基于模糊控制的扭力梁充液成形工藝研究

袁智軍， 王文淵， 程鵬志

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

0 引言

在充液成形過程中，管材內的液體壓力和側推力隨時間的變化規律稱為加載路徑，它與零件的材料、結構尺寸有關。 加載路徑是管材充液成形最重要的工藝參數，液體內壓力太大、側推力較小會導致零件過度膨脹產生破裂缺陷，液體壓力太小、側推力較大則會導致管材發生起皺，因此合理的加載路徑對提高零件生產效率具有重大意義[1-3]。

1 充液成形工藝原理

管材充液成形技術是以液體作為傳力介質， 在模具的約束下，將管材成形為需要的變截面形狀，其工藝過程原理如圖1 所示。首先在模具中放入管件，隨后上下模合模，左右側推頭同時進行密封和充液排氣，在這一過程中不斷增大管內液體壓力同時左右推頭做軸向推力進給，管件逐漸發生塑性變形，最后推頭回退并開模，取出成形的零件。

圖1 充液成形工藝原理

由于零件成形過程中， 液體壓力和軸向推力對于零件成形的精確數學模型難以建立， 傳統的控制方法需要準確建立被控系統數學關系而難以實現， 因此模糊控制技術成為一種新型的智能控制方法， 它是一種非線性控制方法，可以模擬人的思維方式生成模糊規則，對難以建模的被控系統進行推理及決策[4，5]。 Ge Y 等人使用模糊控制方法對一種膨脹管零件進行了加載路徑設計， 獲得了很好的成形質量[6]。 本文利用MATLAB 的模糊控制工具箱，可以將扭力梁充液成形的液體壓力、軸向推力同破裂缺陷、起皺缺陷建立模糊控制系統，研究扭力梁充液成形加載路徑。

2 零件特征及材料分析

2.1 零件特征分析

如圖2 所示為某汽車扭力梁零件， 從其截面特征分析可知，該零件是軸線為直線的異形管形截面零件，其零件截面為V 字形，從零件兩端至零件中心，管件截面形變逐漸增大，零件壁厚2.7mm。

從零件整體結構分析可知， 該零件使用充液成形工藝，可以一次精密成形，減少工序次數，研究合理的充液成形加載路徑制定方法，對于該類零件生產具有重要意義。

圖2 零件特征分析

2.2 材料分析

零件指定材料為S550MC 的鋼材， 該零件化學成分如表1 所示。

表1 S550MC 材料化學成分

此材料是細晶粒鋼，有優良的冷成形加工性能，廣泛應用于汽車中需要強度要求較高的零件上， 其基本物理性能參數如表2 所示。

表2 S550MC 材料基礎物理性能

3 加載路徑模糊控制優化

3.1 建立輸入隸屬函數

零件在充液成形過程中，管材內液體壓力逐漸增大，管件和模具的摩擦力會同步增大， 導致材料環向流動不均勻，從而出現破裂，因此選取零件的壁厚h 作為衡量某一時刻ti零件管材出現破裂的評價函數，即：

圖3 為壁厚破裂缺陷值φ1=h 的隸屬函數圖，它可以描述每一個輸入參數h 所表示的發生破裂的可能性。 一般當管材的減薄率大于20%以上時視為破裂， 設h 的論域為[2.4，3]， 集合中心為2.7， 用兩個梯形函數（small、large）和一個三角形函數（middle）描述破裂程度。

圖3 破裂值h 隸屬函數

圖4 貼模變化率隸屬函數

選取零件環向貼模段長度l 描述管材充填程度，此值越小表明零件填充越不充分，其評價函數為：它可以描述貼模變化率的快慢， 設論域為[0，0.1]，集合中心為0.05，區間寬度為0.05，用個梯形函數（small、large）和一個三角形函數（middle）描述貼模程度。

3.2 建立輸出隸屬函數

充液成形時需要較大的軸向補料量s 來彌補厚度減薄，當補料量過大時，易出現皺紋，因此需要較大的內壓力p 將皺紋展平， 故輸出控制參數是內壓變化量△p 和推頭軸向補料量△s。

設模糊子集△p 的論域大小為[0，10]MPa，集合中心點為5MPa，采用三個三角形函數（small、middle、large）描述所需增加載荷大小的程度，輸出隸屬度函數如圖5 所示。

圖5 輸出參數△p 隸屬度函數

設模糊子集△s 的論域大小為[0，10]mm，集合中心點為5mm，采用三個三角形函數（small、middle、large）描述所需增加載荷大小的程度，輸出隸屬度函數如圖6 所示。

圖6 輸出參數△s 隸屬度函數

3.3 模糊規則庫設計

為保證充液成形過程中，管材壁厚均勻分布，既不出現過度減薄，也不出現過度增厚出現褶皺，因此指定如下表3 的模糊控制規則庫。

表3 模糊控制規則庫

圖7 規則器觀察窗口

4 加載路徑分析

表4 模糊控制加載路徑設計值

在有限元仿真軟件dynaform 中建立仿真模型，按照表4 內容進行加載路徑設計。 對比模糊規則創建的加載路徑和線性加載路徑的仿真結果如圖8 所示，可知模糊控制規則產生的加載路徑能夠得到更加均勻的零件壁厚。

圖8 不同加載路徑零件壁厚對比

5 總結

管材充液成形工藝在制造扭力梁零件反面具有較大優勢，基于模糊控制規則設計的管材充液成形加載路徑設計方法，可以準確預測成形過程中潛在的破裂和起皺缺陷，基于模糊控制規則得到的管材充液成形加載路徑，優于普通的線性加載路徑成形效果，零件具有更好的壁厚分布。