扭力梁內(nèi)高壓成形的起皺行為

韓 聰，張偉瑋，謝文才，苑世劍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院150001 哈爾濱;2.一汽轎車股份有限公司，130012 長春)

(1.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China;2.FAW Car Co.，Ltd.，130012 Changchun，China)

扭力梁式后懸架在半獨立和非獨立后懸架中具備更優(yōu)秀的性能，雪鐵龍、大眾晶銳以及吉利的不少轎車的后懸架都采用這種結(jié)構(gòu)，它不僅成本低，而且能通過前束控制，使整車具備了良好的平順性能和操縱性能［1］.扭力梁作為扭力梁式后懸架中的最重要的部分，它的綜合機械性能直接決定著后懸架的穩(wěn)定性.扭力梁的端部區(qū)域是與后懸架連接的重要區(qū)域，該區(qū)域成形效果對后續(xù)的焊接過程有很大的影響，如果成形精度不足，比如起皺、過渡減薄或者脹形率不足，都會影響到扭力梁與懸架部分的接合，從而增加焊接難度，增大焊接熱影響區(qū)，降低整體機械性能，抗疲勞性能大大降低.

在扭力梁的制造發(fā)展過程中，德國、日本、韓國都曾用機械擠壓管材的方法直接成形扭力梁試件，該方法在降低扭力梁質(zhì)量增加截面抗彎模量的同時，并沒有解決成形精度低的問題，只是適用于形狀簡單的扭力梁零件［2－3］.但是隨著內(nèi)高壓成形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于異形截面的汽車零部件的制造過程［4－5］(如圖1 所示)，德國、日本以及臺灣學(xué)者相繼采用內(nèi)高壓成形方法成形扭力梁試件，使成形精度大大提高，此外為了克服壁厚局部減薄嚴(yán)重的問題，增加了軸向加載工序［6－7］.但是隨著軸向加載的引入，不可避免的會出現(xiàn)起皺現(xiàn)象［8－9］.

圖1 內(nèi)高壓成形異形截面零件

對于沿軸線變截面的扭力梁零件，內(nèi)高壓成形通常是在內(nèi)壓和軸向進(jìn)給聯(lián)合作用下的復(fù)雜成形，如果內(nèi)壓過高，減薄過大甚至開裂;如果軸向進(jìn)給過大，會引起屈曲或起皺，只有給出內(nèi)壓力與軸向進(jìn)給的合理匹配關(guān)系，才能獲得合格的試件［10］.但在實際工藝控制過程中，由于摩擦等因素的影響，很難準(zhǔn)確控制軸向力，因此在生產(chǎn)中通常采用的是內(nèi)壓和軸向補料量之間的關(guān)系，即所謂的加載路徑［11］.在任何一個內(nèi)高壓成形過程中，加載路徑都有很多種，內(nèi)壓力既可以時刻隨補料量變化而變化，也可以在某一段時間內(nèi)隨補料量變化而保持恒定，但是只有合理的加載路徑，才能成形出合格試件.對于扭力梁零件，合理的加載路徑可以有效的控制其端部區(qū)域起皺.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在對扭力梁預(yù)制坯形狀和內(nèi)高壓成形過程的加載路徑等方面做了深入系統(tǒng)的研究，初步獲得了合理的預(yù)制坯形狀以及合理的加載路徑，從而改善扭力梁的壁厚分布和提高扭力梁的成形精度，并有效的避免端部起皺現(xiàn)象，但是對不同軸向加載過程扭力梁起皺的機理還缺乏詳細(xì)的分析［12－13］.本文主要從數(shù)值模擬和實驗兩個方面探索不同加載路徑下端部區(qū)域的應(yīng)力分布軌跡圖以及受力狀態(tài)，利用數(shù)值模擬直觀分析變形過程起皺的產(chǎn)生機理，并通過實驗過程得以驗證.

