汽車前副車架內(nèi)高壓成形工藝研究

劉曉晶 楊然 馮章超 王哲

摘 要：針對空間軸線薄壁零件存在的起皺、過度減薄和破裂等質(zhì)量缺陷，以某汽車的前副車架為研究對象，采用數(shù)值模擬和成形試驗相結(jié)合的方法，對副車架的內(nèi)高壓成形過程進行了研究。研究了彎曲過程中彎曲參數(shù)對彎曲成形減薄的影響，分析了軸向進給量、成形壓力和加載路徑對內(nèi)高壓成形質(zhì)量的影響。基于有限元模擬得出的最佳參數(shù)，進行了彎曲、預(yù)成形和內(nèi)高壓成形實驗，測量了彎曲圓角外側(cè)和截面變化最大處的壁厚分布，并與模擬結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明，彎曲成形時彎曲外側(cè)容易出現(xiàn)過度減薄和破裂，可以通過優(yōu)化彎曲參數(shù)改善。模擬結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合，兩者在典型截面處的壁厚分布整體變化趨勢一致且兩者壁厚最大差值為6%，表明該優(yōu)化方案是可行的，可有效指導副車架的生產(chǎn)實踐。

關(guān)鍵詞：前副車架；彎曲預(yù)成形；內(nèi)高壓成形；數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.023

中圖分類號： TG394

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）02-0129-05

Abstract：Winkles，ruptures and excessive thinning are the forming defects for curved hollow components.Taking a car front sub-frame as the research object， the hydroforming of sub-frame was studied by combing numerical simulation and forming experiment. The effect of bending parameters on the thinning during the bending process was studied. The influences of main process parameters on the forming quality were considered， such as the internal hydraulic pressure， the axial feeding and the loading path.Experiments of bending，preforming and hydroforming were carried out based on the optimum parameter of the simulation. The thickness distribution of typical section was measured and compared with the simulation result. It shows that the lateral of corner easily appears fracture and excessive thinning， and these forming defects could be avoided through optimizing the bending process parameters. The numerical simulation results have good conformity to experimental ones in the wall thickness distributions， their overall tendency of thickness distributions tend to be consistent in typical section， and the maximum difference of thickness between simulation and experiment results is 6%，which indicates that the proposed optimization method is feasible and can provide an effective guidance for the hydroforming of subframe.

Keywords：front sub-frame； bend preforming； hydroforming； numerical simulation

0 引 言

隨著生活質(zhì)量的提升以及汽車的普及，能源危機、環(huán)境污染等問題日益凸顯，全球各個國家對于汽車的排放量都做出了嚴格的規(guī)定，汽車輕量化也就成為了汽車研究關(guān)注的焦點[1-2]。目前，實現(xiàn)汽車的輕量化主要有兩方面[3-5]：一方面是增加新型材料在汽車上的使用比例[6-7]；另一方面是改進汽車結(jié)構(gòu)件的加工工藝，使用一次成形出來的管件代替拼焊的構(gòu)架，從而減少裝配量。由于增加新材料的使用量會增加汽車的成本，目前汽車廠商主要側(cè)重于改進加工工藝[8-9]。在滿足零件基本性能和設(shè)計要求的前提下，采用內(nèi)高壓成形方法成形的零件，如保險杠、橫梁、副車架等空心軸類工件，可以減少50 %以上的重量，歐美等發(fā)達國家分別從成形方法、成形工藝優(yōu)化、設(shè)備開發(fā)、數(shù)值模擬和工業(yè)應(yīng)用等方面對其進行了研究。Corcslnad及其科研團隊對管件內(nèi)高壓成形過程中出現(xiàn)破裂這種缺陷進行了分析，經(jīng)過分析破裂發(fā)生時的臨界壓力，得出了一套完整的理論[10-11]。Hama T等[12]以某汽車部件為例，對如何減少管件彎曲外側(cè)破裂缺陷進行了研究。Abedrabbo等[13]利用數(shù)值模擬對高強度鋼和雙相鋼內(nèi)高壓成形件的成形質(zhì)量進行了預(yù)測。Pancake M等[14]對內(nèi)高壓成形過程中摩擦系數(shù)對成形質(zhì)量的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)增大與成形件壁厚增大呈非線性增加。國內(nèi)的高校和企業(yè)對管形件內(nèi)高壓成形的機理、工藝和設(shè)備也進行了一系列的研究并取得了一定的成果。湯澤軍推導出了管件內(nèi)高壓成形起皺的臨界應(yīng)力解析式，找到了影響管件成形時出現(xiàn)起皺問題的主要參數(shù)[15-16]。苑世劍對變徑管內(nèi)高壓成形時管件的送料區(qū)壁厚分布的規(guī)律進行了研究[17-19]。騰宏春對軸向進給和內(nèi)壓力的匹配關(guān)系進行了研究，得出軸向推力是影響管件成形極限的主要影響因素[20]。

