U 形扭力梁充液成形技術(shù)研究

韋明鳳， 李峰華， 謝亞蘇， 成 剛

（1.廣西汽車集團(tuán)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

輕量化技術(shù)使汽車在減少車身自重的同時(shí)保證行車的安全性和舒適性[1，2]，所以該技術(shù)在汽車工業(yè)應(yīng)用日益受到關(guān)注。 汽車輕量化主要通過優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)和采用輕質(zhì)材料兩方面來減輕車身重量， 研究表明汽車車身每降低100kg 每百公里耗油能降低0.6L[3]。

扭力梁由于其低成本、 易制造和節(jié)約空間的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在在汽車底盤結(jié)構(gòu)中， 作為主要承扭部件其強(qiáng)度、剛度和疲勞性能對(duì)汽車性能有關(guān)鍵影響[4]。 傳統(tǒng)成形扭力梁多采用板材沖壓成形板狀U 型或者V 型梁，梁中增加實(shí)心桿來增加抗扭性能[5]，相對(duì)于板狀梁，異性截面管狀中空梁在保證抗扭和疲勞性能的前提下能大大降低扭力梁自身重量，所以管狀梁逐漸替代板狀梁應(yīng)用在汽車工業(yè)中。管材充液成形其采用柔性液體作為傳力介質(zhì)在成形過程中能保證材料流動(dòng)均勻性，最終提高成形精度及成形質(zhì)量，對(duì)于異形截面中空管件有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6]。

德國(guó)和日本最先開展將管材充液成形技術(shù)應(yīng)用到扭力梁成形中，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)管材充液成形的研究主要集中在哈爾濱工業(yè)大學(xué)苑世劍教授和北京航空航天大學(xué)郎利輝教授。苑世劍教授對(duì)管材充液成形過程中起皺產(chǎn)生機(jī)理分析、有益皺紋的利用以及通過優(yōu)化工藝參數(shù)避免有害皺紋的產(chǎn)生進(jìn)行了深入研究[7-9]，為管材充液成形過程起皺形為的控制提供了理論以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。郎利輝教授通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)新的彎脹工藝成形小半徑彎頭[10]，并優(yōu)化充液壓制工藝成功成形高強(qiáng)鋼扭力梁，在保證成形精度的同時(shí)降低了成形壓力[11]。

預(yù)成形工藝對(duì)零件最終成形質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，不同的預(yù)制坯能決定終成形工藝的困難程度以及成形質(zhì)量[12]。管材充液成形過程中管材壁厚的嚴(yán)重減薄甚至破裂是典型的成形難點(diǎn)，相對(duì)于常見的直線型扭力梁，U 形扭力梁充液成形過程補(bǔ)料難度將大大增加， 并且管材彎曲外側(cè)壁厚在彎管后脹形也極易造成壁厚減薄甚至破裂，本文將針對(duì)U 形扭力梁的充液成形工藝進(jìn)行優(yōu)化并展開研究。

1 零件分析

1.1 零件特征

零件三視及截面剖視圖如圖1 所示，零件左右對(duì)稱，整體呈U 形彎曲，截面呈V 形，凹陷深度從零件中部區(qū)域到端部逐漸降低， 零件截面周長(zhǎng)如圖2 所示， 可以看出， 截面周長(zhǎng)從中間向兩端逐漸增加， 最小截面周長(zhǎng)為304.564mm， 位于零件中央位置， 零件截面周長(zhǎng)最大為330.326mm，位于端部區(qū)域，可以得出該設(shè)計(jì)零件的膨脹率為8.5%， 零件材料為S420MC 高強(qiáng)鋼， 屈服強(qiáng)度491MPa， 抗 拉 強(qiáng) 度757MPa。

圖1 零件三視圖及截面圖

圖2 零件截面周長(zhǎng)

