預(yù)制坯形狀對扭力梁內(nèi)高壓成形的影響分析

韓 聰，張偉瑋，苑世劍，趙福全，丁 勇，曹 偉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001，E-mail:conghan@hit.edu.cn; 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江臨海317000)

預(yù)制坯形狀對扭力梁內(nèi)高壓成形的影響分析

韓 聰1，張偉瑋1，苑世劍1，趙福全2，丁 勇2，曹 偉2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001，E-mail:conghan@hit.edu.cn; 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江臨海317000)

針對復(fù)雜截面扭力梁內(nèi)高壓成形容易出現(xiàn)咬邊和開裂的問題，以轎車V型扭力梁為例，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法，分析了預(yù)制坯形狀對扭力梁內(nèi)高壓成形的影響，重點(diǎn)研究了壓下量(Y)和側(cè)向?qū)挾?B)對預(yù)制坯形狀和內(nèi)高壓成形的影響.結(jié)果表明，當(dāng)Y、B分別為0.83D(D為管材直徑)、0.73D和0.78D、0.78D時(shí)，得到的預(yù)制坯形狀在合模時(shí)出現(xiàn)咬邊缺陷;當(dāng)Y、B分別為0.73D、0.73D和0.78D、0.68D時(shí)，得到的預(yù)制坯形狀能夠順利完成合模過程，但在內(nèi)高壓成形時(shí)出現(xiàn)了開裂缺陷;當(dāng)Y、B為0.78D、0.73D時(shí)，得到的預(yù)制坯能順利成形出合格的內(nèi)高壓成形零件.由此可知，預(yù)制坯形狀是決定復(fù)雜截面扭力梁內(nèi)高壓能否順利成形的重要因素，通過控制截面的高寬尺寸和形狀，可以得到合理的預(yù)制坯形狀，避免內(nèi)高壓成形過程中缺陷的產(chǎn)生.

內(nèi)高壓成形;液壓成形;扭力梁;預(yù)成形

轎車后懸掛裝置中的扭力梁零件［1］，是轎車后懸掛裝置中一個(gè)重要的部件，其結(jié)構(gòu)形式不但對零件的強(qiáng)度和剛度有著重要的影響，而且其質(zhì)量也有所差異.

目前，應(yīng)用于轎車的扭力梁主要有以下4種結(jié)構(gòu)形式:1)采用V或U型扭力梁，用沖壓板中間夾帶一根實(shí)心穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)(圖1(a))，例如標(biāo)致307車型;2)H型扭力梁，并在凹槽內(nèi)置一根穩(wěn)定桿(圖1(b))，如本田飛度車型;3)半圓弧型的扭力梁(圖1(c))，該扭力梁凹槽內(nèi)不再含有穩(wěn)定桿，而是采用厚度到10 mm的鍛造槽鋼，如上海大眾晶銳車型.最新的結(jié)構(gòu)形式是采用管件通過機(jī)械擠壓的方法成形為封閉截面的扭力梁，為了適應(yīng)空間和承載的需要，扭力梁被設(shè)計(jì)成空心變截面形式，在提高零件整體強(qiáng)度、剛度和抗彎模量的同時(shí)大大降低了質(zhì)量.如采用截面形式如圖2所示扭力梁結(jié)構(gòu)，相對圖1的3種結(jié)構(gòu)，質(zhì)量分別減輕39.4%、39.9%和10.8%.

圖1 傳統(tǒng)扭力梁截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 封閉扭力梁截面結(jié)構(gòu)示意圖

但采用機(jī)械擠壓方法成形的扭力梁，對于模具內(nèi)凹部分很難達(dá)到貼模要求，零件精度差.為了有效控制形狀尺寸，克服零件精度低的缺點(diǎn)，韓國學(xué)者嘗試在成形過程通過在管材端部插入芯棒，起到支撐作用從而保證該區(qū)域的尺寸精度的方法［2］，而其他區(qū)域仍采取機(jī)械擠壓的方式成形.這種方法只適用于截面形狀簡單的零件，而對于截面形式復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，很難實(shí)現(xiàn)成形.

國外學(xué)者使用高強(qiáng)鋼，通過加熱成形，然后在模具內(nèi)通水冷卻淬火，得到馬氏體組織來提高零件的強(qiáng)度和剛度［3］，但其工藝控制復(fù)雜，設(shè)備投資大.