本文利用有限元分析軟件Autoform模擬了某汽車前副車架的彎曲與內(nèi)高壓成形過程，通過優(yōu)化工藝參數(shù)控制成形零件的壁厚均勻性，并依據(jù)模擬結(jié)果對前副車架件進行了成形試驗。

1 副車架的零件形狀及成形工藝分析

圖1為某型號汽車的前副車架模型和典型面的截面圖，它的尺寸為1026mm×450mm×46mm，材料為JSH440W，壁厚為2mm，材料的具體性能參數(shù)如表1所示，其中：σs為屈服強度；σb為抗拉強度；δ為斷后伸長率；n為硬化指數(shù)；ν為泊松比。

該副車架的軸線為三維空間曲線，截面沿軸線變化復雜，其典型截面主要有矩形、梯形、多邊形等不同形式。該零件主要成形難點有：①零件的軸線長且為空間曲線；②彎角角度較多，彎曲半徑?。虎垩剌S線具有多個不同的多變形截面，截面之間的過渡又較為復雜；④零件壁較薄成形過程中容易破裂。

為了更好的了解產(chǎn)品在成形過程中的變形情況，同時擬定管材的初始尺寸，本次實驗利用CATIA軟件分別測量該零件在垂直于軸線方向上不同部位截面的周長，得出其最小的截面周長為203.1mm，最小直徑為63.9mm，根據(jù)加工要求設(shè)定初始管徑為63mm，綜合最終成形件的尺寸以及管坯的性能，初步將管坯長度設(shè)定為1900mm。

2 副車架成形過程的數(shù)值模擬

2.1 彎曲工藝的數(shù)值模擬

將數(shù)字模型導入到Autoform后，彎管模塊會根據(jù)零件形狀以及管材的長度等設(shè)計出相應(yīng)的彎曲步驟，同時自動添加彎管模、夾緊塊、導板等組件，并給出一個比較合理的彎曲次數(shù)、彎管半徑以及彎管曲線，具體參數(shù)如表2所示。

根據(jù)上述設(shè)置的相關(guān)加工參數(shù)進行模擬，得到彎曲后的壁厚分布圖，如圖2所示，從分布圖中發(fā)現(xiàn)減薄主要發(fā)生在彎角的外側(cè)，最小壁厚為1.68mm，增厚主要集中在彎角的內(nèi)側(cè)，最大壁厚為2.30mm，并沒有出現(xiàn)破裂以及起皺等現(xiàn)象。

2.2 內(nèi)高壓成形數(shù)值模擬及優(yōu)化

在內(nèi)高壓成形過程中影響成形質(zhì)量的因素主要有軸向進給量、成形壓力和整形壓力、壓力加載路徑等。本次實驗對這3個主要因素進行了數(shù)值模擬研究。

2.2.1 軸向進給量對成形質(zhì)量影響

進給量的大小對于副車架的成形起到至關(guān)重要的作用，進給量過小，在脹形過程中，變薄部位得不到足夠的材料進行補充，管件容易發(fā)生破裂；當進給量過大，由于材料流動性有限，多余的材料會堆積在管件末端，嚴重時會出現(xiàn)死皺。

在其余參數(shù)不變情況下，不同進給量的情況下，成形的差別主要體現(xiàn)在管件的末端，根據(jù)材料性能以及相關(guān)設(shè)計要求，設(shè)計了4種不同的進給量，分別為20mm、30mm、40mm、50mm，壁厚減薄率情況如圖3所示。當進給量為20mm時，壁厚最大減薄率為11.3%，最大增厚率為5.3%；當進給量為30mm的時候，管件變形比較充分壁厚變化較均勻，最大減薄率為10.7%，最大增厚率為5.4%；當進給量為40、50mm時，增厚區(qū)域面積增加明顯，零件末端出現(xiàn)了明顯的堆積。

