脹－壓復(fù)合成形汽車橋殼預(yù)成形管坯的設(shè)計及成形試驗

崔亞平 王連東 楊立云 楊東峰

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

汽車橋殼是汽車上的主要承載件之一，形狀復(fù)雜，幾何尺寸大，強(qiáng)度和剛度要求高。目前它主要用鑄造和沖壓焊接方法來制造，鑄件強(qiáng)度高，但質(zhì)量大，沖壓件質(zhì)量輕，但焊縫強(qiáng)度低。用液壓脹形方法制造汽車橋殼［1-2］，比鑄造方法節(jié)省材料，比沖壓焊接方法工序簡化、材料利用率高、壁厚變化合理。本世紀(jì)初，有學(xué)者針對微型汽車橋殼的液壓脹形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬［3］。燕山大學(xué)在汽車橋殼液壓脹形的工藝?yán)碚摷俺尚渭夹g(shù)等方面做了一定的研究［4-5］。汽車橋殼為異形截面大尺寸復(fù)雜形狀的管類件，用常規(guī)液壓脹形工藝制造，橋包部分的過渡小圓角不易貼模，需要較高的內(nèi)部脹形壓力、較大的設(shè)備噸位。目前，液壓脹形工藝尚無法用于汽車橋殼的工業(yè)化生產(chǎn)。

Mason在1999年提出了管材徑壓脹形工藝的概念，Kang等［6］數(shù)值模擬了圓形管材徑壓脹形成復(fù)雜截面零件的過程，分析了管材尺寸對成形性能的影響;Nikhare等［7］模擬了預(yù)成形管的液壓脹形過程，研究了預(yù)成形對液壓脹形成形性的影響。

燕山大學(xué)液壓脹形課題組提出了適用于大尺寸變徑異形截面管類件的鋼管脹－壓復(fù)合成形汽車橋殼新工藝:選擇一定尺寸的無縫鋼管，先對其兩端縮徑中部液壓脹形(稱為預(yù)成形)，使其成形為軸對稱的預(yù)成形管坯，再對其內(nèi)部充液(水)并用模具壓制成形。

本文提出了鋼管脹－壓復(fù)合成形汽車橋殼預(yù)成形管坯的設(shè)計方法，針對某小型汽車橋殼通過有限元模擬，分析了預(yù)成形管坯截面大小對壓制成形的影響，確定了合適的截面系數(shù)，并在普通液壓機(jī)上成功試制出合格橋殼樣件。

1 小型汽車橋殼脹－壓復(fù)合成形工藝簡介

某小型汽車橋殼的總長為1050mm，中間截面最大高度(當(dāng)量直徑)為212mm，兩端直臂圓管部分外徑為67mm，受液壓機(jī)開間的限制，將橋殼樣件總長度縮減至470mm。橋殼樣件的幾何形狀如圖1所示。

圖1 橋殼樣件三維模型

橋殼主要由兩端直臂部分及中間橋包部分組成，橋包部分前蓋和后蓋底部存在過渡小圓角，難成形。樣件成形后需切掉前蓋，用于安裝主減速器。

管坯選用初始直徑102mm、壁厚5.5mm的20無縫鋼管，其屈服極限σs為370MPa，強(qiáng)度極限σb為420MPa，延伸率δ為30%，硬化指數(shù)n為0.2。橋殼的脹－壓復(fù)合成形工藝如圖2所示。初始管坯長565mm(圖2a)，兩端縮徑后外徑減至67mm，總長變?yōu)?95mm(圖2b);縮頸后管坯中部經(jīng)過兩次液壓脹形(圖2c)后，長度減至470mm，中部最大直徑為207mm。液壓脹形后的管坯稱為預(yù)成形管坯，對其內(nèi)部充液后再用模具壓制成形橋殼樣件(圖2d)。

圖2 某小型橋殼脹-壓復(fù)合成形工藝

2 預(yù)成形管坯的設(shè)計方法

預(yù)成形管坯的設(shè)計方法如下:

(1)預(yù)成形管坯為軸對稱狀的回轉(zhuǎn)體。

(2)預(yù)成形管坯長度與制件長度相等。

(3)預(yù)成形管坯直臂部分周長與制件對應(yīng)部分截面周長相等;橋包部分截面周長Ly與制件對應(yīng)橫截面周長Lz存在一定的比例關(guān)系，即

式中，k為截面系數(shù)。

截面系數(shù)k的取值決定了預(yù)成形管坯的尺寸，直接影響橋殼的成形性。試驗研究表明:k值選取適當(dāng)，橋包部分過渡圓角大小合適，直邊部分輪廓清晰;k值選取不當(dāng)，橋包部分輪廓不清晰，或者過渡圓角過小、壓制力過大，甚至破裂。

3 截面系數(shù)值的確定

3.1 有限元模擬

因前期縮徑及脹形工藝對預(yù)成形管坯的成形性有很大影響，故使用有限元分析軟件ANSYS在初始管坯的縮徑及脹形模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行壓制成形模擬，重點(diǎn)分析橋殼模擬樣件輪廓成形尤其是橋包部分過渡圓角的成形情況。

