副車架管梁的液壓成形工藝研究

周渝琨， 黃 宇， 程鵬志

（1.廣西汽車集團有限公司，廣西 柳州 530028；2.航宇智造（北京）工程技術有限公司，北京 100191）

0 引言

副車架是汽車底盤系統(tǒng)中的重要安全件和承載件，承受著汽車行駛中的轉向、制動等狀況下的橫向、縱向和垂向載荷，同時為部分懸架零部件提供安裝點。

穩(wěn)定桿安裝在副車架上， 副車架穩(wěn)定桿的支撐點主要承受垂向載荷， 因此對穩(wěn)定桿安裝點垂向剛度要求較高?，F(xiàn)有的副車架和穩(wěn)定桿的連接采用管梁連接，是底盤副車架中非常重要的組成部分，其強度、剛度、疲勞性能直接決定整車的安全性與舒適性。這其中，管梁作為承擔大多數(shù)垂直載荷與力矩的主要受力構件， 其重要性不言而喻。隨著汽車設計水平不斷提高，管梁由傳統(tǒng)的板式?jīng)_壓件逐漸過渡為管式密閉零件， 針對不同截面形狀發(fā)展出不同種類的成形工藝。

內高壓充液成形技術通過內部加壓和軸向加力補料把管坯壓入到模具型腔使其成形， 可以成形具有復雜變截面形狀的直線管式零件，相對傳統(tǒng)沖壓工藝，給予零件設計以更大的靈活性，同時大大提高生產(chǎn)效率，是管式密閉零件制造的主要發(fā)展趨勢[1，2]。

1 零件特征及材料分析

1.1 零件特征分析

圖1 所示為某車型副車架管梁二維特征分析， 由截面分析可知， 零件由端口矩形圓角截面逐漸過渡為L 字形截面。零件中定位孔所在形面有較高的輪廓度要求。零件壁厚減薄率最大不超過15%。

圖1 零件特征分析

由零件特征分析可知， 該零件為典型的直軸線變截面空心管材零件，適用于管材充液成形工藝。

1.2 零件選材分析

隨著現(xiàn)代汽車對車身強度要求的不斷提高， 對于底盤類零件所用材料的強度要求也不斷提高，在該車型中，零件選用牌號QStE500TM 的熱軋酸洗鋼，該零件化學成分如表1 所示。

表1 QStE500TM 材料化學成分

本牌號系列鋼為細晶粒鋼，具有良好的冷成型性，適用于制造具有較高強度或高強度要求的汽車大梁、 橫梁等車體結構件。 其基本物理性能如表2 所示。

表2 QStE500TM 材料基礎物理性能

2 工藝設計及數(shù)值仿真優(yōu)化

2.1 工藝路線設計

該管梁整個成形工藝流程主要包括：①管坯下料；②管材預成形；③管材充液整形；④沖裁、清洗涂油等工序，如圖2 所示。

圖2 成形工藝路線設計

在整個工藝流程中，管材預成形、充液整形過程是管材充液成形工藝，這是整個工藝方案的核心，對其建立模型并進行數(shù)值分析，進而進行工藝分析。

2.2 關鍵參數(shù)確定

在進行管材充液成形工藝前， 首先需要明確管材初始塑性變形液壓力Ps、整形壓力PC以及最小合模壓力等參數(shù)，這是進行工藝可行性分析和相關設備規(guī)格選擇的重要參數(shù)。在實際管材充液成形過程中，這些參數(shù)主要受初始管材的壁厚t0、直徑D0、最小特征圓角半徑rC影響。 根據(jù)管材的初始參數(shù)用于指導實踐管材充液成形過程[3，4]。本例中，管坯壁厚t0=2mm，初始管材直徑D0=70mm，最小特征圓角半徑rC=14mm。 忽略管材軸向應力作用，管材開始發(fā)生塑性變形的液壓力為：

為確保管材完全貼模， 通過逐漸增大管坯內腔液壓力，達到高壓整形，整形壓力為：

根據(jù)成形管梁在合模方向的投影面積S 和整形壓力Pc求得設備所需最小合模壓力：

2.3 管材預成形工序仿真模型建立與工藝優(yōu)化

針對上文設計的工藝路線， 進行管材預成形工序是提前使零件發(fā)生預變形， 避免合模后進行充液成形的過程中發(fā)生啃模，同時管材預變形后沿環(huán)向分布，可以降低充液整形難度。 由于零件端口位置為矩形圓角截面，原始圓管管坯在合模過程中必然發(fā)生塌陷，因此，需要在預成形過程中引入管坯端口整形工序。

針對零件特征， 采用Catia v5 r21 軟件進行三維形面建模，然后導入到數(shù)值分析軟件Dynaform 5.9.4 中進行數(shù)值模擬。 根據(jù)工藝分析，可以將預成形過程分為合模和端口整形兩個工步，分別建立數(shù)值仿真模型如圖3所示。

圖3 預成形工序

在預成形工序中， 兩側整形推頭在測推油缸的推動下對管坯端頭進行整形。推頭整形區(qū)間越長，進入零件型腔越深，整形效果越好。 但是隨著推頭長度增加，側推油缸所需噸位同時增加， 通過數(shù)值模擬優(yōu)選一個合適的推頭整形區(qū)間， 在保證整形效果的同時控制側推油缸噸位，是預成形數(shù)值模擬重點解決的問題[3-5]。

由數(shù)值模擬分析可知，當整形推頭長度大于120mm后，整形效果無明顯提升，而所需側推力則由于摩擦力的增加而大幅增長， 這勢必會造成設備不必要的浪費。因此，考慮實際生產(chǎn)要求與整形效果，選取整形區(qū)間長度為120mm 的推頭為最優(yōu)結果， 此時所需側推油缸噸位為25 噸。

圖4 整形區(qū)間長度與側推力、貼模度

2.4 充液成形工序仿真模型建立與工藝優(yōu)化

在預成形工序中，管坯已經(jīng)初步成形。在充液整形工序中，利用密封推頭對管坯進行剛性密封，并在管坯內沖入高壓乳化液體，從而使零件貼模成形。由于零件脹形范圍不大， 因此側推推頭補料量對零件最終成形效果影響較小。在數(shù)值模擬過程中，重點研究內壓力對零件貼模度的影響。

圖5 終成形數(shù)值模型

圖6 內壓力與貼模間隙

由于不同的液壓力影響零件的貼模度，由圖6 所示，當內壓力達到71MPa 時，管坯與模具完全貼合，但此時設備所需噸位達到6000 噸。 在汽車制造領域，常用充液成形壓機噸位一般為5000 噸，若零件成形壓力過大，則只能一套模具生產(chǎn)一件。 考察圖中曲線，可知當內壓力為60 至71MPa 之間時，零件與模具間隙小于1mm， 雖未完全貼模， 但已經(jīng)符合零件技術要求，此時所需合模壓力為5460～5780 噸，因此，零件最終成形壓力為60MPa。

考慮到該模具采用一模一腔設計， 為節(jié)約成本提高生產(chǎn)效率，設計出中心對稱結構的管材成型后，再通過沖裁出兩件產(chǎn)品。

圖7 最終成品零件

3 總結

管材充液成形工藝適用于汽車管梁零件的大批量生產(chǎn)， 具有矩形端口截面的管梁在預成形工序中應增加整形工步，以確保后續(xù)充液整形工序的密封效果，同時降低整形難度， 在達到管材成形要求的條件下，通過減小成形所需液壓力，以達到降低成本、批量生產(chǎn)的目的。