汽車后橋殼內(nèi)高壓成形工藝及脹型模具設(shè)計(jì)

張羅 徐蓉

摘 要：汽車后橋殼是幾何形狀較為復(fù)雜的零件，目前汽車橋殼的主要生產(chǎn)方式是鑄造和沖壓焊接。鑄造工藝對(duì)材料和能源太過(guò)浪費(fèi)，零件的力學(xué)性能較差;沖壓焊接工藝的焊縫質(zhì)量難保證，材料利用率較低。利用液壓脹形工藝成形整體橋殼能克服以上缺陷，節(jié)約材料和能源，同時(shí)工序少、材料利用率高。本文研究汽車后橋殼鼓包部分的液壓脹型工藝。針對(duì)汽車后橋殼特點(diǎn)，采用半滑動(dòng)式液壓脹形工藝，能夠有效降低合模壓力的整體式的滑動(dòng)模塊，同時(shí)固定模塊可防止飛邊的出現(xiàn)，也考慮了取件問(wèn)題。本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)是整體式的滑動(dòng)模塊具備分擔(dān)大部分的管坯脹形力，降低設(shè)備噸位的作用;設(shè)計(jì)的預(yù)脹形模具和終脹形模具滑動(dòng)模塊部分能夠共用，減少模具開發(fā)制造費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：汽車橋殼;半滑動(dòng)式;液壓脹形;模具設(shè)計(jì)

汽車橋殼屬于大型復(fù)雜異型截面零件，它保護(hù)著內(nèi)部的主減速器，差速器，半軸等零件，并承受著車身重量與車輪傳來(lái)的力矩。其作用及性能，要求既有足夠的強(qiáng)度和剛度，又要盡量減輕質(zhì)量;而且在保證橋殼使用要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，以利于降低成本。

車橋主要有兩種生產(chǎn)方式：鑄造和沖壓焊接。鑄造可以制造出形狀較為復(fù)雜的車橋，但鑄造件重量大，消耗材料和能源多，較為浪費(fèi)。沖壓-焊接成形工藝較好，廢品率低，重量輕，強(qiáng)度高，并且成本較低[1]。但沖壓焊接工藝工序多，費(fèi)材耗能，焊縫長(zhǎng)，對(duì)焊縫質(zhì)量要求較高。而利用液壓脹形工藝生產(chǎn)橋殼則材料利用率高，節(jié)省能源和材料，加工工序較少，且加工效率高，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化[2]。壁厚合理，應(yīng)力分布較好，剛度高，重量輕。

本設(shè)計(jì)就是要依據(jù)圖1-1所給的后橋殼相關(guān)尺寸，材料為20號(hào)碳鋼無(wú)縫管。圖1-1為設(shè)計(jì)中橋殼為輕型車后橋殼，鼓包部分的最大直徑為440mm，最小直徑68mm，長(zhǎng)度為1953mm，橋殼壁厚為10mm，均勻管徑為127mm。

為了減少變形過(guò)程中變形量過(guò)大導(dǎo)致徑縮脹形失敗，選取了直徑為127mm，厚度為10mm的管胚，這樣可以保證大部分材料不流動(dòng)就可以滿足橋殼設(shè)計(jì)要求。研究的內(nèi)容包括：

（1）確定汽車橋殼復(fù)合液壓脹形成形方案。

（2）形成汽車橋殼復(fù)合液壓脹形的工藝技術(shù)，包括設(shè)計(jì)滑動(dòng)脹形模具。

圖1 所設(shè)計(jì)汽車后橋殼零件圖

1.汽車橋殼復(fù)合液壓脹形參數(shù)分析

橋殼的最大當(dāng)量直徑為φ440mm，而管坯直徑尺寸為φ127mm，脹形系數(shù)

