軸向補料量對扭力梁內高壓成形質量的影響

張國俊

（寧波思明汽車科技股份有限公司， 浙江 寧波 315000）

0 引 言

近年來，高強度鋼管扭力梁被廣泛用于減輕汽車懸架的質量。在車輛行駛過程中，扭力梁反復受到扭轉和彎曲作用，扭力梁通常除管端部外均設計成V形截面，其截面形狀對耐久性、抗疲勞強度、應力應變集中等起到決定性作用[1]。扭力梁的傳統制造工藝是采用沖壓成形V形零件，在左、右縱臂之間焊接扭力桿。由于沖壓件和扭力桿之間分開，在承受循環載荷時，后懸架較重，側傾剛度較低，應力集中在焊接區域不可避免。空心扭力梁結構既能帶來更高的扭轉剛度，又能使質量更輕，特別是扭力梁兩端部與后懸架之間焊接長度較短，能改善焊接應力集中現象[2]。近些年，將圓管壓成空心V形或U形閉截面管梁在汽車后懸架設計中越來越流行，但其幾何輪廓尺寸精度難以控制，如何獲得具有質量較輕、尺寸精度和強度較高的空心扭力梁零件越來越重要。

現通過試驗對CP800材料扭力梁的內高壓成形工藝進行了研究，分析軸向補料對零件成形質量的影響，最后提出了適合CP800材料成形的扭力梁成形工藝。

1 有限元模擬和試驗驗證

1.1 試驗材料

試驗所用的材料為CP800，力學性能參數如表1所示。管材外徑為φ100 mm，壁厚為3.0 mm。

表1 管材力學性能參數

1.2 零件結構及成形條件

扭力梁結構如圖1所示，由于零件是對稱件，以下結構只展示左邊部分，其中包含3個區域，即V形區、過渡區和連接區，每個區域具有不同的截面形狀，部分典型截面如圖1所示。零件總長度為1 200 mm,A-A、B-B、C-C的脹形比分別為0.5%、9.8%、2.5%。

圖1 扭力梁零件結構

扭力梁的制造工藝如圖2所示，首先進行預成形工藝，以實現合適的材料分布，然后進行內高壓成形工藝，使預成形形狀脹形到最終零件尺寸。

圖2 扭力梁制造工藝

由于扭力梁中間V形面寬度（88.5 mm）小于原材料外徑（φ100 mm），即模腔開口的橫截面形狀小于原材料管直徑，管截面必須先進行預成形加工，以方便預壓后的工序件能順利放入內高壓模具凹模。預成形后工序件典型截面形狀和尺寸與內高壓模具凹模（零件理論尺寸）的對比如圖3所示，在A-A（A1-A1）截面預成形后，除了V形面兩邊拐角外，大部分已經貼合模具凹模；在B-B（B1-B1）截面預成形后，V形面內側有17 mm的內凹陷，需要后續通過內高壓工序消除；由于C-C（C1-C1）截面脹形比最大，最大的間隙值為4.5 mm，后續內高壓工序通過軸向補料和高壓整形來貼合模具凹模。預成形工序在4 000 kN液壓機上進行。

圖3 預成形后工序件典型截面形狀和尺寸

試驗所用設備為自主研發的25 000 kN內高壓成形機，內高壓成形模如圖4所示，內壓力和軸向補料都可以通過傳感器伺服系統精確控制，零件壁厚用超聲波測厚儀進行測量[3]。

圖4 內高壓成形模

1.3 有限元分析模型

使用三維軟件UG建立幾何模型，采用Hypermesh軟件對模具進行網格劃分。劃分好網格的模型如圖5所示，采用動態顯示方法對沖壓成形和內高壓成形過程進行分析計算，回彈過程采用靜態隱式方法進行模擬。采用Von Mises屈服函數和相關的各向同性硬化流動規律[4]，使用庫倫摩擦模型進行模擬，摩擦因數設置為0.05（實際試驗考慮潤滑劑的使用）。

圖5 有限元分析模型

1.4 主要工藝參數確定

1.4.1 軸向補料量

內高壓成形技術通過軸向補料可緩解變形區壁厚過度減薄和提高零件的脹形率，因此軸向補料量是確定水平液壓缸行程的一個重要參數。理想補料量Δl是指假設成形前后管材壁厚不變，根據體積不變條件，成形后工件表面積S1等于初始管材表面積S0（S1=S0），求出理想狀態下的補料量。在實際工藝中，由于受摩擦和加載路徑的影響，理想狀態下的補料量不能完全送到成形區，造成成形區壁厚減薄，實際補料量（理想補料量的60%～80%）小于理想補料量[1]。

