充液壓制對彎曲軸線異形截面管的內高壓成形影響研究

周渝琨，李峰華

（廣西汽車集團有限公司，廣西 柳州530028）

0 引言

汽車輕量化是現(xiàn)代汽車制造業(yè)發(fā)展的重要方向之一，也是節(jié)能減排、充分利用材料的重要趨勢[1]。隨著國家對環(huán)境問題的愈加重視，降低能源消耗對汽車行業(yè)提出了更大的挑戰(zhàn)[2]。汽車輕量化的作用可以總結為：汽車的絕大多數(shù)油耗與車身的質量有直接關系，降低車身質量能有效降低燃油消耗和尾氣排放；輕量化使得對擁有更高強度的材料及輕質合金研究逐漸深入，這些材料的開發(fā)和利用能提高汽車碰撞安全性；質量較輕的車身能降低汽車的加速時間，提高操作性和駕駛舒適度。改進汽車輕量化的方法可以大概歸結為應用高強度輕量材料、優(yōu)化結構及采用先進制造技術3種手段[3]。

車身許多零件由管狀結構組成，傳統(tǒng)成形管狀零件是將管材分為上下兩部分，然后采用對半沖壓再焊接的工藝方法，其主要弊端為：焊縫的存在會增加零件整體質量；焊接質量直接影響了最終零件的成形性能和疲勞壽命；增加工序和模具會增加生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期[4]。隨著超高壓動密封技術及計算機控制的發(fā)展完善，充液成形這種工藝技術的實現(xiàn)更加容易，逐漸成為汽車制造領域的研究熱點[5]。

管材充液成形作為一種管材整體成形的先進加工方法為汽車零部件的輕量化發(fā)展提供了新的可能和方向。管材充液成形技術可分為板式充液成形（Sheet Hydroforming）和管式充液成形（Tube Hydroforming），其原理主要為利用液體作為傳力介質施加壓力，在液體壓力作用下使工件貼靠模具的一種塑性成形技術。管材充液成形相較于傳統(tǒng)成形管材的方法主要優(yōu)勢有：技術應用范圍廣，能成形復雜形狀空心零件；工序和模具數(shù)目降低，降低生產(chǎn)周期和成本；成形零件精度高、表面質量好、疲勞壽命長、整體性好，可避免后續(xù)焊接等工藝對零件最終性能的影響；實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，提高了零件的合格率，提高生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。

對于該項技術的研究國外起步較早，早期研究主要集中在德國和日本，現(xiàn)對該項技術的研究較為成熟，主要集中在工業(yè)應用中的工藝優(yōu)化、操作控制的智能化及生產(chǎn)效率的提高。國內雖然起步較晚，但是汽車制造市場的大量需求使得國內對于該項技術的研究進展較快。

隨著輕量化技術的不斷發(fā)展，強度越來越高的材料被不斷應用到汽車零部件的制造中，充液成形的主要工藝參數(shù)是內壓的大小，這使得對成形壓力的要求不斷提高，過高的成形壓力會對管材內高壓成形造成一系列困難。例如過高的成形壓力會導致材料不能均勻流動到成形區(qū)域，從而導致環(huán)向壁厚分布不均甚至導致破裂；充液成形內壓的大小決定了所需模具的材料及噸位，過高的內壓會導致所需設備噸位較高，并加劇模具的磨損，還會導致操作及控制難度的增加。所以為了改進充液成形工藝，當前許多研究方向更加關注工藝參數(shù)及工藝設計的優(yōu)化，在改善成形結果的同時降低對成形壓力的需求。

Vari-form[6]提出了壓力序列成形（PSH），即在模具閉合的同時精確控制壓力的施加，從而達到降低成形壓力的效果。Elsenheimer和Groche[7]針對充液熱成形工藝中材料性能展開研究，發(fā)現(xiàn)將材料加熱到一定溫度可以改善其可成形性，這提高了一些低塑性材料的成形空間。但其加工周期較長、成本較高，使其在實際生產(chǎn)中受到限制。苑世劍教授通過分析內壓與軸向補料的配比關系提出有益皺成形理念，即通過在預成形內壓較低階段完成對零件成形區(qū)域的補料，實現(xiàn)了降低成形壓力的同時改善終成形前材料的分布，為成形膨脹率較大的部件提供新的充液成形可能性[8-9]，他還通過數(shù)值模擬和實驗方法分別研究了彎曲軸線薄壁管內高壓成形壁厚與變形規(guī)律[10]和預彎對管材充液成形缺陷與尺寸精度的影響[11]。郎利輝教授研究不同支撐內壓對V形扭力梁壓制過程的影響，優(yōu)化預成形工藝采用充液壓制成功成形出壁厚分布較均勻的高強鋼扭力梁[12]，并針對某汽車錐形縱臂內高壓成形過程，通過數(shù)值模擬及物理實驗對比方法研究了不同工藝參數(shù)對壁厚及截面分布的影響[13]。

矩形截面管材作為典型的成形難點是圓角區(qū)域的壁厚問題，壁厚的分布是衡量管材充液成形效果的重要指標，本文針對彎曲軸線矩形截面管材充液成形工藝展開研究，通過采用充液壓制優(yōu)化預成形工藝，研究不用的支撐內壓對壁厚分布的影響。