1 試件與材料

圖2 所示為內(nèi)高壓成形后扭力梁零件形狀，從圖2 中可以看出，扭力梁沿軸線方向，截面形狀變化比較復(fù)雜.圖3 所示為端部區(qū)域切割后待裝配的扭力梁零件，圖3 中圈出的區(qū)域就是容易起皺的區(qū)域，也是與后懸架裝配區(qū)域，該截面形狀呈橢圓形，內(nèi)高壓過程不恰當(dāng)?shù)妮S向加載即可引起起皺行為，不利于裝配.所以研究起皺形成機制，設(shè)計合理的加載路徑尤為重要.主要成形工序包括預(yù)成形、合模和內(nèi)高壓成形3 個主要步驟.

管坯的材料為低碳鋼，初始直徑為89 mm，壁厚為2.5 mm，材料屈服強度σs=272 MPa，抗拉強度σb=428 MPa，均勻延伸率為δ=28%，材料加工硬化指數(shù)n=0.156，厚向各向異性系數(shù)r=0.927，強度系數(shù)K=661 MPa.

圖2 扭力梁三維模型

圖3 端部切割后待裝配的扭力梁三維模型

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗方案

為了研究支撐壓力和補料量對起皺的影響規(guī)律，分別設(shè)計如下方案，即內(nèi)壓力與補料量的匹配關(guān)系，如圖4 所示.研究過程采用單一變量原則，保證其中的一個參數(shù)不變，改變另一個參數(shù)，分析其變化規(guī)律.支撐壓力分別設(shè)計為10、20、30、40、50 MPa，此時補料量固定為15 mm 不變，如圖4(a)所示;補料量分別設(shè)計為10、15、20 mm，此時支撐壓力固定為30 MPa 不變，如圖4(b)所示.最終整形壓力均為100 MPa.

圖4 實驗方案

2.2 支撐壓力對起皺的影響

不同支撐壓力下，端部區(qū)域的起皺情況如圖5所示，試件的皺紋位于凸起的區(qū)域的根部，該處金屬流動困難，發(fā)生堆積而起皺.當(dāng)支撐壓力為10 MPa 時補料，端部區(qū)域存在很深的皺紋，當(dāng)整形壓力到達(dá)100 MPa 時仍舊不能展平，該皺紋為死皺;當(dāng)支撐壓力為20 MPa 時補料，仍舊在端部區(qū)域存在皺紋，隨內(nèi)壓的提高，皺紋深度和寬度減小，但是仍舊沒有消失;當(dāng)支撐壓力為30 MPa 時補料，隨著內(nèi)壓的提高100 MPa，不再存在皺紋，獲得合格試件;當(dāng)支撐壓力為40、50 MPa 時補料，同樣不存在皺紋，獲得合格試件.可見，支撐壓力的提高，有助于皺紋的消失，但是支撐壓力從30 MPa升高到50 MPa，端部區(qū)域的增厚率分別為6.0%、4.4%、3.2%，呈遞減趨勢，因為受摩擦的影響，支撐壓力越大，金屬流動越困難，補料越集中于端口位置.從實驗結(jié)果看，綜合考慮各方面因素，支撐壓力并不是越大越好，支撐壓力為30 MPa就是一個合理工藝參數(shù).

圖5 不同支撐壓力下的試件

2.3 補料量對起皺的影響

圖6 所示為實驗得到的不同補料量下端部區(qū)域的起皺情況，此時支撐壓力均為30 MPa.當(dāng)補料量為10 mm 時，端部區(qū)域不存在皺紋;當(dāng)補料量為15 mm 時，端部區(qū)域仍舊不存在皺紋;當(dāng)補料量為20 mm 時，端部區(qū)域存在皺紋，隨著內(nèi)壓提高到100 MPa，皺紋不能消失，為死皺.補料量從10～15 mm，試件最大減薄率(最大減薄位置位于凸起的區(qū)域)分別為15.2%和8.8%，減薄得到改善，由此可見補料對改善壁厚是有顯著效果的，但是補料過大也會引起端部區(qū)域的起皺，合理控制補料量是很必要的.