綜合軟件模擬結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)實加工的條件以及經(jīng)驗，進給量選擇30mm既能保證加工質(zhì)量又可以降低加工成本。

2.2.2 不同成形壓力及整形壓力對成形效果的影響

零件最終成形是依靠管內(nèi)液體的壓力完成的，成形壓力對于最終零件的成形效果有很大的影響，達到成形壓力后需要繼續(xù)提高管內(nèi)的壓力，使得管件完全貼膜。成形壓力Pc的大小取決于材料的性能和圓角半徑，其具體值可以通過式1推導出。

式中：K為強度系數(shù)，MPa；t′為圓角處瞬時壁厚，mm；rc為最小圓角半徑，mm；d0為管坯外徑，mm；n為材料的硬化指數(shù)；我們可以估算出成形壓力為Pc為137.5MPa，但實際加工中所使用的成形壓力要大于理論值，對表3的成形壓力和整形壓力進行模擬，得到不同組合下的零件的壁厚減薄分布圖，如圖4所示。

在進給量相同的情況下，從減薄分布圖中可以看出，當選擇A組合時，由于壓力不足且補給的材料不能充分的流動所致在管件的末端材料出現(xiàn)了堆積；當選擇B組合時，材料堆積現(xiàn)象有所降低，成形質(zhì)量有所提高，當選擇C組合時，材料末端的材料堆積明顯改善，當選擇D組合時，管件末端的材料堆積現(xiàn)象消失，成形質(zhì)量良好。因此，最終選擇成形壓力為300MPa，整形壓力為350MPa。

2.2.3 不同加載路徑對成形質(zhì)量的影響

內(nèi)高壓成形的內(nèi)壓力與軸向進給的匹配關(guān)系對成形質(zhì)量起著決定性的作用，若內(nèi)壓力升高速率太快，而軸向進給不能完全滿足管件成形的需求，零件很容易出現(xiàn)過度減薄甚至發(fā)生破裂；若內(nèi)壓力增長緩慢，而軸向進給太多，則管坯在模具型腔內(nèi)部容易出現(xiàn)堆積進而形成死皺。本次實驗分別對兩個不同初始壓力的階梯形加載進行了模擬分析，這兩個加載路徑的成形壓力、整形壓力和進給總量是相同的分別為300MPa、350MPa和30mm，具體加載路徑如圖5所示，其中圖5（a）起始壓力為20MPa，圖5（b）的起始壓力為50MPa。

不同加載路徑下的模擬結(jié)果如圖6所示，當初始壓力為20MPa時，初始壓力過低且進給量增大過快導致材料的流動性不足在零件末端堆積；當初始壓力為50MPa時，材料的流動性增加，在末端堆積的現(xiàn)象明減輕，成形質(zhì)量明顯改善。因此最終選擇初始壓力為50MPa。

3 成形試驗及結(jié)果分析

為了驗證模擬結(jié)果的正確性，分別進行了管坯的彎曲、預(yù)成形和內(nèi)高壓成形試驗。參照彎曲成形和內(nèi)高壓成形模擬的參數(shù)加工出副車架，如圖7所示。為了直觀地比較模擬結(jié)果與實際成形質(zhì)量的符合程度，在副車架的彎角區(qū)域和截面變形區(qū)選擇了3個典型截面，分別為A-A截面、B-B截面和C-C截面，在每個截面順時針取20個測量點，測量每個點的壁厚，將測量值與相應(yīng)位置的模擬值相比較，得到圖8所示的典型截面上測點壁厚的分布曲線。從圖8可以清楚的看出，按優(yōu)化后的參數(shù)模擬副車架的內(nèi)高壓成形過程，獲得典型截面的壁厚分布與試驗結(jié)果不但整體趨勢變化一致，而且壁厚在數(shù)值上也基本接近，兩者壁厚最大誤差在6%以內(nèi)， 模擬結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合。

4 結(jié) 論

1）建立了某汽車前副車架內(nèi)高壓成形的有限元模型，應(yīng)用有限元模擬軟件Autoform對副車架的整個成形過程進行了模擬，并利用數(shù)控彎管機和內(nèi)高壓成形機對模擬結(jié)果進行了驗證性試驗，發(fā)現(xiàn)有限元模擬結(jié)果與實際成形結(jié)果基本吻合。