1 零件特征及成形難點

零件幾何圖如圖1所示，零件整體呈U形，左右對稱，零件中間部位截面為圓形，從左右兩端到中間過渡區(qū)域為不規(guī)則矩形截面。管材從端部到中間圓形截面的截面周長分別為235.1、233.5、235.6和235.5 mm。由截面周長分布可以看出，零件截面周長變化不大，幾乎相同，從端部向中間部分截面均不相同。為了避免管材在合模過程中產(chǎn)生飛邊缺陷，根據(jù)管材最小截面周長選擇初始管徑，所以選擇半徑為37 mm、厚2 mm的管材作為成形坯料，零件材料為SAPH440，其力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 SAPH440材料力學性能參數(shù)

通過結合材料力學性能參數(shù)及零件幾何特征可以看出，由于材料具有良好的成形性和零件膨脹率不高的特點，零件環(huán)向脹形難度會降低，但是由于零件彎曲角度較大會導致在彎曲外側壁厚易產(chǎn)生過度減薄，在圓角區(qū)域脹形后易導致破裂，而在彎曲內側易造成材料堆積甚至起皺缺陷的產(chǎn)生。由于管材多數(shù)區(qū)域截面為矩形截面，在管材壓制過程中易造成截面過度凹陷導致最終整形過程中產(chǎn)生環(huán)向壁厚的分布不均，或者由于截面過度畸變導致脹形后產(chǎn)生死皺。

圖1 零件幾何圖

2 工藝方案的制定

由于管材彎曲半徑較大，且彎曲半徑延伸段長度較長，所以在管材充液成形之前應首先進行彎管成形，按照目標零件的軸線設計工藝參數(shù)，使原始直管成形為與目標零件等軸線的彎曲軸線管。為了保證管材能順利放入終成形模具中并使管材在終成形之前有較好的壁厚分布及截面形狀分布，設計合理的預成形工藝。最終將預成形完畢零件放入終成形模具中進行最終高壓整形，成形為最終零件。成形流程圖如圖2所示。

圖2 成形流程圖

3 理論分析

4 有限元模擬

4.1 有限元模型建立

有限元模擬應用DYNAFORM軟件中管材成形模塊進行，零件為左右對稱結構，為節(jié)省模擬花費時間，對零件進行一半裁剪后模擬，在有限元中設置軸對稱約束，有限元模型建立如圖3所示。

4.2 有限元模擬

4.2.1 彎管模擬

根據(jù)設計零件軸線，設置彎管的工藝參數(shù)如表2所示。

圖3 有限元模型

表2 彎管工藝參數(shù)設置

彎管過程中，由于零件軸線曲率半徑較大，導致管材彎曲外側壁厚減薄較為嚴重，而在彎曲內側由于材料堆積造成壁厚增加較為嚴重，有起皺風險，模擬結果如圖4所示，在彎曲角度較大的第三步彎管中，在彎曲外側最大減薄達到12.8%，彎曲內側最大增厚率達到25.5%。

圖4 彎管成形效果云圖與壁厚減薄分布圖

4.2.2 預成形模擬

為研究不同支撐壓力對充液壓制成形效果影響，分別采用0、10、20 MPa支撐壓力進行充液壓制，為節(jié)省模擬時間，設置為0.2 s，工藝路徑如圖5所示。

圖6 為不同支撐內壓下該截面頂部內凹深度分布圖，由圖6可以看出，當沒有支撐內壓的情況下，3個截面頂部凹陷深度較大，隨著支撐內壓的增加，凹陷深度逐漸降低，當內壓從0增加到10 MPa 時，凹陷深度降低程度大于內壓由10 MPa增加到20 MPa。

零件截面最小圓角半徑為15 mm，所以零件最終所需最大成形壓力約為

圖5 充液壓制工藝路徑

圖6 不同支撐壓力下不同截面內凹深度分布

為保證零件完全貼膜，采用80 MPa整形壓力進行最終成形。B-B截面處為成形危險截面，所以選取該截面作為研究對象，研究不同支撐壓力對環(huán)向壁厚減薄分布的影響，如圖7所示。可以看出，隨著預成形充液壓制支撐內壓的增加，在終成形后零件在彎曲外側的減薄和彎曲內側的增厚均得到緩解。與不采用支撐內壓相比，采用20 MPa支撐內壓后的最大減薄率能降低約5%。

圖7 采用不同支撐內壓預成形零件終成形后壁厚分布

5 實驗研究

預制坯的成形效果對零件終成形后的成形效果有著重要的影響，當預成形壓制過程造成材料分布不均勻，終成形采用高壓整形后在彎曲角度較大部位彎曲外側極易造成壁厚的嚴重減薄甚至破裂，如圖8所示。采用20 MPa充液壓制預成形后進行高壓整形獲得的合格零件圖如圖9所示。

6 結論

圖8 彎曲外側管壁破裂圖

圖9 合格零件圖

1）多步充液成形工藝中預成形的效果對零件最終成形效果及成形難度有著至關重要的作用，可以通過優(yōu)化預成形工藝來改善零件的成形效果。

2）彎曲軸線管件彎曲角度過大的區(qū)域為成形危險區(qū)域，彎曲外側易造成壁厚的嚴重減薄甚至破裂，彎曲內側易造成壁厚的嚴重增厚甚至起皺，矩形截面管材圓角與直線段的過渡區(qū)域為破裂危險點。

3）在管材壓制過程中一定范圍內較高的支撐內壓能使截面壁厚更均勻，有利于提高最終零件成形質量。