翻卷管工藝及其成形模具比較研究

石效寬， 熊宇軒， 費依婷， 李 林， 鄭玉卿

(湖州師范學(xué)院 工學(xué)院, 浙江 湖州 313000)

2014年GB11551《正面碰撞的成員保護(hù)》發(fā)布并實施.對車企來說，為滿足正面碰撞保護(hù)法規(guī)要求，技術(shù)改進(jìn)顯得尤其重要.在不對客車車身主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改進(jìn)，基本不改動或少改動原車制造模具、工裝夾具及生產(chǎn)流程的前提下，采用特殊結(jié)構(gòu)或零部件來改善輕型客車的耐撞性將是最理想的技術(shù)選擇.隨著全球汽車電動化戰(zhàn)略的全面實施，新能源汽車車身結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計.管形件由于重量輕、比強度高、成本低，已經(jīng)陸續(xù)得到應(yīng)用.在汽車碰撞中，翻卷管吸能過程穩(wěn)定，是一種很理想的裝置.從20世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)外先后對它進(jìn)行了大量的試驗和理論研究[1-3]，在航天著落器、直升機抗墜毀座椅等方面已實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用[4].翻卷管由于其自身的性能，近年來有學(xué)者提出在汽車碰撞中應(yīng)用翻卷管來吸收沖擊能量以降低駕乘人員的傷害[5].車輛高速碰撞發(fā)生時，為降低碰撞過程對駕乘人員的傷害，車身結(jié)構(gòu)在設(shè)計時必須考慮如何有效吸收碰撞過程中的沖擊能量.前保橫梁一定程度上可以通過自身形變來吸收撞擊時的部分能量，但一般僅適用于低速碰撞工況，在眾多高速碰撞測試或事故中，汽車發(fā)動機會侵入乘員艙使駕乘人員的傷害程度變大，此時前保橫梁起到的吸能效果就顯得極其有限.

1 翻卷管技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 汽車碰撞安全方面

車輛發(fā)生高速碰撞時，要保護(hù)駕駛室內(nèi)駕乘人員的安全，必須降低碰撞能量，這已是行業(yè)共識.此外，人體傷害程度與碰撞過程的減速峰值有很大的正相關(guān)關(guān)系[6].因此，汽車發(fā)生高速碰撞時還需考慮整車減速平穩(wěn)，且減速值波動盡可能小.理想的金屬翻卷管在沖擊過程中的吸能相對穩(wěn)定，如圖1所示.實際測試的沖擊力曲線波動也很小，如圖2所示.特別在穩(wěn)態(tài)塑性變形階段，沖擊力表現(xiàn)基本恒定，金屬翻卷管的使用可保持碰撞發(fā)生時車身具有一個相對平穩(wěn)的減速度.可見，金屬翻卷管對動態(tài)碰撞車身來說是一種非常理想的吸能緩沖裝置，主要被安裝在前縱梁與前保橫梁之間，且低速碰撞時易更換.

1.2 抗墜毀直升機座椅

翻卷管最早應(yīng)用于直升機抗墜毀座椅，這是因為直升機作為一種特殊的飛行器種類而決定的.直升機的飛行速度相比固定翼飛機慢，在遭遇空中停車或發(fā)動機故障時，不能像固定翼飛機那樣在較高的速度下進(jìn)行滑翔.在發(fā)動機轉(zhuǎn)速極低的情況下，飛機下降速度會加大，與傳統(tǒng)的固定翼飛機降落姿態(tài)不同，很多情況下直升機的機艙底部最先著陸，導(dǎo)致飛行員遭受巨大的沖擊載荷.直升機座椅骨架與椅盆之間安裝翻卷管吸能器，可使沖擊能量經(jīng)過緩沖吸能后再傳導(dǎo)至飛行員的骨盆和脊柱，通過翻卷管力學(xué)性能設(shè)計可將沖擊載荷降低至飛行員可承受的范圍內(nèi).吸能器工作原理如圖3所示，它分為軸向拉伸和軸向壓縮兩種變形方式，可根據(jù)不同的應(yīng)用場合加以利用[7].