1.2 成形難點(diǎn)分析

扭力梁整體呈U形彎曲， 相對(duì)于直線型扭力梁， 彎曲扭力梁補(bǔ)料更加困難。 U形扭力梁在終成形之前需要進(jìn)行預(yù)壓彎工藝， 預(yù)制坯在壓制完成后會(huì)發(fā)生回彈，從而在放入終成形模具中時(shí)易發(fā)生啃模。 在零件中間到兩端之間的過渡段V 形頂部圓角半徑較小， 直接通過充液脹形所需壓力較大，對(duì)設(shè)備要求較高，增加成本。

2 工藝方案制定

選取初始管坯半徑較大時(shí)， 管材放入模具中易發(fā)生啃模， 所以按照設(shè)計(jì)零件最小截面周長(zhǎng)選取初始管坯能有效避免該缺陷發(fā)生，選取半徑為96mm 的管坯。 為了降低零件在終成形時(shí)的成形壓力， 在彎管之前設(shè)計(jì)預(yù)脹形工序， 把初始等徑直管脹形成與目標(biāo)零件等效直徑相同的變徑直管，使管材的環(huán)向脹形發(fā)生在預(yù)成形階段，使在終成形階段成形壓力僅需使壓制完畢后的管件貼模。 據(jù)此，設(shè)計(jì)的工藝流程圖如圖3 所示。

圖3 工藝流程圖

3 有限元數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬采用DYNAFORM 進(jìn)行有限元分析，由于零件以及模具為軸對(duì)稱形狀，為節(jié)約模擬時(shí)間，采用一半模型進(jìn)行模擬，在DYNAFORM 中設(shè)置軸對(duì)稱約束，兩步預(yù)成形以及終成形有限元模型建立如圖4 所示。

圖4 有限元模型建立

在初步預(yù)脹形過程中為簡(jiǎn)化模擬，模具未分上下模，模具內(nèi)腔的截面半徑與目標(biāo)零件外表面等效直徑相同，目標(biāo)零件壁厚為3.5mm，所以選取管坯壁厚t0=3.5mm，初始管材直徑D0=96mm，材料屈服應(yīng)力σs=491MPa，為忽略軸向應(yīng)力作用， 管材開始發(fā)生塑性變形所需的初始屈服壓力為：

為保證零件完全貼模，采用50MPa 脹形壓力，模擬時(shí)間縮短為0.001s ，脹形后管材厚度分布如圖5 所示，在管材中間部位即形膨脹率較小部位壁厚基本沒變， 隨著向端部延伸，膨脹率逐漸變大，管材厚度逐漸降低，壁厚最薄位置位于靠近管端部位，最大減薄率達(dá)到5%。

圖5 預(yù)脹形模擬成形結(jié)果

進(jìn)行管材壓彎工藝模擬時(shí)， 以管材預(yù)脹形模擬結(jié)果作為初始管坯， 這樣可以保留第一步成形結(jié)束后的應(yīng)力應(yīng)變以及變形信息。 第二步壓彎工藝軸線與目標(biāo)零件設(shè)計(jì)軸線相同，模擬結(jié)果如圖6 所示，由圖可以看出在管材端部由于彎曲半徑較大，幾乎相當(dāng)于直線段，所以該部位在彎曲后跟第一步脹形結(jié)束壁厚幾乎沒有變化， 在中間截面處，彎管前管材壁厚幾乎沒有變化，并且呈圓形，而在彎管后該位置壁厚發(fā)生變化比較大， 在彎曲內(nèi)側(cè)管材壁厚增加，在彎曲外側(cè)壁厚減薄較為嚴(yán)重，并且截面形狀已經(jīng)發(fā)生畸變， 如圖7 所示， 由于該位置膨脹率幾乎為0，所以充液整性沒有較大影響，所以壓彎過程沒有采用內(nèi)壓支撐。

圖6 彎曲成形模擬結(jié)果

圖7 彎曲前后截面對(duì)比圖

彎管成形工藝后進(jìn)行充液成形， 由于彎曲成形后管材會(huì)發(fā)生回彈， 水平在放入充液成形模具中時(shí)會(huì)由于管材不能完全進(jìn)入模具在合模過程中發(fā)生啃模， 所以終成形模具下模采用分體形式， 在浮動(dòng)壓塊固定管端部分后上下模具再進(jìn)行合模，合模完畢后開始充液增加內(nèi)壓力，以150MPa 為例，終成形工藝設(shè)計(jì)路徑如圖8 所示。

