三維異形截面管件充液成形工藝及優(yōu)化分析

張小勇，程鵬志，王耀，阮尚文，成剛，王增華

（1.同濟大學 汽車學院，上海 200000；2.清華大學 蘇州汽車研究院（相城），江蘇 蘇州 215134；3.航宇智造（北京）工程技術有限公司，北京 100191；4.天津天汽模航宇高壓成形技術有限公司天津 300000；5.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300401）

隨著國內(nèi)汽車保有量的持續(xù)增加，環(huán)境污染、資源緊缺程度越來越嚴重，可持續(xù)發(fā)展成為汽車工業(yè)領域亟待解決的問題和普遍關注的焦點。汽車輕量化技術成為解決這一難題的有效途徑，一方面以高強輕質(zhì)材料取代傳統(tǒng)汽車用鋼，實現(xiàn)減重；另一方面采用近年來剛發(fā)展起來的柔性充液成形技術整體成形汽車空心管件，代替原有管件的分瓣成形、組合焊接工藝，達到減重目的[1—3]。

管材充液成形也稱為內(nèi)高壓成形，是采用高壓流體介質(zhì)整體成形中空構件的一種先進輕量化成形技術[4]，在減重的同時可有效提高零件的剛度和強度，尤其適合于制造復雜多異形連續(xù)三維截面管材零件，如汽車縱梁、扭力梁等，而該類零件在汽車底盤中往往是對稱件，且軸線為空間三維曲線，制造難度非常大。原有的成形工藝為分段、分瓣逐步成形，制造周期長、工藝復雜、效率低、質(zhì)量差[5—8]。采用充液成形技術后，可實現(xiàn)復雜截面的整體成形，同時可一模兩件生產(chǎn)，大大提高效率。目前，國內(nèi)對管材充液成形技術的研究主要集中在哈工大、北航、中科院、南航等，這些高校和科研機構均對其基礎理論進行了深入研究，提出了一些創(chuàng)新的理論方法和衍生工藝[9]，一些汽車制造廠商也逐步開始應用該技術取代傳統(tǒng)工藝。

管材充液成形過程中，液壓力加載路徑與推頭位移路徑匹配關系對零件成形性能的提高有重要影響[10—13]，尤其對于復雜三維異形變化截面管件，匹配關系的不當很容易造成零件起皺或破裂缺陷[14]，給成形制造帶來較大困難，而精準的充液成形加載路徑數(shù)值優(yōu)化[15]，不僅可以獲得最優(yōu)工藝參數(shù)，而且可以有效指導實際生產(chǎn)，具有重要意義。

基于此，文中以縱梁為研究對象，對其多工序中的充液成形過程進行數(shù)值分析，優(yōu)化其工藝參數(shù)。在此基礎上進行工藝試驗，并將試驗結果與數(shù)值模擬結果進行比較。

1 零件結構特征及工藝方案

1.1 零件形狀及特點

縱梁在后副車架總成中為左右對稱，其形狀及截面特征見圖1，產(chǎn)品最小的截面周長為274.59 mm，最大的截面周長為 287.45 mm，截面周長變化率為7%，管件厚度為1.8 mm，為空間彎曲變截面薄壁管件，成形材料為高強鋼Cr340。零件截面變化波動性較大且不均勻，成形過程中易出現(xiàn)聚料過多導致的自我起皺現(xiàn)象，中部有急拐彎造型，內(nèi)高壓作用下易發(fā)生破裂現(xiàn)象，右邊部分存在內(nèi)凹過渡圓角，此處同樣易出現(xiàn)起皺缺陷，因此，成形過程中，管徑選擇、數(shù)控彎管控制、成形型面優(yōu)化、液壓加載路徑優(yōu)化等材料及工藝參數(shù)的選擇對零件成形性能具有重要的影響。

圖1 零件形狀及尺寸Fig.1 Shape and size of parts

1.2 方案設計

縱梁為左右對稱件，液壓成形過程一般采用左右拼接整體成形的方式，成形后進行激光切割?？v梁左右拼接的方式不同，對成形工藝要求及成形難度也不同，并且會直接影響到側推缸的布置方式。若采用不合適的拼接方式，則會使成形側推液壓缸由水平布置變?yōu)樾毕蛳聰[放，使模具內(nèi)部力系分布更加復雜，同時也增加了機器人上料、抓取及模具自動頂料的難度。此外，截面周長大的端頭盡量布置兩邊，材料可以通過水平推頭進行有效補充，防止脹形開裂。縱梁上一般采取液壓打孔的方式一體化成形，若將打孔缸布置在兩端，則會使預成形工序需要增加一對液壓缸，終成形需增加一個打孔缸，增加了油路布局、電氣控制及日后維修保養(yǎng)難度，并且數(shù)控彎管時彎曲段要盡量少，彎曲半徑種類盡量少，降低彎管模具的開發(fā)及質(zhì)量控制成本。

基于上述分析并結合零件特征和液壓柔性成形工藝特點，對零件型面進行補充拼接，采用一模兩件方式研制，如圖2 所示。工藝方案為：切管下料—數(shù)控彎管—預成形—液壓成形—切割分離，最終獲得合格零件。

圖2 零件布局Fig.2 Parts layout

2 充液成形數(shù)值模擬及優(yōu)化

對于該縱梁的研制，充液成形過程是關鍵，零件復雜的幾何形狀及非線性無規(guī)則變化的截面周長，對液壓加載路徑有著很強的敏感性，因此液壓加載路徑對零件成形性能及質(zhì)量有著至關重要的影響。管材彎曲及預成形過程相對好控制，只要按優(yōu)化的數(shù)模及工藝成形即可，文中不再贅述。

