重卡驅(qū)動橋殼一次沖壓熱成型仿真研究

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(1.青特集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東　青島　266106； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)汽車工程學(xué)院，山東　威?！?64209； 3.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶　401321)

0　前言

隨著能源危機(jī)日益嚴(yán)重，大氣污染控制要求逐步提高，汽車輕量化設(shè)計以及輕量化技術(shù)開發(fā)越來越受到重視。目前，乘用車輕量化以及節(jié)能技術(shù)工作已取得顯著成效[1-2]。而商用車領(lǐng)域，輕量化工作尚不完善。

高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，對提高整車及零部件的性能具有明顯的提升作用[3-4]。驅(qū)動橋殼是重卡驅(qū)動橋的重要組成部分，支撐并保護(hù)主減速器、差速器等，固定驅(qū)動輪相對位置，并同前橋一起支撐車架及其上總質(zhì)量。但高強(qiáng)度鋼板在制造橋殼時，若采用傳統(tǒng)的成型工藝，存在很多問題，如開裂、回彈等。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼板在室溫條件下，變形抗力較大，難以成形，對模具也會造成很大磨損，會明顯降低模具的壽命。

熱沖壓成型最大的特點(diǎn)是板料在較高溫度下成型[5-6]。對于重卡驅(qū)動橋殼，一則板材較厚，二則橋殼具有零拔模特征，一次成型容易造成脫模困難，故目前驅(qū)動橋殼的沖壓雖是高溫進(jìn)行，但大多采用兩次沖壓成型配合空氣中冷卻的工藝。這種技術(shù)的弊端是空冷方式冷卻速度不可控，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻過程中金屬相變不可控。使得鋼板的高強(qiáng)度性能提升受到限制。而一次成型模內(nèi)冷卻技術(shù)通過控制冷卻速度可達(dá)到控制冷卻過程中金屬相變的目的，得到超高強(qiáng)度零件。

對于驅(qū)動橋殼，沖壓過程模具行程較大，采用熱沖壓成型技術(shù)，適當(dāng)?shù)臎_壓速度以及坯料初始溫度，是決定沖壓過程中避免起皺、裂紋甚至撕裂的關(guān)鍵參數(shù)。本文采用殼單元，進(jìn)行驅(qū)動橋殼一次熱成型數(shù)值分析，確定了上述兩參數(shù)的最優(yōu)值，熱沖壓模內(nèi)冷卻工藝可顯著提高成型后橋殼的強(qiáng)度和剛度，為橋殼板料減薄提供了空間。從而可實(shí)現(xiàn)橋殼輕量化，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1　驅(qū)動橋殼熱沖壓模型

驅(qū)動橋殼是在半橋殼沖壓成型的基礎(chǔ)上對焊而成，沖壓成型后的半橋殼實(shí)體模型如圖1所示。

圖1　驅(qū)動橋殼半殼體模型

據(jù)此半殼體模型，應(yīng)用軟件的提取中面和板料展開功能，生成坯料模型，在半殼體中面基礎(chǔ)上生成凸模和凹模。完整的半殼體熱沖壓模型如圖2所示。

圖2　驅(qū)動橋殼熱沖壓成型模型

2　驅(qū)動橋殼沖壓成型及分析

對熱成型模型進(jìn)行包含材料本構(gòu)模型、工藝參數(shù)等的設(shè)定后[7-8]，應(yīng)用殼單元，對橋殼成型過程進(jìn)行模擬。本文研究了網(wǎng)格尺寸、沖壓速度以及坯料初始溫度對成型質(zhì)量的影響。

2.1　網(wǎng)格尺寸對成型質(zhì)量的影響

有限元模擬中，網(wǎng)格大小對計算結(jié)果具有明顯影響。一般來說，網(wǎng)格尺寸小，計算規(guī)模大，結(jié)果精確；網(wǎng)格尺寸大，計算速度快，但結(jié)果精度可能偏低。本文首先在相同的沖壓速度(650 mm/s)和相同的坯料初始溫度(850 ℃)[9]條件下，對不同網(wǎng)格尺寸的驅(qū)動橋殼模型進(jìn)行沖壓成型計算，其成型質(zhì)量匯總?cè)绫?。