圖6 不同補料量下的試件

3 應(yīng)力狀態(tài)與起皺形成機制

3.1 有限元分析模型

扭力梁內(nèi)高壓成形過程，由于模具的閉合，皺紋的形成過程不可見，為深入分析起皺形成原因，采用數(shù)值模擬的方法，深入研究軸向應(yīng)力對起皺形成機制的影響規(guī)律.數(shù)值模擬過程采用通用有限元分析軟件DYNAFORM5.6，有限元分析模型如圖7 所示.數(shù)值模擬方案與實驗完全相同.

圖7 有限元模型

3.2 起皺形成機制

成形過程，內(nèi)壓力相對于環(huán)向拉應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力數(shù)值很小，應(yīng)力狀態(tài)接近于平面應(yīng)力狀態(tài).首先將補料量固定為15 mm，將支撐壓力分別為10、20、30、40、50 MPa 時，分析其過程，取端部區(qū)域同一節(jié)點，分析不同支撐壓力時，該節(jié)點同一時刻的應(yīng)力值.圖8 所示為不同支撐壓力下起皺處的應(yīng)力狀態(tài)，圖9 所示為不同支撐壓力下的變形過程的應(yīng)力軌跡.從圖8和圖9 可以看出，該節(jié)點均環(huán)向受拉應(yīng)力作用，軸向受壓應(yīng)力作用，但應(yīng)力的數(shù)值有所差別.當(dāng)支撐內(nèi)壓分別為10、20、30、40、50 MPa 時，軸向壓應(yīng)力為－556、－531、－469、－474、－470 MPa;隨著支撐壓力的升高，軸向壓應(yīng)力的絕對值降低，環(huán)向拉應(yīng)力的絕對值增大.但是當(dāng)支撐壓力超過30 MPa時，環(huán)向拉應(yīng)力變化明顯，軸向壓應(yīng)力變化不大，從圖9 中也可以看出，端部區(qū)域變形開始都是先脹形減薄，最終結(jié)果是壁厚均增厚，對于支撐壓力為30、40、50 MPa 時，隨著支撐壓力的增大，摩擦也增大，補料易受摩擦影響，容易在端口堆積，向端部區(qū)域補料逐漸減少.因此，提高支撐壓力能降低軸向壓應(yīng)力絕對值，減小失穩(wěn)起皺趨勢，但是支撐壓力也不能過高，30 MPa 比較合適.

圖8 不同支撐壓力下起皺區(qū)域受力狀態(tài)

圖9 不同支撐壓力下起皺區(qū)應(yīng)力軌跡分布

固定支撐壓力為30 MPa，將補料量分別為10、15、20 mm 時端部區(qū)域同一節(jié)點在同一時刻的應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行對比.圖10 所示為不同補料量下起皺區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，圖11 所示為不同補料量下的變形過程的應(yīng)力軌跡.該區(qū)同樣處于環(huán)向受拉、軸向受壓的狀態(tài).當(dāng)補料量分別為10、15、20 mm時，軸向壓應(yīng)力為－431、－469、－550 MPa;隨著補料量的增大，軸向壓應(yīng)力的絕對值升高，環(huán)向拉應(yīng)力的絕對值增大，起皺趨勢增加.當(dāng)補料量為20 mm，出現(xiàn)皺紋.

圖10 不同補料量下起皺區(qū)域受力狀態(tài)

圖11 不同補料量下起皺區(qū)應(yīng)力軌跡分布

4 結(jié)論

1)支撐壓力對扭力梁內(nèi)高壓成形時皺紋的形成有著顯著影響，隨著支撐壓力的提高，軸向壓應(yīng)力的絕對值在降低，起皺的趨勢也在降低，直至完全消除.

2)補料量對扭力梁內(nèi)高壓成形時皺紋的形成也有著顯著影響，隨著補料量的增大，軸向壓應(yīng)力的絕對值在升高，起皺的趨勢在升高，直至形成死皺.

3)對于文中研究的低碳鋼扭力梁零件，為了使內(nèi)高壓成形過程有效的避免起皺，合理支撐壓力為30 MPa，合理補料量為15 mm.

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