求出理想補料量Δl為：

其中，最大直徑D=φ109.8 mm；最大直徑處長度l'=87.5 mm；成形區長度l=94 mm；原材料外徑d=φ100 mm。計算Δl=12.35 mm。

1.4.2 屈服壓力

初始屈服壓力是指管材開始發生塑性變形所需要的臨界內壓力，當無軸向力作用時，軸向應力σz和σθ的比值ξ為0，即自由脹形的初始屈服壓力[1]為：

其中，原管材的壁厚t=3.0 mm；材料的屈服強度δs=715 MPa。計算Ps=42.9 MPa。

1.4.3 整形壓力

在內高壓成形后期，零件大部分已經成形，局部小特征通過更高的壓力來保證零件尺寸精度，這一過程稱為整形階段，在整形階段無軸向補料，整形壓力Pc通過公式（3）估算：

其中，零件的最小圓角半徑rc=11.5 mm；δc是整形階段材料的流動應力，MPa，通常估算取材料屈服強度與抗拉強度之和的平均值[1]，即δc=750 MPa。計算Pc=195.6 MPa（后面試驗為了便于比較分析將整形壓力設置為200 MPa）。

圖6所示為試驗研究用到的加載路徑，整形壓力設置為200 MPa，初始內壓力設置為40 MPa，是為了避免軸向推力引起的材料屈曲[4]。軸向補料量為0、6、12、18 mm（由于零件是對稱件，左右兩端補料相同）。

圖6 3種不同加載路徑

2 結果與分析

通過試驗探討了軸向補料量對扭力梁零件內高壓成形壁厚分布和成形質量的影響，并通過仿真模擬分析與實際零件成形結果進行對比。軸向補料量為0、6、12、18 mm的內高壓扭力梁成形零件如圖7所示，軸向補料量為0、6、12 mm的零件成形效果良好，軸向補料量為18 mm時，在連接區域出現了起皺現象，如圖8所示。

圖7 內高壓成形扭力梁零件

圖8 軸向補料量為18 mm連接區起皺

不同軸向補料量得到的不同截面壁厚分布如圖9所示，軸向補料量可以改善B-B和C-C截面的減薄情況，但軸向補料量對A-A截面的厚度分布沒有影響，壁厚沿圓周方向分布相對均勻，差異不大。

圖9 不同軸向補料量得到的不同截面壁厚分布

扭力梁B-B截面脹形比最大，因此在沒有軸向進料的情況下，拐角填充區會發生減薄。B-B截面最大減薄率為19.3%，對稱分布于點6或點30；當軸向補料量為6 mm時，最大減薄率減小到11.4%；軸向補料量為12 mm時，最大減薄率降至8.3%。但軸向補料量只對拐角填充區域的厚度分布有影響，而對其他接觸區域的厚度分布沒有太大的影響。

C-C截面在無軸向補料量時，最大減薄率為6.7%，位于10點和26 點；當軸向補料量為6 mm時，最大減薄率降至5.6%；當軸向補料量為12 mm時，截面圓周圍的厚度都有增厚。這表明軸向補料可以增加C-C截面的厚度。

將扭力梁零件的成形精度定義為零件理論輪廓尺寸和實際成形輪廓尺寸的偏差值[5-6]，偏差值越大，成形精度越差，反之成形精度越好。以下對不同加載路徑下不同零件相同截面位置進行相關數據測量，測量位置如圖10所示。

圖10 零件截面測量位置

無軸向補料量、軸向補料量6 mm和12 mm的扭力梁成形精度如圖11所示，軸向補料量對截面B-B和C-C的尺寸精度影響顯著，無軸向補料量的最大尺寸精度為2.3%，位于B-B截面；軸向補料量為6 mm時，最大尺寸精度為1.75%，也位于B-B截面，當軸向補料量為12 mm時，整個扭力梁的尺寸精度都在0.5%以內，滿足零件最大尺寸偏差0.5%的要求，同時軸向補料量對中間V形區的尺寸精度沒有影響。

圖11 扭力梁尺寸精度

采用加載路徑2模擬分析的結果和試驗制作的扭力梁零件如圖12所示，經對比，兩者成形結果數據測量一致。

圖12 在加載路徑2下模擬分析結果和實際零件

3 結束語

討論了軸向補料量對扭力梁內高壓成形過程壁厚分布和成形精度的影響，隨著軸向補料量的增加，零件厚度改善明顯，成形精度顯著提高。但是過多的軸向補料量會導致連接區域出現起皺。無軸向補料量時，最大減薄率為19.3%，最大尺寸偏差為2.3%；軸向補料量為6 mm時，最大減薄率為11.4%，最大尺寸偏差為1.75%。當軸向補料量為12 mm時，最大減薄率為8.3%，最大尺寸偏差小于0.5%，扭力梁零件的壁厚分布和尺寸精度滿足設計要求。