根據(jù)上述預(yù)成形管坯的設(shè)計方法，給定橋包部分截面系數(shù) k三個不同的取值0.94、0.97、1.00，設(shè)計相應(yīng)的預(yù)成形管坯及二次脹形模具。

根據(jù)成形樣件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，只對1/4模型分析，使用Solid45單元對初始管坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過建立剛－柔接觸模型及在縮徑模具上施加位移以模擬縮徑成形過程;通過對縮徑后的管坯內(nèi)部施加壓力載荷以及在脹形模具上施加位移來模擬管坯的脹形過程。初次脹形后的模擬樣件如圖3a所示，k=0.97時得到的二次脹形后模擬樣件即預(yù)成形管坯如圖3b所示;當(dāng)k值依次選取0.94、0.97、1.00時，相應(yīng)地按照圖4路徑1、路徑2、路徑3進(jìn)行壓制成形模擬，均能成形。

圖3 脹形模擬樣件

圖4 壓制成形加載路徑

圖5所示為k=0.97情況下預(yù)成形管坯壓制成形時的有限元模型，壓制時下模及側(cè)模不動，上模自初始位置下壓53mm至上下模間距為67mm，期間管坯內(nèi)部壓力保持15MPa不變，最后加至40MPa進(jìn)行校形，圖6所示為壓制成形后的模擬樣件。

圖5 壓制有限元模型

圖6 壓制后模擬樣件

3.2 模擬結(jié)果

針對三組模擬樣件，自中心橫截面(截面1)向直臂部分每間隔22.5mm的軸線長度截取一個測量截面，90mm的軸線長度共截取5個截面(圖1)，分別測量每個樣件前蓋及后蓋5個截面位置的過渡圓角大小，首先將模擬結(jié)果中的截面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，還原為真實大小的截面形狀，輸出后用圓角規(guī)測量橋包處過渡圓角大小，測量結(jié)果如表1所示。由表1的模擬結(jié)果可知:

(1)橋包部分過渡圓角尺寸隨著k值的減小而增大。在k分別為1.00、0.97、0.94時，后蓋截面2上過渡圓角值分別為 5.5mm、11.0mm、14.5mm。

(2)同一模擬樣件，橋包部分后蓋過渡圓角值較前蓋大。當(dāng)k=0.97時，截面3上，后蓋圓角值為10.0mm，較前蓋8.5mm大1.5mm。

(3)模擬值與設(shè)計值存在一定偏差。k=1.00時，過渡圓角值均小于設(shè)計值，最小圓角值為4.5mm，較設(shè)計值小5.5mm;當(dāng)k=0.94時，各圓角值均大于設(shè)計值，最大圓角值為17.5mm，較設(shè)計值大7.5mm。

表1 模擬樣件過渡圓角值 mm

經(jīng)過對多組k值下不同預(yù)成形管坯進(jìn)行成形的有限元模擬，結(jié)果表明:當(dāng)k值小于0.94時，橋包部分的過渡圓角太大，外形輪廓不清晰;當(dāng)k值大于1時，橋包部分的過渡圓角太小，模具壓制力大。最終確定k的取值范圍為0.96～0.98。

由模擬結(jié)果可知，隨著k值的減小上模的壓制力減小，當(dāng)k值分別為1.00、0.97及0.94時，壓制力分別為200 900g、168 760g及 139 320g(g=9.8 N/kg)，故k在允許取值范圍內(nèi)選取小值可降低設(shè)備噸位。

4 成形試驗

按圖2所示的成形工藝(相應(yīng)的截面系數(shù)k為0.98)，在YA32－315液壓機(jī)上進(jìn)行管坯的縮徑、脹形及壓制成形試驗，得到了橋殼樣件，如圖7所示。

圖7 試驗試件

針對試驗橋殼樣件，截取與模擬樣件截面位置相同的5個截面，同樣用圓角規(guī)分別測量前后蓋各截面上過渡圓角尺寸，其結(jié)果如表2所示。由測量結(jié)果知:橋包部分過渡圓角尺寸均符合設(shè)計要求，試驗值與模擬值的最大差值為1.5mm。主要原因在于:截面數(shù)據(jù)導(dǎo)出后擬合還原時存在誤差;因試驗內(nèi)部液體壓力控制精度的原因，試驗記錄的加載路徑與真實情況有誤差。

表2 試驗樣件過渡圓角值 mm

5 結(jié)論

(1)本文提出了預(yù)成形管坯的設(shè)計方法:預(yù)成形管坯為軸對稱狀的回轉(zhuǎn)體，長度與橋殼制件相等;預(yù)成形管坯直臂部分周長與制件對應(yīng)部分截面周長相等;橋包部分截面周長與制件對應(yīng)橫截面周長存在一定的比例關(guān)系。

(2)針對小型橋殼的鋼管脹－壓復(fù)合成形工藝，對不同截面系數(shù)對應(yīng)的預(yù)成形管坯進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果表明截面系數(shù)為0.96～0.98，成形性好，橋包部分過渡圓角大小合適，輪廓清晰。

(3)根據(jù)預(yù)成形管坯設(shè)計方法制定的脹－壓復(fù)合成形工藝，在普通液壓機(jī)上成功試制出小型橋殼樣件，證實了提出的預(yù)成形管坯設(shè)計方法可行。

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