2）針對彎管工序，通過模擬發(fā)現(xiàn)在彎曲角的外側(cè)容易發(fā)生減薄，在彎角的內(nèi)側(cè)容易發(fā)生增厚。在滿足一彎一模的實際生產(chǎn)要求下，選擇4步彎曲成形，得到的彎曲管件的最小壁厚為1.68mm，最大壁厚為2.30mm。

3）在內(nèi)高壓成形過程的模擬中發(fā)現(xiàn)，當進給量為30mm時，管件變形比較充分壁厚變化較均勻，最大減薄率為10.7%，最大增厚率為5.4%；當300MPa的成形壓力和350MPa的整形壓力按照第二種加載路徑進行加載時，管坯的變形充分、壁厚分布均勻，且末端的起皺明顯減少。

參 考 文 獻：

[1]郭玉琴， 朱新峰， 楊艷，等. 汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀[J]. 鍛壓技術(shù)， 2015， 40（3）： 13-15.

[2]范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學報，2014，5（1）：1-16.

[3]朱宏敏.汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2009（2）：10-12.

[4]唐靖林，曾大本.面向汽車輕量化材料加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].金屬加工，2009（11）：11-16.

[5]向曉峰，魏麗霞，馬鳴圖.汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用[J].汽車工程師，2012（5）：57-59.

[6]MERKLEIN M， GEIGER M. New Materials and Production Technologies for Innovative Lightweight Constructions[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2002（25）： 532-536.

[7]GUO R C， WU N， ZHANG G R. New Materials for Auto-body Lightweight Applications[J]. Advanced Materials Research， 2012（341）： 226-230.

[8]陳建軍. 內(nèi)高壓成形工藝及其在汽車輕量化中的應(yīng)用[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)， 2010，9 （1）： 12-17.

[9]張偉瑋，韓聰，苑世劍，等.加載路徑對扭力梁內(nèi)高壓成形壁厚分布和精度的影響[J].材料科學與工藝，2012，20（4）：1-6.

[10]MUAMMERKOE， TAYLANALTAN. An overall Review of the Tube Hydroforming （THF）Technology[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2001，126 （108）： 384-393.

[11]ZRIbI T， KHALFALLAH A， SALAH H B. A Comparative Study of the Identification Methods for Tube Hydroforming Process[J]. Key Engineering Materials， 2015，67（63）： 169-174.

[12]HAMA T， ASAKAWA M， MAKINOUCHI A. Investigation of Factors Which Cause Breakage During The Hydroforming of An Automotive Part [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2004（150）： 10-17.

[13]ABEDRABBO N， WORSWICK M， MAYER R， et al. Optimization Methods for The Tube Hydroforming Process Applied to Advanced High-strength Steels with Experimental Verification[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2009（209）： 110-123.

[14]PLANCAK M， VOLLERTSEN F， WOITSCHIG J. Analysis， Finite Element Simulation and Experimental Investigation of Friction in Tube Hydroforming [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2005（170）： 220-228.

[15]湯澤軍，何祝斌，苑世劍.內(nèi)高壓成形過程塑性失穩(wěn)起皺分析[J].機械工程學報， 2008， 44（5）： 34-38.

[16]TANG Zejun，LIU Gang，HE Zhubin， et al. Wrinkling Behavior of Magnesium Alloy Tube in Warm Hydroforming[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2010，20（7）：1288-1293.

[17]苑世劍，苑文婧，王小松.變徑管內(nèi)高壓成形送料區(qū)壁厚分布規(guī)律[J].塑性工程學報， 2008， 15（4）： 37-40.

[18]蔡洋，劉強，王小松，等.內(nèi)高壓成形制備 6063 鋁合金異形管件的壁厚分布及尺寸精度[J].中國有色金屬學報，2015，25（9）：2372-2380.

[19]苑世劍，韓聰，王小松.空心變截面構(gòu)件內(nèi)高壓成形工藝與裝備[J].機械工程學報，2012，48（48）：21-27.

[20]滕宏春.圓管受軸壓和充液內(nèi)高壓成形極限的理論解析[J].鍛壓技術(shù)， 2008， 33（2）： 103-106.

（編輯：溫澤宇）