隨著內(nèi)高壓成形技術(shù)的不斷發(fā)展和在汽車零部件制造方面的應(yīng)用［4－5］，許多學(xué)者開始嘗試采用內(nèi)高壓成形工藝制造扭力梁.臺灣學(xué)者采用直徑為 113 mm，壁厚 4.2 mm的管材，材料為SPFH590Y，通過內(nèi)高壓成形得到U型截面的扭力梁，沒有預(yù)成形過程和軸向補(bǔ)料過程［6］.德國學(xué)者嘗試采用DP780內(nèi)高壓成形復(fù)雜截面扭力梁，得到了合格的扭力梁試件，與機(jī)械成形相比零件貼模精度大大提高［7］.采用內(nèi)高壓成形扭力梁，不但使扭力梁截面形式可以變化復(fù)雜，而且使截面連續(xù)性也可以變化多樣，適應(yīng)因載荷不同而提出的截面尺寸變化要求［8］.

采用內(nèi)高壓工藝成形復(fù)雜截面扭力梁時(shí)，除內(nèi)高壓成形過程外，通常還包括預(yù)成形過程和合模過程［9］.尤其是預(yù)成形過程，是成形的關(guān)鍵工序［10］.預(yù)制坯形狀不但決定后續(xù)合模過程能否順利進(jìn)行，還對變形均勻性和成形后的壁厚分布有著重要的影響.因此，本文將采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法研究預(yù)制坯形狀對復(fù)雜截面扭力梁內(nèi)高壓成形的影響，重點(diǎn)研究預(yù)制坯形狀對缺陷的產(chǎn)生的影響規(guī)律.

1 零件形狀及特點(diǎn)

圖3為本文所研制的扭力梁零件，截面形狀以V型截面為主，還包括橢圓形及異型截面.截面周長有一定的變化，最大的C－C截面和最小的E－E截面，周長相差7%.

圖3 扭力梁零件圖

根據(jù)扭力梁零件特點(diǎn)，在機(jī)械擠壓過程中，管材從外凸的圓弧形面變成內(nèi)凹的V型面，很容易擠出模具型腔之外，發(fā)生咬邊現(xiàn)象.為了能夠使管坯順利放到內(nèi)高壓成形模具，需要進(jìn)行預(yù)成形工序，通過機(jī)械擠壓的方式使管坯預(yù)先發(fā)生變形.其主要成形工序如圖4所示，包括預(yù)成形，合模和內(nèi)高壓成形3個(gè)主要步驟.

圖4 扭力梁內(nèi)高壓成形工序

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

采用有限元分析軟件LS－DYNA，對扭力梁預(yù)成形和內(nèi)高壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬過程采用多步法，考慮了上一步成形過程對后續(xù)成形的影響.有限元模型如圖5所示，圖5(a)為預(yù)成形有限元模型，包括上模、下模、左滑塊、右滑塊和管坯.管坯選用 Belytschko－Tsay殼元，共10848個(gè)節(jié)點(diǎn)，10816個(gè)單元.圖5(b)為內(nèi)高壓成形有限元模型，由上模、下模、左右沖頭和預(yù)成形后的管坯組成.管坯的材料為低合金鋼，屈服強(qiáng)度為252 MPa，抗拉強(qiáng)度428 MPa，均勻延伸率28%，硬化指數(shù)(n)為0.151，厚向異性系數(shù)(r)為0.927，材料強(qiáng)度系數(shù)(K)為661 MPa.

圖5 有限元模型

2.2 研究方案

預(yù)成形管坯采用上下模塊擠壓和側(cè)向滑塊擠壓的方式，以D－D截面為例，采用不同的高、寬尺寸來實(shí)現(xiàn)不同的預(yù)制坯截面形狀，豎直方向的壓下量定義為Y，側(cè)向的寬度定義為B，如圖6所示.其中，Y的取值是確保管件在豎直壓下時(shí)不咬邊，分別取0.73 D，0.78D和0.83D(D為管材直徑)，而B的取值是確保內(nèi)高壓模具閉合前不再有金屬流向分模面，分別取0.68 D，0.73 D和0.78 D.

圖6 Y、B尺寸示意圖

研究方案如表1所示，在模擬的過程中，為了研究各參數(shù)對成形過程的影響，當(dāng)研究某一參數(shù)的影響時(shí)，僅改變該參數(shù)數(shù)值，其他參數(shù)值保持不變.

