管梁內(nèi)高壓液壓成形技術(shù)研究與實現(xiàn)

文／劉迪祥，黃頂社·安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心

張亞增·河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局

管梁內(nèi)高壓液壓成形技術(shù)研究與實現(xiàn)

文／劉迪祥，黃頂社·安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心

張亞增·河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局

劉迪祥，沖壓工藝主管，工程師，主要從事汽車沖壓件開發(fā)及沖壓工藝研究工作，先后主導(dǎo)多款商用車、乘用車整車沖壓工藝設(shè)計及工裝開發(fā)工作，擁有1項發(fā)明及10多項實用新型專利。

本文以某車型扭力梁橫梁為實例，進(jìn)行內(nèi)高壓液壓成形工藝分析，從工序排布到有限元模擬、調(diào)試、工藝驗證及實現(xiàn)給予簡析，并驗證工藝設(shè)計和分析的可行性，供有關(guān)人員參考。

車身輕量化是汽車廠持續(xù)追求的目標(biāo)，車身變輕對于整車的燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。液壓成形技術(shù)被行業(yè)認(rèn)為是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一，該工藝可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的管狀產(chǎn)品，其成形過程如圖1所示，可實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到減重目的。

圖1 管材液壓成形過程

液壓成形是指依靠高壓液體作為傳力介質(zhì)，代替剛性凹?；蛲鼓?，使坯料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凸?；虬寄３尚蔚囊环N先進(jìn)柔性制造工藝，因其三向應(yīng)力狀態(tài)成形性較好，可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的變截面管狀產(chǎn)品，如前后副車架、防撞梁、儀表臺管梁等產(chǎn)品。液壓成形與冷沖壓成形相比，具有成形工序少、模具成本低、零件精度高、生產(chǎn)周期短的優(yōu)勢。

產(chǎn)品分析及工序排布

圖2所示零件為某車型后扭力梁橫梁，零件長為1153mm，材質(zhì)為S550MC，管端尺寸為97.875mm×77.819mm，壁厚為3.5mm，零件重量為9.037kg。對零件截面周長分析，初步確定原始管坯尺寸為φ100mm×1320mm×3.5mm，毛坯重量為10.99kg。

圖2 扭力梁橫梁零件圖

由于液壓成形凹模部分型面尺寸小于管坯直徑，為避免發(fā)生啃模現(xiàn)象，必須在充液成形工序前增加預(yù)成形工序。同時由于管坯預(yù)成形壓扁過程中出現(xiàn)塌陷情況，為保證充液成形工序的端口密封效果，需要增加端口整形工序。

終成形就是將預(yù)成形后的管材放到管梁充液脹形模具中，通過管內(nèi)的超高壓液體，使管材外壁與模具型腔貼合，從而成形出想要的形狀。在終成形過程中，都會沖制出兩個孔用于后序激光切割的定位。

針對該零件特征，確定總體液壓成形工藝方案為：下料→預(yù)成形（端口整形）→液壓成形（液壓打孔）→激光切割→退火處理→清洗涂油。其中下料交由鋼廠處理，直接按來料加工模式進(jìn)行。

零件工藝分析

建立數(shù)值分析模型，按照零件型面，用三維軟件UG或CATIA建立模具型面工具體，模具有預(yù)成形和終成形兩序，然后將工具體導(dǎo)入CAE軟件，進(jìn)行相應(yīng)動作設(shè)置，工具體型面及CAE分析過程，如圖3所示。

終成形工序?qū)㈩A(yù)成形后管坯放入終成形模具，利用密封推頭對管坯進(jìn)行密封，并充入高壓液體，同時調(diào)節(jié)兩端推頭進(jìn)給量及內(nèi)部壓力，保證小圓角等特征完全貼模。終成形管各處貼模度、各典型截面貼模情況的模擬分析結(jié)果如圖4所示。

由上述分析可知，零件最終成形壓力為200MPa，內(nèi)腔面積為0.132m2，所需最大合模壓力為2640t。零件最終最大減薄率為9.5%，零件在充液成形過程中無破裂危險點(diǎn)，各關(guān)鍵截面貼模度良好。

圖3 扭力梁橫梁CAE成形情況

圖4 扭力梁橫梁終成形CAE貼膜分析

零件工藝調(diào)試

車間生產(chǎn)工藝流程：毛坯運(yùn)入（汽車）→毛坯存放（毛坯存放地）→毛坯上線（叉車）→預(yù)成形（800t）→終成形（5000t）→激光切割→熱處理→表面處理→存放（存放區(qū)）。

因成形過程中壓力大，液壓成形模具對數(shù)控加工精度及模具各部件位置精度要求也很高。本模具就將成形鑲塊等位置精度要求高的部件裝配到模座上后，再與模座一起在高精度數(shù)控機(jī)床上一次加工而成。

模具完成加工及裝配后需要調(diào)試，其第一階段保證模具可動部分，如斜楔、驅(qū)動油缸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等部件運(yùn)行順暢穩(wěn)定無干涉。第二階段提升研合率及完成出件，保證制件能生產(chǎn)出來，第三階段是提升沖壓件精度，消除啃料及其他零件表面問題。

經(jīng)過兩個月的工裝調(diào)試，順利出件并驗收合格后，進(jìn)入沖壓廠生產(chǎn)場地。圖5所示為預(yù)成形及終成形模具調(diào)試過程。

零件工藝驗證

橫梁調(diào)試穩(wěn)定出件后進(jìn)行了工藝驗證，主要內(nèi)容有CAE減薄驗證、成形力驗證和材料利用率驗證，驗證結(jié)果如圖6所示。

橫梁CAE分析最大減薄率為9.5%，在合模時V形管與方形管過渡且靠近V形管底部處；最大增厚率為31%，在推頭撐管時V形管與方形管過渡且靠近方形管上部處。

圖5 預(yù)成形（左）及終成形（右）模具調(diào)試過程

圖6 橫梁CAE減薄理論分析（上）及實測（下）

實測橫梁實物檢測點(diǎn)最大減薄率為7.7%，便于測量的最大增厚率為10.8%。減薄與增厚趨勢與CAE分析基本吻合。未檢測到CAE最大及最小減薄點(diǎn)是受檢測設(shè)備限制，無相關(guān)檢測空間及平面，實物料厚測量如表1所示。

表1 橫梁料厚理論值與實測值對比（單位：mm）

橫梁CAE分析預(yù)成形合模力為350t，終成形合模力為2640t，經(jīng)實物驗證，預(yù)成形主缸成形壓力為10MPa（約320t），終成形CAE分析合模力為2376t（內(nèi)壓180MPa），零件合格，此時貼模狀態(tài)良好，可以滿足下道工序要求。

CAE分析橫梁坯料尺寸長度為1320mm，直徑為100mm，經(jīng)實物驗證，尺寸與CAE狀態(tài)一致，零件重為9.04kg，坯料重為10.99kg，材料利用率為82.23%。

目前，該零件已經(jīng)實現(xiàn)自動、高速、安全的批量量產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)通過整車可靠性驗證和臺架試驗，零件實物如圖7所示。

圖7 橫梁零件實物圖

結(jié)束語

內(nèi)高壓液壓成形技術(shù)可將多件沖焊合拼件簡化為管形件，提高產(chǎn)品精度、強(qiáng)度、剛度、美觀度及生產(chǎn)效率，降低零件成本和零件重量，是汽車行業(yè)未來輕量化發(fā)展方向。