圖8 充液終成形路徑

由于零件在預(yù)脹形后管材截面周長(zhǎng)與設(shè)計(jì)零件等效截面周長(zhǎng)相同，所以終成形過程基本不會(huì)發(fā)生環(huán)向脹形，為了研究不同成形壓力對(duì)零件貼模度影響， 分別采用不同成形壓力對(duì)零件進(jìn)行最終整形， 液壓加載路徑如圖9所示，分別采用30MPa，60MPa，90MPa，120MPa，150MPa，180MPa 和200MPa 進(jìn)行模擬，分別以管材中央V 形區(qū)域與管端膨脹率較大部位圓角區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，如圖10 測(cè)量管材外表面與模具之間距離， 不同成形壓力下零件貼模度結(jié)果如圖11 所示。

圖9 不同內(nèi)壓加載路徑

圖10 管材外表面與模具之間距離

圖11 不同內(nèi)壓下兩截面零件與模具距離

由圖可以看出當(dāng)模具合模后雖然零件與模具有相同的等效截面周長(zhǎng)，但是由于沒有內(nèi)壓支撐，零件截面發(fā)生畸變，致使零件外表面與模具內(nèi)腔產(chǎn)生較大空隙，隨著內(nèi)壓的增加，零件逐漸貼模，當(dāng)內(nèi)壓增加到150MPa 以上時(shí)，零件已經(jīng)基本完全貼模。

若在忽略第一步與預(yù)脹形直接采用彎管之后再高壓整性的方法，最小特征圓角半徑：

rc=7mm

則整形壓力為：

因此預(yù)脹形能有效降低成形所需最高成形壓力，能降低模具噸位、損耗以及節(jié)約成本。 圖12 為截面節(jié)點(diǎn)分布圖和管材中間截面凹陷深度最深部位和管材膨脹率較大的部位的在三步成形過程的壁厚分布情況， 可以看出在零件中間部位，由于零件在該位置幾乎沒有膨脹率，所以在預(yù)脹形后壁厚幾乎沒變，在第二步彎管成形后，在彎曲內(nèi)側(cè)即點(diǎn)14-25 部位，零件壁厚增加，而在彎曲外側(cè)即點(diǎn)1-13，零件壁厚有所減薄，而截面二由于位于膨脹率較大的部位，在第一步預(yù)脹形后該部位發(fā)生均勻減薄，在第二步彎管成形過程該部位基本沒有發(fā)生彎曲， 所以壁厚沒有變化，當(dāng)進(jìn)行最后成充液整形后，在圓角部位，由于壓制過程以及最終內(nèi)壓整形使其發(fā)生半徑較小的彎曲，在該位置壁厚發(fā)生減薄，而在V 形區(qū)域內(nèi)側(cè)即節(jié)點(diǎn)1附近以及頂部底部中間的過渡區(qū)， 由于成形過程主要承受壓應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致壁厚有所增加。

圖12 壁厚分布圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

采用預(yù)脹形-壓彎-充液成形工序， 采用150MPa 整形壓力成形后合格零件如圖13 所示。

圖13 合格零件圖

5 結(jié)論

通過管材充液成形可以提高扭力梁的成形精度及成形質(zhì)量， 不同的預(yù)制坯形狀對(duì)最終充液成形工藝參數(shù)有著重要影響， 可以通過設(shè)計(jì)優(yōu)化預(yù)成形工藝來降低最終所需成形壓力。

彎管成形過程中，零件外側(cè)由于拉伸變形會(huì)導(dǎo)致管材壁厚減薄，是之后脹形發(fā)生破裂的危險(xiǎn)區(qū)，彎曲內(nèi)測(cè)會(huì)由于壓縮變形而使材料堆積，導(dǎo)致壁厚增加，是起皺的危險(xiǎn)區(qū)域。

模具設(shè)計(jì)過程中合理的分模面選擇能有效避免啃模的發(fā)生。