式中

kr—脹形系數(shù);

b—脹形管件的最大尺寸，mm;

d0—管坯脹形初始尺寸，mm。

經(jīng)計(jì)算得，脹形系數(shù)kr=3.46。

20號(hào)鋼的最大脹形系數(shù)可由下式算出[3]：

式中n—材料的硬化指數(shù)，對(duì)于20號(hào)低碳鋼，n=0.18-0.22

算出

由上Kr大于Kmax，需要兩次脹形。

2.汽車橋殼脹型工藝

傳統(tǒng)脹形時(shí)采用的模具有固定式、滑動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)，固定式結(jié)構(gòu)軸向推力完成不了大脹型，管徑和材料之間的滑動(dòng)使坯料不能模具形狀嚴(yán)格吻合;動(dòng)式液壓脹形模具可以克服固定式脹型模具缺點(diǎn)，但較大的垂直合模力，左右滑動(dòng)模塊進(jìn)給時(shí)與上下導(dǎo)板的摩擦力亦較大，滑動(dòng)模塊之間存在較大的懸空部分，可能出現(xiàn)管坯中部脹出模具型腔在合模時(shí)被壓成“飛邊”缺陷[4]。針對(duì)以上難點(diǎn)，采用了半滑動(dòng)式液壓脹形工藝。采用由中間固定模塊、左右滑動(dòng)模塊組成的半滑動(dòng)式模具。左右滑動(dòng)模塊分別采用整體結(jié)構(gòu)（或由軸向分模的兩部分組成），促使軸向推力有效作用于管坯大脹形部位，使單次脹形量大、同時(shí)承載著管坯傳遞的液體壓力，減低垂直合模力及其軸向進(jìn)給時(shí)與模具導(dǎo)向板之間的摩擦力，脹形時(shí)固定不動(dòng)，便于成形控制，避免出現(xiàn)脹裂、飛邊等缺陷。

車橋殼成型坯料在經(jīng)過(guò)多次縮頸后成為工序件1（圖2-1）（縮頸工藝和縮頸模具設(shè)計(jì)本文不展開），之后經(jīng)過(guò)預(yù)脹型和終脹型兩次脹形，工序件如圖2-2。經(jīng)過(guò)最終脹形后得到所研究后橋殼零件。

3.預(yù)脹形模具主要零件設(shè)計(jì)

1）固定模具的設(shè)計(jì)

預(yù)脹形的固定控制模具（圖3虛線框中零件）是與所設(shè)計(jì)的汽車后橋殼的預(yù)脹形坯料一致的，這樣設(shè)計(jì)方便脹形后直接在左右滑動(dòng)模具滑滑向兩側(cè)后取件，與滑動(dòng)模具通過(guò)滑動(dòng)鑲塊密封。

2）滑動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

為了使滑動(dòng)模塊能夠分擔(dān)液壓脹形時(shí)管坯的脹形力，降低液壓機(jī)的合截面合模力，滑動(dòng)模塊設(shè)計(jì)為整體式結(jié)構(gòu)。將左右兩個(gè)滑動(dòng)模塊都分為滑動(dòng)模具1、2和滑動(dòng)模具1、3（圖3）兩個(gè)部分，以減小單個(gè)零件的重量，方便拆裝。

4.終脹形模具主要零件設(shè)計(jì)和裝配

1）固定模具的設(shè)計(jì)

終脹形的固定控制模具（（圖3實(shí)線框中零件））是與所設(shè)計(jì)的汽車后橋殼的最終零件形狀一致，如圖所示3，取件密封功能實(shí)現(xiàn)和預(yù)脹型模具相同。

2）滑動(dòng)模具設(shè)計(jì)

由于第一次脹形滑動(dòng)模具和第二次脹形滑動(dòng)模具鼓包設(shè)計(jì)相適應(yīng)，第一次脹形的滑動(dòng)模具可以直接用到第二次脹形過(guò)程中，無(wú)需再次設(shè)計(jì)。