直升機墜毀時的吸收沖擊能量與車輛碰撞時的沖擊能量的吸收機理類似.現(xiàn)階段的汽車碰撞測試中，都比較關(guān)注車輛整體的吸能情況.而翻卷管作為一種吸能裝置，可以將碰撞時的動能轉(zhuǎn)化為塑性變形能.從內(nèi)翻種類的翻卷管來看，如果把撞擊力轉(zhuǎn)換為對內(nèi)翻端口的拉力，管件就可以反翻卷為單層管，且在外力作用下將內(nèi)翻的端口進(jìn)行拉伸.管件變成單層管時，涉及大量的能量吸收，使車輛的碰撞動能轉(zhuǎn)化為塑性變形能，達(dá)到了保護(hù)駕乘人員的目的.

2 翻卷管的成形工藝

2.1 翻卷管的工作機理

翻卷管的吸能過程如圖4所示.以拉伸吸能為例，翻卷管因受到軸向的拉力而內(nèi)翻變形.變形前，AB段為初始曲率半徑r的圓弧部分，AO段為曲率半徑無窮大的直邊.塑性變形后，A’B段曲率半徑變?yōu)闊o窮大，A’O’段曲率半徑變?yōu)閞.在整個塑性變形過程中，變形區(qū)的形狀和大小始終保持不變，軸向拉力相對恒定.

2.2 翻卷管的成形工藝

翻卷管的成形工藝，按照翻卷后直徑的變化分為外翻、內(nèi)翻和復(fù)合翻[8-10].外翻是將管材的內(nèi)壁翻成外壁，翻卷后形成的管壁直徑比原來大，如圖5所示.內(nèi)翻是將管材的外壁變?yōu)閮?nèi)壁，翻卷后形成的管壁直徑比原來小，如圖6所示.復(fù)合翻是將管坯的一端在向內(nèi)翻的同時，將另一端向外翻，如圖7所示.

外翻在翻卷管過程中，如果管材塑性變形能力較差，翻卷過程中口徑變大極易出現(xiàn)裂紋，其成品在使用過程中，翻卷管也可能會斷裂，而不能達(dá)到吸能功能[11].因此翻卷管不僅要選擇正確的成形工藝，還要對材料塑性變形能力進(jìn)行甄別優(yōu)選.

按照成形時的溫度，翻卷管的成形工藝又分為冷翻、熱翻和軸壓差溫翻.冷翻無需對管件和模具進(jìn)行加熱，這種方法簡便、潔凈，應(yīng)用廣泛.熱翻主要在冷翻卷管困難的情況下，針對管材塑性差或變形抗力大的材料采用的工藝，但加熱后管坯整體抗屈曲能力下降，軸壓易產(chǎn)生失穩(wěn)，對翻卷管不利.軸壓差溫翻卷管主要針對熱翻的缺點，將變形區(qū)進(jìn)行加熱以降低變形抗力，將傳力區(qū)冷卻以增強其抗失穩(wěn)能力.對于翻卷過程中管件塑性差和變形抗力大等問題，軸壓差溫翻卷管是除冷翻和熱翻外的另一種很理想的制造成形方法.

按照管子的受載方式，翻卷管的成形工藝又可分為軸壓翻卷管、拉伸翻卷管、擺碾翻卷管、液壓翻卷管等[12].軸壓翻卷管在油壓機上進(jìn)行翻卷管，應(yīng)用起來非常方便，但容易出現(xiàn)失穩(wěn).因為管壁若太厚，端口翻轉(zhuǎn)比較困難；管壁若太薄，軸壓過程中受力不均就會產(chǎn)生失穩(wěn)變形.實驗表明，影響翻卷管臨界失穩(wěn)力的主要因素是管坯長度、相對壁厚、材料的力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)和幾何缺陷.用作翻卷管的管坯，力學(xué)性能沿周向總是存在著或多或少的差異，這種差異與管坯相對厚壁和材料強度的增大呈反相關(guān)，與幾何缺陷呈正相關(guān).拉伸翻卷管一定程度上避免了軸壓翻卷管中管件失穩(wěn)的問題，但需要額外增加一套加工配套模具，翻卷管件的尺寸精度可以由模具來控制，尺寸精度較高，而且可以加工出縫隙較小的雙壁管，理論上用這種翻卷管方法的報廢率比較低，但這種類型的模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工成本較高.擺碾翻卷管是針對翻卷困難發(fā)展出的一種新的翻卷管方式，對厚壁管坯端口可以采用擺碾的方法，但對翻卷后的管件成形精度較難控制.