表1 數(shù)值模擬方案

內(nèi)高壓成形是預(yù)成形后的管坯經(jīng)過上下模具合模以及軸向沖頭密封加壓完成，最終內(nèi)壓分別為70、80、90和110 MPa.

2.3 結(jié)果及分析

當(dāng)壓下量Y為0.83 D，B為0.73D時(shí)，此時(shí)在合模擠壓的過程中就已經(jīng)出現(xiàn)咬邊缺陷，而側(cè)向擠壓無法消除已經(jīng)出現(xiàn)的咬邊缺陷.D－D截面如圖7所示，出現(xiàn)咬邊缺陷.

圖7 D-D截面出現(xiàn)的咬邊(Y=0.83D，B=0.73D)

當(dāng)壓下量Y為0.73D，側(cè)向?qū)挾菳為0.73 D時(shí)，出現(xiàn)開裂缺陷，如圖8(a)所示;成形整個(gè)過程如圖8(b)所示，合模時(shí)，只有管坯下部貼模，當(dāng)內(nèi)壓為45 MPa，除了圓角區(qū)域，其余大部分貼模，當(dāng)內(nèi)壓為60 MPa時(shí)，產(chǎn)生開裂.開裂原因主要是由于材料在變形后期產(chǎn)生過度減薄，此時(shí)除圓角部分外，其余大部分貼模，隨內(nèi)壓增加，圓角區(qū)域摩擦增大，材料流動困難，在內(nèi)壓作用下圓角區(qū)域發(fā)生類似純脹形變形而過度減薄，進(jìn)而導(dǎo)致開裂.

圖8 開裂缺陷(Y=0.73D，B=0.73D)

當(dāng)壓下量Y為0.78D，側(cè)向?qū)挾菳為0.78D時(shí)，出現(xiàn)咬邊缺陷，如圖9所示.此缺陷是由于側(cè)向擠壓不足造成.

圖9 咬邊缺陷(Y=0.78D，B=0.78D)

當(dāng)壓下量Y為0.78D，側(cè)向?qū)挾菳為0.68D時(shí)，出現(xiàn)開裂缺陷，如圖10(a)所示;成形過程如圖10(b)所示.開裂原因同 Y為0.73D，B為0.73D時(shí)基本相同，只是開裂位置有所差異.

圖10 開裂缺陷(Y=0.78D，B=0.68D)

當(dāng)壓下量Y為0.78 D，側(cè)向?qū)挾菳為0.73 D時(shí)，此時(shí)能順利完成合模過程，當(dāng)壓力達(dá)到90 MPa時(shí)，除個(gè)別圓角位置，其余部分基本貼模，當(dāng)壓力達(dá)到110 MPa時(shí)，基本實(shí)現(xiàn)了完全貼模，如圖11所示.

圖11 合格工件(Y=0.78D，B=0.73D，P=110 MPa)

通過模擬分析可以預(yù)測，在試驗(yàn)過程中主要產(chǎn)生兩種缺陷形式:咬邊和開裂.產(chǎn)生咬邊的原因主要是金屬在變形過程中流向分模面，或側(cè)向擠壓量不足仍舊使部分金屬留于分模面，在合模過程中產(chǎn)生咬邊缺陷.產(chǎn)生開裂的原因(主要發(fā)生在C－C截面附近)主要是由于材料沿周向流動造成變形不均勻?qū)е略诰植慨a(chǎn)生過度減薄.具體分析如圖12所示，在豎直擠壓(圖12(a))和側(cè)向擠壓(圖12(b))后的合模過程中，h點(diǎn)和d點(diǎn)都會繼續(xù)向下運(yùn)動.d點(diǎn)的向下運(yùn)動會帶動bcd(fed)段金屬向d點(diǎn)流動，h點(diǎn)的向下運(yùn)動會帶動ah(gh)段金屬向h點(diǎn)流動，預(yù)制坯形狀不同，bcd(fed)段和ah(gh)段貼模先后順序也不同，一旦貼模，材料流動變得困難，ab(gf)段總是是相對減薄的區(qū)域(如圖13所示)，在內(nèi)壓作用下，最容易開裂.