由表1看出，對坯料厚度為14 mm的驅(qū)動橋殼采用殼單元進(jìn)行成型模擬時，網(wǎng)格尺寸為28 mm、42 mm、84 mm、98 mm的橋殼成型質(zhì)量是不合格的。一般認(rèn)為在成型部分增厚超過2%，減薄率超過20%的是不合格的[10-11]，減薄率越小橋殼成型質(zhì)量越好，因此最佳網(wǎng)格單元尺寸為63 mm。

表1不同網(wǎng)格尺寸的驅(qū)動橋殼成形質(zhì)量

網(wǎng)格尺寸/mm成形極限最小厚度/mm最大減薄率/[%]最高終了溫度/℃28出現(xiàn)破裂9.7835.9789.94842破裂趨勢11.14522.8789.85256合格11.63118.5790.09463合格11.78917.2789.69470合格11.74117.6790.09084破裂趨勢11.36421.8790.67598出現(xiàn)破裂10.78527.6791.373

圖3和圖4分別為不同網(wǎng)格尺寸對應(yīng)模型的成型極限圖和減薄率分布圖。

圖3　不同網(wǎng)格尺寸對應(yīng)模型的成型極限圖

由圖3可見，網(wǎng)格尺寸過小或過大，模型沖壓終了，都會不同程度的出現(xiàn)裂紋區(qū)、裂紋風(fēng)險區(qū)或者具有起皺趨勢的區(qū)域。

由圖4看出，網(wǎng)格尺寸過大或過小，沖壓終了，橋殼的最大減薄率都明顯超過標(biāo)準(zhǔn)。且網(wǎng)格尺寸過大時，局部增厚率也超過標(biāo)準(zhǔn)。

對于成型質(zhì)量合乎要求的56 mm、63 mm、70 mm三種尺寸，因?yàn)?6 mm和70 mm均處于合格與不合格的分界處，為免由于沖壓速度、坯料初始溫度變化引起成型質(zhì)量不合格，取中間63 mm為最優(yōu)網(wǎng)格尺寸，進(jìn)行最優(yōu)沖壓速度和初始溫度的計算模型。

2.2　最優(yōu)沖壓速度的確定

在最優(yōu)網(wǎng)格尺寸確定的前提下，考察沖壓速度對成型質(zhì)量的影響。因?yàn)闆_壓速度除了影響成型質(zhì)量外，還關(guān)系到生產(chǎn)節(jié)拍以及壓機(jī)型號的選擇等因素。沖壓速度在400～800 mm/s的范圍內(nèi)選擇。不同沖壓速度下的成型質(zhì)量匯總?cè)绫?所示。

表2不同沖壓速度下橋殼成型質(zhì)量

沖壓速度/mm·s-1成形極限最小厚度/mm最大減薄率/[%]終了溫度/℃400破裂9.31340.9755.867500破裂趨勢10.90825.0772.930550合格11.30221.4779.542600合格11.58918.9784.800650合格11.78917.2789.694700合格11.87216.5793.803750起皺趨勢11.95915.8797.357800起皺趨勢11.99915.4800.553

由表2可見，沖壓速度對成型極限有很大影響，沖壓速度較小時，橋殼會出現(xiàn)破裂的面，當(dāng)沖壓速度過大時，橋殼會出現(xiàn)起皺的面。最大減薄率隨沖壓速度的增長單調(diào)下降，但沖壓終了溫度隨沖壓速度的增長單調(diào)上升。究其原因，當(dāng)橋殼沖壓速度過大時，高溫下，坯料強(qiáng)度低，在未完全合模前，被模具的大慣性帶動而表面起皺；而沖壓速度過小時，橋殼與模具換熱時間較長且不均勻，橋殼局部面溫度低，會出現(xiàn)明顯變薄甚至破裂現(xiàn)象。

圖5為最優(yōu)網(wǎng)格尺寸下，不同沖壓速度下，沖壓終了瞬間橋殼溫度場分布圖。由圖5可看出，即使選擇沖壓速度最低為400 mm/s，橋殼沖壓完成后溫度場最低溫度也有423.869 ℃，大于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度[12]，即在沖壓過程中，橋殼不會因?yàn)闇囟茸兓档晚g性。選擇850 ℃的坯料初始溫度是合格的。