液壓拉伸翻卷管模的結(jié)構(gòu)類似沖壓工藝中的圓孔翻邊模.圖8是拉伸翻卷管模具結(jié)構(gòu).上模板1固定在油壓機滑塊上；凹模6通過螺釘5和定位銷2與上模板1連接固定；凹模6通過導(dǎo)柱10和導(dǎo)套7導(dǎo)向，其導(dǎo)向精度可根據(jù)翻卷管零件精度而定.將帶法蘭的管段置于壓邊圈4上，管坯另一端向下，當(dāng)上模板1向下行時，凹模6將置于壓邊圈4上的毛坯法蘭部分壓緊，法蘭部分金屬不參與塑性變形，調(diào)整到適當(dāng)?shù)膲哼吜?，上模?停止下行.開動油壓機頂出機構(gòu)，通過頂桿9及頂板8，將凸模3向上推動，在凸模上行過程中，先與管坯接觸，繼而使管坯沿半徑為Rp的凸模圓弧部分環(huán)形塑性流動(圖9)，經(jīng)過凸模圓弧部分后，形成翻卷管的外壁，凸模繼續(xù)上行，直至達(dá)到所需要的翻卷管件高度后，油壓機頂出機構(gòu)回程，帶動凸模下行，上模板帶動凹模向上提起后取件，從而完成一次拉伸翻卷管過程.圖9是凸模處的管件塑性變形.凸模這一概念最早由西方學(xué)者提出，在拉伸翻卷管工藝中，凸模有效地解決了軸壓翻卷過程中外層管易失穩(wěn)彎曲的情況.

綜上所述，采用拉伸內(nèi)翻工藝對金屬管件進(jìn)行翻卷管，加工實現(xiàn)的可能性較大，但拉伸翻卷管的模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且模具加工成本較高.目前，國外越來越多的學(xué)者開始進(jìn)行內(nèi)翻方法的研究.內(nèi)翻管的外管是初始管材，其直徑不發(fā)生變化，表面質(zhì)量好，因而內(nèi)翻管件比外翻管件具有裝配精度高、應(yīng)用性強的特點，且不易出現(xiàn)裂紋.而上述已提到，拉伸翻管過程避免了軸壓翻管過程中的失穩(wěn)現(xiàn)象，拉伸內(nèi)翻比其他翻管方法成功率更高.下一步需重點考慮優(yōu)化翻卷管模具結(jié)構(gòu)以及降低設(shè)計和制造成本.

3 翻卷管模具與成本估計

3.1 翻卷管成形模具發(fā)展現(xiàn)狀

在目前的翻卷管成形模具中，應(yīng)用最廣泛的是錐形模和圓角模[13]，其加工翻卷管示意圖見圖10和圖11.這兩種模具應(yīng)用于軸壓翻卷管上，在薄壁管軸壓翻卷管過程中管件容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，需要優(yōu)化設(shè)計錐形模的傾斜角度和圓角模的成形圓弧倒角，才能降低翻卷管過程中的軸向抗力.此外，錐型模翻卷管中管坯與模具之間容易出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，翻卷出的外層管容易彎曲，與內(nèi)層管的同心度不易保證.

