基于模糊控制的扭力梁充液成形工藝研究

袁智軍， 王文淵， 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(shù)有限公司， 北京 100191）

0 引言

在充液成形過程中，管材內(nèi)的液體壓力和側(cè)推力隨時間的變化規(guī)律稱為加載路徑，它與零件的材料、結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。 加載路徑是管材充液成形最重要的工藝參數(shù)，液體內(nèi)壓力太大、側(cè)推力較小會導(dǎo)致零件過度膨脹產(chǎn)生破裂缺陷，液體壓力太小、側(cè)推力較大則會導(dǎo)致管材發(fā)生起皺，因此合理的加載路徑對提高零件生產(chǎn)效率具有重大意義[1-3]。

1 充液成形工藝原理

管材充液成形技術(shù)是以液體作為傳力介質(zhì)， 在模具的約束下，將管材成形為需要的變截面形狀，其工藝過程原理如圖1 所示。首先在模具中放入管件，隨后上下模合模，左右側(cè)推頭同時進行密封和充液排氣，在這一過程中不斷增大管內(nèi)液體壓力同時左右推頭做軸向推力進給，管件逐漸發(fā)生塑性變形，最后推頭回退并開模，取出成形的零件。

圖1 充液成形工藝原理

由于零件成形過程中， 液體壓力和軸向推力對于零件成形的精確數(shù)學(xué)模型難以建立， 傳統(tǒng)的控制方法需要準確建立被控系統(tǒng)數(shù)學(xué)關(guān)系而難以實現(xiàn)， 因此模糊控制技術(shù)成為一種新型的智能控制方法， 它是一種非線性控制方法，可以模擬人的思維方式生成模糊規(guī)則，對難以建模的被控系統(tǒng)進行推理及決策[4，5]。 Ge Y 等人使用模糊控制方法對一種膨脹管零件進行了加載路徑設(shè)計， 獲得了很好的成形質(zhì)量[6]。 本文利用MATLAB 的模糊控制工具箱，可以將扭力梁充液成形的液體壓力、軸向推力同破裂缺陷、起皺缺陷建立模糊控制系統(tǒng)，研究扭力梁充液成形加載路徑。

2 零件特征及材料分析

2.1 零件特征分析

如圖2 所示為某汽車扭力梁零件， 從其截面特征分析可知，該零件是軸線為直線的異形管形截面零件，其零件截面為V 字形，從零件兩端至零件中心，管件截面形變逐漸增大，零件壁厚2.7mm。

從零件整體結(jié)構(gòu)分析可知， 該零件使用充液成形工藝，可以一次精密成形，減少工序次數(shù)，研究合理的充液成形加載路徑制定方法，對于該類零件生產(chǎn)具有重要意義。

圖2 零件特征分析

2.2 材料分析

零件指定材料為S550MC 的鋼材， 該零件化學(xué)成分如表1 所示。

表1 S550MC 材料化學(xué)成分

此材料是細晶粒鋼，有優(yōu)良的冷成形加工性能，廣泛應(yīng)用于汽車中需要強度要求較高的零件上， 其基本物理性能參數(shù)如表2 所示。

表2 S550MC 材料基礎(chǔ)物理性能

3 加載路徑模糊控制優(yōu)化

3.1 建立輸入隸屬函數(shù)

零件在充液成形過程中，管材內(nèi)液體壓力逐漸增大，管件和模具的摩擦力會同步增大， 導(dǎo)致材料環(huán)向流動不均勻，從而出現(xiàn)破裂，因此選取零件的壁厚h 作為衡量某一時刻ti零件管材出現(xiàn)破裂的評價函數(shù)，即：

圖3 為壁厚破裂缺陷值φ1=h 的隸屬函數(shù)圖，它可以描述每一個輸入?yún)?shù)h 所表示的發(fā)生破裂的可能性。 一般當(dāng)管材的減薄率大于20%以上時視為破裂， 設(shè)h 的論域為[2.4，3]， 集合中心為2.7， 用兩個梯形函數(shù)（small、large）和一個三角形函數(shù)（middle）描述破裂程度。

圖3 破裂值h 隸屬函數(shù)

圖4 貼模變化率隸屬函數(shù)

選取零件環(huán)向貼模段長度l 描述管材充填程度，此值越小表明零件填充越不充分，其評價函數(shù)為：它可以描述貼模變化率的快慢， 設(shè)論域為[0，0.1]，集合中心為0.05，區(qū)間寬度為0.05，用個梯形函數(shù)（small、large）和一個三角形函數(shù)（middle）描述貼模程度。

3.2 建立輸出隸屬函數(shù)

充液成形時需要較大的軸向補料量s 來彌補厚度減薄，當(dāng)補料量過大時，易出現(xiàn)皺紋，因此需要較大的內(nèi)壓力p 將皺紋展平， 故輸出控制參數(shù)是內(nèi)壓變化量△p 和推頭軸向補料量△s。

設(shè)模糊子集△p 的論域大小為[0，10]MPa，集合中心點為5MPa，采用三個三角形函數(shù)（small、middle、large）描述所需增加載荷大小的程度，輸出隸屬度函數(shù)如圖5 所示。

圖5 輸出參數(shù)△p 隸屬度函數(shù)

設(shè)模糊子集△s 的論域大小為[0，10]mm，集合中心點為5mm，采用三個三角形函數(shù)（small、middle、large）描述所需增加載荷大小的程度，輸出隸屬度函數(shù)如圖6 所示。

圖6 輸出參數(shù)△s 隸屬度函數(shù)

3.3 模糊規(guī)則庫設(shè)計

為保證充液成形過程中，管材壁厚均勻分布，既不出現(xiàn)過度減薄，也不出現(xiàn)過度增厚出現(xiàn)褶皺，因此指定如下表3 的模糊控制規(guī)則庫。

表3 模糊控制規(guī)則庫

圖7 規(guī)則器觀察窗口

4 加載路徑分析

表4 模糊控制加載路徑設(shè)計值

在有限元仿真軟件dynaform 中建立仿真模型，按照表4 內(nèi)容進行加載路徑設(shè)計。 對比模糊規(guī)則創(chuàng)建的加載路徑和線性加載路徑的仿真結(jié)果如圖8 所示，可知模糊控制規(guī)則產(chǎn)生的加載路徑能夠得到更加均勻的零件壁厚。

圖8 不同加載路徑零件壁厚對比

5 總結(jié)

管材充液成形工藝在制造扭力梁零件反面具有較大優(yōu)勢，基于模糊控制規(guī)則設(shè)計的管材充液成形加載路徑設(shè)計方法，可以準確預(yù)測成形過程中潛在的破裂和起皺缺陷，基于模糊控制規(guī)則得到的管材充液成形加載路徑，優(yōu)于普通的線性加載路徑成形效果，零件具有更好的壁厚分布。