圖5　不同沖壓速度橋殼沖壓終了瞬間溫度場分布

圖6為最優(yōu)網(wǎng)格尺寸下，不同沖壓速度成型終了的成型極限圖。

可見，速度過低或過高，橋殼主體沖壓終了會有裂紋區(qū)和起皺區(qū)。在合格速度區(qū)內(nèi)，潛在的裂紋起皺區(qū)位于半殼邊緣，這在對焊前可通過修邊工藝解決。

圖6　不同沖壓速度下橋殼的成型極限圖

綜合考慮，在該最優(yōu)網(wǎng)格尺寸下，確定最佳沖壓速度為650 mm/s。該速度下，沖壓終了無裂紋或起皺現(xiàn)象，且最大減薄率滿足要求。

2.3　坯料初始溫度的確定

在確定了殼單元的最佳網(wǎng)格尺寸以及最優(yōu)沖壓速度后，考察沖壓初始坯料最佳溫度值。因?yàn)榕髁系某跏紲囟扰c加熱爐內(nèi)的溫度有關(guān)，進(jìn)而與加熱時間、產(chǎn)能有關(guān)。以文獻(xiàn)[9]中的最高溫度850 ℃為參考點(diǎn)，本文在825～925 ℃間，間隔25 ℃進(jìn)行計算，橋殼成型質(zhì)量匯總?cè)绫?所示。

表3不同坯料初始溫度橋殼成型質(zhì)量

初始溫度/℃成型極限最小厚度/mm最大減薄率/[%]終了溫度/℃825破裂趨勢11.58119774.072850合格11.63118.5790.094875合格11.84716.7810.148900合格11.60618.8830.497925起皺趨勢11.76817.4850.404

由表3可以得到，板料初始溫度對于橋殼成形質(zhì)量有很大影響。由于在實(shí)際生產(chǎn)中考慮到材料性能、加熱爐內(nèi)的溫度、從加熱爐到模具之間和周圍環(huán)境的換熱等因素，沖壓開始時的坯料初始溫度難以超過900 ℃，因此大于900 ℃的仿真分析對于實(shí)際生產(chǎn)并沒有多大的指導(dǎo)意義。

板料初始溫度對于橋殼成形極限影響較大，當(dāng)溫度低時板料會出現(xiàn)破裂趨勢，溫度過高會出現(xiàn)起皺，究其原因，溫度低時，橋殼可能未能充分奧氏體化，因此橋殼部分面出現(xiàn)破裂。而溫度過高時，橋殼高溫強(qiáng)度明顯降低，抵抗變形的能力過低，容易出現(xiàn)起皺。綜合減薄率、沖壓終了溫度等因素，認(rèn)為沖壓初始坯料溫度875 ℃最合理。

圖7示出了具有最優(yōu)參數(shù)的模型的成型極限圖?？梢?，整個半殼模型成型效果很好，無裂紋、起皺現(xiàn)象，邊緣部位的微小起皺區(qū)，可通過修邊工藝解決。

圖7　最優(yōu)參數(shù)下的成型極限

3　結(jié)論

橋殼一次熱成型工藝值得推廣，成型質(zhì)量與沖壓速度、坯料初始溫度息息相關(guān)。

重卡驅(qū)動橋殼厚度較大，本文的研究表明，一次沖壓成型技術(shù)可行。一次沖壓模內(nèi)冷卻技術(shù)可大大提高成型后橋殼的強(qiáng)度，從而可以優(yōu)化橋殼厚度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輕量化和節(jié)能目標(biāo)。本文的研究結(jié)果，可為工藝改進(jìn)及新工藝參數(shù)的選取提供有益的參考。

但是，由于重卡驅(qū)動橋殼厚度遠(yuǎn)大于一般熱沖壓零件的厚度，殼單元對此類零件模擬的精度會有較大影響，因此進(jìn)行基于實(shí)體單元的重卡驅(qū)動橋殼熱沖壓計算研究，為工藝改進(jìn)提供更加合理可靠、精度更高的參考，是今后此類研究的方向。