圓角模由錐形模發(fā)展而來，其翻卷管彎曲程度、尺寸精度以及與內(nèi)管的同心度較好.但此類模具一種尺寸只能翻卷一種內(nèi)徑尺寸的管坯.這種模具在設(shè)計時主要考慮翻卷管圓角半徑r，如圖4中的半徑r，r會直接影響翻卷管的成形外徑，r過大，管坯件在翻卷過程中會沿圓弧面連續(xù)擴展，管口容易撕裂；r過小，翻卷管軸向變形力會急劇增加，導(dǎo)致管坯的傳力區(qū)管壁失穩(wěn).

上述兩種類型的軸壓模具，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉，小批量試制成本低，適合新型管材前期研發(fā)的試制加工；拉伸翻卷管的成功率較高，且設(shè)計了凸模，雙層管壁間距的尺寸可以控制，因此翻卷管的尺寸易控制.缺點在于模具結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，批量加工具有優(yōu)勢，小批量試制的加工成本相對較高，不適合新材料管材的前期研發(fā)試制.

3.2 翻卷管模具成本對比

以H13模具鋼為材料加工翻卷管模具，翻管坯料外徑為100 mm、壁厚為2 mm為例，通過向當(dāng)?shù)啬＞呒庸S調(diào)查詢價，對錐形模、圓角模和拉伸模3種模具的開發(fā)成本進(jìn)行市場調(diào)研，成本估算見表1[14-15].錐形模和圓角模的管材用料和設(shè)計費用非常接近，錐形模的加工費用比圓角模略低，而拉伸翻管模既需要設(shè)計凸模和凹模，還需要設(shè)計相配套的上模板和下模板，用料和加工費用也會增加不小.由此可見，錐形?；驁A角模的綜合成本是拉伸翻卷管模的1/3左右.一般情況下，錐形模和圓角模應(yīng)用于軸壓翻卷管上，外壁失穩(wěn)情況目前尚不能得到完美的解決，只能對延展性較好的金屬管材如鋁、銅等材質(zhì)才可以實現(xiàn)，且對應(yīng)的錐形角和圓弧倒角尺寸需要進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計方能降低翻管加工報廢率.拉伸模的作業(yè)精度可控，薄壁翻管質(zhì)量較高，模具安裝在液壓機上易實現(xiàn)自動化.如果確定采用拉伸翻卷工藝制造加工薄壁翻卷管，這種類型的模具在不影響翻卷管效果的情況下，就需要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)和加工次序優(yōu)化設(shè)計，提高原材料的利用率[16]，才能保證降低模具的用料和加工成本，從而利于大規(guī)模的批量生產(chǎn).

表1不同翻卷管模具的開發(fā)成本對比

Tab.1Thedevelopmentcostcomparisonofdifferentinvertubedies

項目設(shè)計費/萬元材料費/萬元加工費/萬元配套夾具/萬元合計/萬元錐形模0.20.30.250.10.85圓角模0.20.30.350.10.95拉伸模0.81.01.00.63.4

4 結(jié) 論

(1) 翻卷管沖擊吸能性穩(wěn)定，在直升機抗墜毀座椅骨架和個別汽車型號中作為緩沖吸能器已得到應(yīng)用.目前各國新能源汽車電動化戰(zhàn)略大力推進(jìn)，燃油發(fā)動機將逐漸被電機、電池系統(tǒng)所取代，在碰撞安全方面，翻卷管無論作為碰撞吸能盒還是電池保護(hù)緩沖器等都具有較大的應(yīng)用前景.

(2) 翻卷管在理論上可由多種成形工藝實現(xiàn)，但考慮到目前現(xiàn)有的技術(shù)局限和翻管成形工藝，拉伸內(nèi)翻工藝具有較好的研究價值，雖然成本較高，但比外翻的成功率更高，精度更好，變形穩(wěn)定.目前外翻翻卷管在車身上應(yīng)用的突出問題仍聚焦在批量制造工藝、翻管加工成功率和碰撞穩(wěn)定性上，外翻成形必須優(yōu)選具備良好塑性變形能力的金屬管材，以降低報廢率.

(3) 在翻管制造加工過程中，建議綜合考慮產(chǎn)品批量、模具成本、成套設(shè)備成本投入及加工效率之間的關(guān)系再合理地選擇成形工藝.