彎曲軸線拖曳臂充液成形工藝研究

趙建平， 黃 宇

（廣西汽車集團有限公司， 廣西 柳州 530028）

0 引言

精密塑性成形技術是先進制造技術的重要組成部分，對國民經濟的發展具有重要促進作用，為了生產高精度、 高質量產品， 塑性成形技術的加工材料正在向復合型、多功能型發展，加工方向正在向精密化、高效化和輕量化發展[1，2]。

輕量化即指在保證零件安全和強度的條件下， 降低產品重量，最終實現節能減排、提高使用性的目的。目前輕量化的實現途徑主要有兩種，一種是采用如鋁、鎂合金、鈦合金等低密度輕質材料；另一種是“以空代實”重新設計零件結構，對于一些受力條件為彎曲和扭轉載荷的，采用空心構件來代替，這樣不僅節約材料，同時充分發揮了材料的強度和剛度。 管材充液成形技術便是在這一背景下發展起來的塑性加工技術[3，4]。

管材充液成形技術以液體作為傳力介質，首先將管材置于模具中，隨后在管材內充入高壓液體，同時利用推頭進行軸向補料， 零件在內壓力和軸向進給力的作用下，材料發生塑性變形，最終得到成形后的零件。在這一過程中，管材從初始的圓截面變為矩形、梯形等其他封閉截面。不同截面，材料膨脹率一般不同，即使在同一截面，受摩擦力的影響，各位置材料也很難均勻膨脹，導致零件出現失效[5，6]。 有限元軟件可以分析出各個截面成形時的應力應變狀態，為實際制造提供參考[7-9]。本文利用數值模擬的方法，對彎曲軸線拖曳臂零件進行研究，為該類零件成形提供工藝指導。

1 特征分析

圖1 為本文研究的零件， 零件材料為高強度結構鋼S500MC，屈服強度為500MPa，抗拉強度為635MPa，化學成分如表1 所示。

圖1 零件外形及截面特征

表1 S500MC 材料化學成分

該零件軸線為空間3D 曲線， 從截面圖1 中可以看出，零件的截面A-A 近似為矩形，其截面周長可等效為直徑75mm 的圓形， 截面B-B 和截面C-C 近似為圓形，其截面周長可等效為直徑85mm 的圓，沿著軸線方向，從截面A-A 到截面C-C，管材等效圓直徑逐漸變大。

該彎曲軸線拖曳臂零件的充液成形主要有以下難點：

（1）截面A-A 與C-C 截面充液成形時如何兼顧，當管材預制坯直徑選取過大時，模具閉合后，截面A-A 處易出現無法展品的死皺，若管材預制坯直徑選取過小，截面C-C 處的材料會過渡漲形，導致管材破裂。

（2）截面A-A 的矩形圓角較小，充液成形后期由于液體壓力較大，直邊處會先貼模，在模具摩擦阻力的影響下，材料無法環向均勻流動，這就造成圓角處既難貼膜，同時還容易出現破裂風險。

2 零件充液成形受力分析

管材充液成形是一個復雜的接觸動力學問題， 材料的塑性流動規律、 模具與管材之間的接觸條件都對零件成形質量有著影響。分析零件在不同位置的受力特點，對零件成形工藝參數的制定有著很大幫助。 圖2 是該彎曲軸線拖曳臂零件實際成形時的結構圖， 以矩形截面一側對該零件進行成形對稱設計，大大提高了零件生產效率。

圖2 充液成形結構圖

零件的截面B-B 和截面C-C 靠近充液成形管材的兩端，在這一區域取一微元體如圖3 作為研究對象，在管材上建立局部坐標系，環向為θ、軸向為z、厚向為t，σθ、σz和σt分別為環向應力、軸向應力和厚向應力。

根據Levy-Mises 準則， 塑性變形下應力和應變增量之間有如下關系式：

圖3 截面B-B、截面C-C 微元體受力分析

零件截面A-A 位于管材中間， 這一區域離推頭距離較遠，隨著管材內液體壓力的增大，材料與模具之間的摩擦力增大，推頭軸向力逐漸被弱化，軸向應變幾乎為零。取這一區域的微元體進行受力分析如圖4 所示。

根據平面應變狀態下的應力關系有：

圖4 截面A-A 微元體受力分析

3 充液成形數值模擬

采用基于LS-DYNA 求解器的ETA/Dynaform 有限元軟件， 對拖曳臂零件的管材充液成形過程進行有限元分析， 重點分析液體加載壓力和軸向補料量對充液成形過程的影響。 圖5 為該零件的有限元模型。

圖5 有限元模型

3.1 液室壓力加載路徑分析

充液成形過程中， 液體壓力的作用是為了使管材發生塑性變形，使零件貼模。 液體壓力主要分為初始屈服壓力和整形壓力。 初始屈服壓力和整形壓力相關參數計算過程如下所示：

式中：ps—初始屈服壓力；pc—整形壓力；t—管坯壁厚；d—管坯直徑；rc—工件截面最小過渡圓角半徑；ReL—材料的屈服強度。 根據計算結果，模擬時初始屈服壓力在55～65MPa 區間內選取，整形壓力在200～350MPa 區間內。

壓力的加載路徑設置為階梯形加載， 選取如圖6 所示5 種階梯形液室壓力加載路徑進行模擬。

圖6 壓力加載曲線

圖7 是5 種加載路徑下管材的最大減薄率。 從圖7中可以看出，減薄率隨整形壓力的增大而增大，當整形壓力大于300MPa 時，最大減薄率基本保持不變，說明此時零件已貼模。

圖7 不同加載路徑下壁厚減薄分布

3.2 軸向進給量分析

充液成形的另一個重要工藝參數是軸向補料， 該零件B-B 截面和C-C 截面形狀近似圓形，初始管材直徑選擇80mm，該區域內材料膨脹率為6.3%，此處材料膨脹不大且變形較均勻。但是在截面A-A 處，此處位于模具的正中間，材料流動較困難，矩形截面圓角較難成形。

為了防止矩形截面圓角處因膨脹率過大而發生破裂，可以采用合適的軸向進給量對其進行優化。 取初始屈服壓力為65MPa，整形壓力為200MPa，采用如圖8 所示的三種軸向加載路徑進行模擬。

圖8 軸向進給量曲線

圖9 為截面A-A 環向有限元仿真壁厚和實驗結果實際對比，從壁厚分布來看，模擬結果較好的體現出了實驗結果，表明當內壓加載路徑采用路徑3，軸向進給采用路徑2 時，可以成形制造出該零件，實驗結果如圖10 所示。

圖9 截面A-A 壁厚分布對比

圖10 充液成形零件

4 結論

管材充液成形技術在制作彎曲軸線異形截面管件上具有很大優勢，對比試驗和仿真結果可知，有限元軟件可以有效提高工藝參數優化效率。

管材處于自由漲形狀態時， 合理調整管材內部的液體壓力和推頭軸向側推力的關系， 便可以控制管材壁厚減薄，提高材料成形極限。

管材漲形區域離推頭較遠時， 可以在變形區預先進行堆料形成有益皺紋，彌補管材漲形時造成的厚向過度減薄。