2.1 有限元模型

數(shù)值模擬采用管/板材成形商業(yè)有限元軟件Autoform，充液成形過程有限元模型如圖3 所示。坯料采用Belytschko-Tsay 殼單元進行網(wǎng)格離散，上模、下模、左右推頭均采用剛性殼單元進行網(wǎng)格劃分。管材原始坯料的網(wǎng)格為2.0 mm，坯料與模具及推頭之間的摩擦因數(shù)均為0.12。充液成形模擬過程需將管材彎曲及預成形后的應力、應變及壁厚變化信息輸入，已變形的管坯經(jīng)快速充液和推頭密封后，在內(nèi)部通入高壓液體，內(nèi)高壓及軸向推力的綜合作用使坯料貼模，精準成形。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 優(yōu)化分析

如前所述，液壓力加載路徑對零件成形性能及質(zhì)量有著重要影響，分析過程中保證端頭軸向進給量為14 mm、摩擦因數(shù)為0.12，最大脹形壓力為180 MPa、彎管管徑為88.5 mm，彎管半徑為135 mm，補料量為14 mm，研究如圖4 所示的3 種液壓力加載路徑對零件壁厚減薄和增厚情況、成形極限、主次應變、起皺及貼膜率的影響。

圖4 加載路徑示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading path

加載路徑1 為線性加載，橫軸為時間，縱軸分別為液室壓力和推頭軸向位移，黑色曲線表征液壓力路徑，黃色曲線代表推頭位移路徑，左右兩個推頭路徑一致。加載路徑2 為兩段式線性加載，前面低壓階段坯料進行補料，后階段進行高壓整形。加載路徑3 為分段式線性加載，前面低壓階段推頭進行分階段補料，低壓階段采用分段加壓，后階段為線性高壓整形。

3 種液壓力加載路徑下試件最大壁厚減薄、增厚及起皺情況如圖5 所示，可以看出加載路徑1 下，試件最大減薄率為26.3%，超過安全范圍。試件成形極限如圖6 所示，可以看出零件多處出現(xiàn)開裂。加載路徑2 條件下，坯料軸向進給太快導致零件成形過程前期聚料較多，后期加壓整形未能完全脹形，出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象，其最大起皺指標為3 種加載路徑中最大的，是0.149。同時由于材料無法平緩流動，開裂現(xiàn)象并未明顯緩解，最大壁厚減薄為23.2%。加載路徑3 的軸線進給速度和加壓速度曲線介于加載路徑1 與2 之間，獲得的試件厚度分布較為均勻，最大減薄率僅為16.8%，處于安全范圍，零件成形過程也相對較為平緩，未出現(xiàn)起皺疊料現(xiàn)象。

圖5 試件最大壁厚減薄、增厚及起皺情況Fig.5 Thinning,thickening and wrinkling of the maximum wall thickness of the test piece

圖6 FLD 成形極限對比Fig.6 Comparison of FLD forming limit

3 種加載路徑下，零件的主次應變極值及最大貼模偏移量如圖7 所示，可以看出應變的分布與壁厚分布是一致的，加載路徑3 具有均勻的應變分布。路徑3 的貼模偏移量也是最小的，為1.89 mm，成形零件具有較高的貼模度，成形性能較好。

圖7 試件主次應變極值及最大貼模偏移量Fig.7 Extreme value of primary and secondary strain and maximum deviation of die sticking of the test piece

可見，研究的縱梁充液成形工序采用分段式加載路徑進行零件試制會得到較理想的結果。脹形時間為300 s，分為3 個階段，前30 s 為低壓脹形，沒有材料軸向進給；中間200 s 為加壓補料階段，內(nèi)壓力與軸向進給以線性關系逐漸增加；最后50 s 為高壓整形，壓力由90 MPa 迅速升到180 MPa，沒有材料軸向進給。

3 試驗研究

結合數(shù)值模擬結果，對縱梁充液成形工藝進行試驗驗證。采用加載路徑1 得到的試件出現(xiàn)了局部開裂現(xiàn)象，如圖8a 所示。主要原因為路徑1 未能使試件前期得到充分的聚料，壁厚減薄嚴重，同時彎管中模具之間的配合，尤其是芯棒結構與管徑內(nèi)壁之間間隙，以及彎管設備的后輔推力配合大小，也對試件壁厚分布造成前期影響。充液成形階段，在不起皺的情況下盡可能增大左右側推力，會改善試件的壁厚分布。采用加載路徑2，太快的聚料致使試件出現(xiàn)了起皺缺陷，如圖8b 所示，與數(shù)值模擬結果一致。

采用加載路徑3 得到了較好的結果，如圖9 所示為試件各工序的零件圖。工序3 液壓成形試件壁厚分布均勻，無破裂起皺缺陷，成形質(zhì)量較好。對零件進行全尺寸檢測，零件關鍵區(qū)域測點全部符合公差要求，后期各種性能試驗也順利通過。目前，利用文中所提出的工藝已順利使該零件實現(xiàn)國產(chǎn)化，單個零件制造成本及物流成本總體下降了40%，以年產(chǎn)量10萬臺計算，一年可降低成本約1500 萬元，并且研制周期得到了保障。

圖8 試件缺陷Fig.8 Defect of test piece

圖9 工序件實物Fig.9 Physical drawing of process parts

4 結論

1）液壓力加載路徑對試件壁厚分布影響較大，加載路徑3 的分段式線性加載，可以實現(xiàn)低壓階段的分段加壓和有效補料，以及后期的線性高壓整形，試件成形質(zhì)量較高。

2）數(shù)值模擬得到液壓力加載路徑2 條件下，試件最大壁厚減薄率為16.8%，成形過程變形平緩，未出現(xiàn)破裂起皺缺陷。

3）對試件進行了試驗研究，試驗結果與數(shù)值模擬結果有較好的一致性。