定式脹型模具缺點，但較大的垂直合模力，左右滑動模塊進給時與上下導板的摩擦力亦較大，滑動模塊之間存在較大的懸空部分，可能出現管坯中部脹出模具型腔在合模時被壓成“飛邊”缺陷[4]。針對以上難點，采用了半滑動式液壓脹形工藝。采用由中間固定模塊、左右滑動模塊組成的半滑動式模具。左右滑動模塊分別采用整體結構（或由軸向分模的兩部分組成），促使軸向推力有效作用于管坯大脹形部位，使單次脹形量大、同時承載著管坯傳遞的液體壓力，減低垂直合模力及其軸向進給時與模具導向板之間的摩擦力，脹形時固定不動，便于成形控制，避免出現脹裂、飛邊等缺陷。

車橋殼成型坯料在經過多次縮頸后成為工序件1（圖2-1）（縮頸工藝和縮頸模具設計本文不展開），之后經過預脹型和終脹型兩次脹形，工序件如圖2-2。經過最終脹形后得到所研究后橋殼零件。

3.預脹形模具主要零件設計

1）固定模具的設計

預脹形的固定控制模具（圖3虛線框中零件）是與所設計的汽車后橋殼的預脹形坯料一致的，這樣設計方便脹形后直接在左右滑動模具滑滑向兩側后取件，與滑動模具通過滑動鑲塊密封。

2）滑動模塊設計

為了使滑動模塊能夠分擔液壓脹形時管坯的脹形力，降低液壓機的合截面合模力，滑動模塊設計為整體式結構。將左右兩個滑動模塊都分為滑動模具1、2和滑動模具1、3（圖3）兩個部分，以減小單個零件的重量，方便拆裝。

4.終脹形模具主要零件設計和裝配

1）固定模具的設計

終脹形的固定控制模具（（圖3實線框中零件））是與所設計的汽車后橋殼的最終零件形狀一致，如圖所示3，取件密封功能實現和預脹型模具相同。

2）滑動模具設計

由于第一次脹形滑動模具和第二次脹形滑動模具鼓包設計相適應，第一次脹形的滑動模具可以直接用到第二次脹形過程中，無需再次設計。

3）圖3為終脹形模具結構圖，預脹型與終脹型模具只有21控制模具不同。由圖可看出，左滑動模具由7滑動模具1、12滑動模具2組成，相應的右滑動模具由17滑動模具3、7滑動模具1組成。左右滑動模具與21控制模、模具鑲塊組成整個橋殼的幾何形狀。密封鑲塊9與滑動模具1通過過盈配合裝配在一起，滑動模具1和滑動模具2由銷釘固定在一起，這樣，整個左滑動模固定為一個整體。右邊以同樣的方式固定在一起。左模固定液壓機上工作面，右模固定在液壓機下工作面，兩工作平面之間要有足夠的開度，使放入和取出管坯時有足夠的空間。裝配時，左、右模和控制模緊貼導板，導向板能夠起到定位的、導向作用。密封壓頭處由密封鑲塊密封壓頭采用內嵌式組合密封形式。

1.導軌槽2.導軌3螺釘4墊片5.M12螺釘孔6.下導板7.滑動模具18.密封壓頭9.密封鑲塊10.進液口11.脹形胚料12.滑動模具2 13.銷釘14.螺釘15.墊片16.滑動鑲塊17.滑動模具3 18.放液口19.螺釘20.墊片21.終脹型控制模具? 22.螺釘23.墊片24.螺釘25.墊片26.上導板

5 脹形模具功能實現

密封壓頭5是模具中極為重要的一個零件，它用于密封的接觸面為圓弧面，能夠很好地與滑動模具和滑動鑲塊配合，密封住管坯的端口，保證管坯內的高壓液體不外泄。進液口相對的口可以接一個傳感器，這樣能夠隨時測得管坯內液體的壓力大小，并將其及時反饋到電腦，用以實時數據跟蹤，一旦壓力出現異常可隨時調整。脹形模具密封進液處如圖5

滑動模具在導板上是沿著滑動導軌滑動的，滑動導軌以及導軌槽的硬度和耐磨度要求比較高，因此做成鑲塊形式以節約成本。

脹形坯料放入脹形模具后，固定模具兩側的滑動模具在液壓機的控制下壓緊坯料口，此時坯料內部形成密封空間，此時高壓液體由進液口注入，隨著注入的液體增多，中間部分未與固定模具接觸的地方開始脹形，同時，固定的滑動模具在液壓機的作用下同時向中間固定模具靠近，以便脹形過程中的給料，脹形繼續進行，隨著坯料內部壓力的繼續增加，滑動模具緊靠固定模具后，滑動模具保持位置不變，壓力繼續增加使得脹形過程完全貼模后保持壓力不變一段時間。取件時放液口打開，坯料內部壓力降低，液體完全放出后，滑動模具在液壓機的帶動下滑向兩側，此時可以取出制件，進行下一次脹形或者換固定模具進行最終脹形。

參考文獻

[1]李偉，韓英淳，史文庫.輕型車后橋殼液壓脹形仿真與實驗研究.2007.

[2]王連東，張濤，李礽.確定汽車橋殼液壓脹形極限成性系數的初探.燕山大學學報，2001.

[3]李繼光，宮海蘭，王忠金.薄壁零件粘性介質外壓多道次縮徑研究.鍛壓技術，2010.

[4]郎利輝. 內高壓液力成形缺陷產生及其失效分析[J]. 塑性工程學報，2001.

作者簡介：

徐蓉（1990-），女，漢族，湖北應城，沖壓工藝/助理工程師，本科，東風柳州汽車有限公司，沖壓方向。

張羅（1991-），男，漢族，湖北襄陽，沖壓工藝/助理工程師，本科，東風柳州汽車有限公司，沖壓方向。