圖12 管坯預(yù)成形過程中材料流動示意圖

圖13 材料減薄位置示意圖

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的10000 kN內(nèi)高壓成形機(jī)上進(jìn)行，配有400 MPa內(nèi)高壓成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)由增壓器、2個(gè)水平推缸以及液壓伺服系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成.內(nèi)高壓成形模具主要包括密封沖頭，上、下模塊等部分.管坯規(guī)格:直徑89 mm，壁厚2.5 mm，長度1200 mm.

當(dāng)壓下量Y為0.83 D，側(cè)向?qū)挾菳為0.73 D時(shí)，試件在豎直擠壓預(yù)成形步驟中就會出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，如圖14(a)所示，即使再進(jìn)行側(cè)向滑塊擠壓也不能消除.

當(dāng)壓下量Y為0.73 D，側(cè)向?qū)挾菳為0.73 D時(shí)，在試件端部和中間區(qū)域相連的過渡區(qū)域(CC截面附近)產(chǎn)生開裂，如圖14(b)所示.

當(dāng)壓下量Y為0.78 D，側(cè)向?qū)挾菳為0.78D時(shí)，V型件的兩邊不能收攏到合適的尺寸，即再次放回模具后，仍舊有一部分金屬處在分模面的位置試件產(chǎn)生明顯的咬邊現(xiàn)象，如圖14(c)所示.

當(dāng)壓下量Y為0.78D，側(cè)向?qū)挾菳為0.68D時(shí)，在試件端部和中間區(qū)域相連的過渡區(qū)域(CC截面附近)產(chǎn)生開裂，如圖14(d)所示.

當(dāng)壓下量Y為0.78D，側(cè)向?qū)挾菳為0.73D時(shí)，得到合理的預(yù)制坯形狀.用合理的預(yù)制坯進(jìn)行內(nèi)高壓成形試驗(yàn)，受到試驗(yàn)設(shè)備合模力限制，成形壓力分別設(shè)為70、80和90 MPa.從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著成形壓力的增加，成形后尺寸精確度越高，各個(gè)截面的過渡圓角越接近貼模狀態(tài)，曲面過渡越光滑，如圖14(e)所示.

圖14 采用不同預(yù)制坯的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)對于復(fù)雜截面扭力梁內(nèi)高壓成形的主要缺陷是咬邊和開裂，咬邊產(chǎn)生的主要原因是由于在內(nèi)高壓合模過程中材料流向分模面最終導(dǎo)致擠出模具型腔;開裂產(chǎn)生的主要是由于在內(nèi)高壓成形過程中材料沿周向流動不均勻造成變形的不均勻?qū)е戮植慨a(chǎn)生過度減薄.

2)預(yù)制坯形狀是決定復(fù)雜截面扭力梁內(nèi)高壓能否順利成形的重要因素，通過合理控制預(yù)成形截面的高寬尺寸和形狀，可以有效避免合模出現(xiàn)的咬邊及控制內(nèi)高壓成形變形的均勻性，成形出合格的零件.

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The effect of preform shape on hydroforming of a torsion beam

HAN Cong1，ZHANG Wei-wei1，YUAN Shi-jian1，ZHAO Fu-quan2，DING Yong2，CAO Wei2
(1.State Key Laboratory of Advanced welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，E-mail: conghan@hit.edu.cn;2.Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co.Ltd.，Linhai 317000，China)

To solve the problem of wrinkling and bursting during hydroforming of a torsion beam with complicated sections，numerical simulations and experimental researches were conducted，and the effect of different combinations of pressing distance Y and lateral width B of preform shapes was studied.The results showed that the flanges occurred during dies closing when Y is 0.83 D and B is 0.73 D(D is the outer diameter of the tube)or Y is 0.78 D and B is 0.78 D，respectively.However，the bursting occurred during hydroforming when Y is 0.73 D and B is 0.73 D or Y is 0.78 D and B is 0.68 D，respectively.The hydroforming process can be successfully conducted and qualified parts can be obtained with the preform shape when Y is 0.78 D and B is 0.73D.The preform shape is the most important factor on hydroforming of a torsion beam with complicated sections，and the defects can be avoided by changing the dimensions and shapes of the preform.

internal high pressure forming;hydroforming;torsion beam;preform

TG394 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)04－0001－05

2010－11－22.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075097).

韓 聰(1973－)，男，博士，講師;

苑世劍(1963－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 呂雪梅)