3）圖3為終脹形模具結(jié)構(gòu)圖，預(yù)脹型與終脹型模具只有21控制模具不同。由圖可看出，左滑動(dòng)模具由7滑動(dòng)模具1、12滑動(dòng)模具2組成，相應(yīng)的右滑動(dòng)模具由17滑動(dòng)模具3、7滑動(dòng)模具1組成。左右滑動(dòng)模具與21控制模、模具鑲塊組成整個(gè)橋殼的幾何形狀。密封鑲塊9與滑動(dòng)模具1通過(guò)過(guò)盈配合裝配在一起，滑動(dòng)模具1和滑動(dòng)模具2由銷釘固定在一起，這樣，整個(gè)左滑動(dòng)模固定為一個(gè)整體。右邊以同樣的方式固定在一起。左模固定液壓機(jī)上工作面，右模固定在液壓機(jī)下工作面，兩工作平面之間要有足夠的開度，使放入和取出管坯時(shí)有足夠的空間。裝配時(shí)，左、右模和控制模緊貼導(dǎo)板，導(dǎo)向板能夠起到定位的、導(dǎo)向作用。密封壓頭處由密封鑲塊密封壓頭采用內(nèi)嵌式組合密封形式。

1.導(dǎo)軌槽2.導(dǎo)軌3螺釘4墊片5.M12螺釘孔6.下導(dǎo)板7.滑動(dòng)模具18.密封壓頭9.密封鑲塊10.進(jìn)液口11.脹形胚料12.滑動(dòng)模具2 13.銷釘14.螺釘15.墊片16.滑動(dòng)鑲塊17.滑動(dòng)模具3 18.放液口19.螺釘20.墊片21.終脹型控制模具? 22.螺釘23.墊片24.螺釘25.墊片26.上導(dǎo)板

5 脹形模具功能實(shí)現(xiàn)

密封壓頭5是模具中極為重要的一個(gè)零件，它用于密封的接觸面為圓弧面，能夠很好地與滑動(dòng)模具和滑動(dòng)鑲塊配合，密封住管坯的端口，保證管坯內(nèi)的高壓液體不外泄。進(jìn)液口相對(duì)的口可以接一個(gè)傳感器，這樣能夠隨時(shí)測(cè)得管坯內(nèi)液體的壓力大小，并將其及時(shí)反饋到電腦，用以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跟蹤，一旦壓力出現(xiàn)異?？呻S時(shí)調(diào)整。脹形模具密封進(jìn)液處如圖5

滑動(dòng)模具在導(dǎo)板上是沿著滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)的，滑動(dòng)導(dǎo)軌以及導(dǎo)軌槽的硬度和耐磨度要求比較高，因此做成鑲塊形式以節(jié)約成本。

脹形坯料放入脹形模具后，固定模具兩側(cè)的滑動(dòng)模具在液壓機(jī)的控制下壓緊坯料口，此時(shí)坯料內(nèi)部形成密封空間，此時(shí)高壓液體由進(jìn)液口注入，隨著注入的液體增多，中間部分未與固定模具接觸的地方開始脹形，同時(shí)，固定的滑動(dòng)模具在液壓機(jī)的作用下同時(shí)向中間固定模具靠近，以便脹形過(guò)程中的給料，脹形繼續(xù)進(jìn)行，隨著坯料內(nèi)部壓力的繼續(xù)增加，滑動(dòng)模具緊靠固定模具后，滑動(dòng)模具保持位置不變，壓力繼續(xù)增加使得脹形過(guò)程完全貼模后保持壓力不變一段時(shí)間。取件時(shí)放液口打開，坯料內(nèi)部壓力降低，液體完全放出后，滑動(dòng)模具在液壓機(jī)的帶動(dòng)下滑向兩側(cè)，此時(shí)可以取出制件，進(jìn)行下一次脹形或者換固定模具進(jìn)行最終脹形。

參考文獻(xiàn)

[1]李偉，韓英淳，史文庫(kù).輕型車后橋殼液壓脹形仿真與實(shí)驗(yàn)研究.2007.

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[3]李繼光，宮海蘭，王忠金.薄壁零件粘性介質(zhì)外壓多道次縮徑研究.鍛壓技術(shù)，2010.

[4]郎利輝. 內(nèi)高壓液力成形缺陷產(chǎn)生及其失效分析[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)，2001.

作者簡(jiǎn)介：

徐蓉（1990-），女，漢族，湖北應(yīng)城，沖壓工藝/助理工程師，本科，東風(fēng)柳州汽車有限公司，沖壓方向。

張羅（1991-），男，漢族，湖北襄陽(yáng)，沖壓工藝/助理工程師，本科，東風(fēng)柳州汽車有限公司，沖壓方向。