驅動橋殼一體化結構和制造技術研究現狀及發(fā)展趨勢（下）

文／岳峰麗，孫小婷·沈陽理工大學汽車與交通學院

陳大勇，宋鴻武，徐勇，張士宏·中國科學院金屬研究所師昌緒先進材料創(chuàng)新中心

《驅動橋殼一體化結構和制造技術研究現狀及發(fā)展趨勢》(上)見《鍛造與沖壓》2023 年第2 期

一體化橋殼的制造工藝

整體式橋殼的加工制造工藝，主要有整體鑄造、機械脹形及液壓脹形等。

整體鑄造工藝

作為橋殼最先采用的制造工藝，整體鑄造工藝通常選取鑄鐵(球墨、可鍛)和鑄鋼制造橋殼。該工藝制造出的橋殼兩端需壓入無縫鋼管，這是為了增強橋殼的強度和剛度，而無縫鋼管替代了半軸套管的功能并用銷釘對其固定。整體鑄造工藝易鑄成等強度梁，鑄造橋殼的壁厚相對較大，各處橋殼的壁厚可以根據實際使用情況下的強度、剛度性能和結構，進行優(yōu)化設計和調整。李世星等人針對整體鑄造工藝生產出的某橋殼存在的縮孔缺陷和部分結構的變形情況，對該整體鑄造工藝進行優(yōu)化設計。改進后的鑄造方案如圖6 所示，實際澆鑄單件產品如圖7 所示。

圖6 改進后鑄造工藝方案

圖7 鑄件成品

該制造工藝生產出的橋殼具有很多優(yōu)點，橋殼的強度、剛度性能較好，實際生產工作靈活，可制造復雜且不規(guī)則的橋殼，工作可靠。與之相對，該工藝的缺點也較為明顯，產出的橋殼比較笨重、耗材、耗能，工藝過程易出故障而產生缺陷，生產周期較長且生產過程中存在污染問題，而且橋殼的結構性能較差，所以目前此類橋殼多用于重型車。

機械式脹形工藝

作為一種新興的橋殼制造工藝，機械式脹形是通過介質或芯模將管坯直接加工成橋殼的制造方法，在適當位置按需求對管坯進行開孔處理。后用熱、冷縮徑工藝的方法取代橋殼軸端的焊縫，這不僅增強了橋殼的強度性能，而且提高了橋殼的材料利用率。但該工藝的缺點也較為明顯，在脹形過程中隨著管坯變形量的增加，開孔的中間區(qū)域容易失穩(wěn)而產生褶皺，相對應的兩端區(qū)域受到的應力集中而導致壁厚急劇減薄(圖8)，若拉應力繼續(xù)增加至超過抗拉強度時，該區(qū)域將產生橫向拉裂現象，這不利于橋殼零件的強度性能和后續(xù)加工過程。

圖8 機械式脹形橋殼

由上述內容可知在機械式脹形過程中可考慮借助軸向載荷輔助橋殼成形，在生產中利用壓力機滑塊對管坯兩側施加軸向載荷，用以輔助橋殼的徑向擴張，在此過程中直至充分成形，橋殼本體都沒有發(fā)生斷裂現象(圖9)，中間區(qū)域沒有出現褶皺現象而兩端區(qū)域也沒有出現減薄缺陷情況，這足以說明在加工過程中軸向載荷輔助的重要性。

圖9 軸向輔助載荷后的橋殼

隨著日益增加的節(jié)能減排、環(huán)境保護的需求，輕量化越來越受到人們的重視和關注。加之整體鑄造以及機械脹形工藝存在的問題，近幾十年來，很多學者在積極探索替代工藝，其中液壓脹形工藝就是一種特點明顯的整體式橋殼成形工藝。

液壓脹形工藝

液壓脹形工藝作為一種先進的橋殼加工技術，進行管坯徑向擴張時利用高壓液體作為介質將中間部分成形至工藝要求，因此一些機構也將該工藝稱為內高壓成形(Internal High Pressure Forming，IHPF)。該工藝最早可以追溯到20 世紀40 年代，以GRAY 等利用無縫金屬管加工至T 形三通管為開端。

近年來，液壓脹形在橋殼上的應用已經達到脹-壓復合成形時期，這意味著先將管坯端部縮徑至尺寸要求，再對鋼管中部進行高壓成形成為預成形管坯，最后用模具在內部液壓的配合下壓制成形，得到大尺寸復雜結構橋殼產品。預成形管坯(圖10)經充液壓制成形試驗得到橋殼樣件如圖11 所示。

圖10 液壓脹形預成形管坯

圖11 充液壓制橋殼樣件

燕山大學王連東教授等人對液壓脹形工藝在橋殼上的應用進行了深入的研究，主要集中在成形工藝、實驗設備、理論依據等方面，并前瞻性地提出汽車橋殼脹-壓成形工藝，經反復探索通過專用液壓脹形設備，成功制造出了性能良好的0.75t 汽車橋殼制件，現在已經實現批量化生產。

汽車橋殼結構屬于不規(guī)則截面管類零件，難以只通過液壓脹形完成橋殼，坯料制備方法的研究是液壓成形面臨的主要問題。崔亞平等人提出將滿足尺寸要求的無縫鋼管作為坯料，首先將鋼管坯料兩端縮徑，再將坯料中部高壓成形至理想形狀的預成形管坯，在最后的壓制成形階段，因為目標橋殼帶有后蓋和附加前蓋，所以在模具的輔助作用下對管坯充液成形壓制成理想的橋殼零件。使用分析軟件對管坯的預脹形進行數值模擬，若是分析參數設置合理，則計算結果與試驗成果的橋殼尺寸和厚度趨于一致，同時這也說明了模擬分析的可行性。

燕山大學王連東等人以載重5 噸的中型卡車橋殼為研究對象，利用有限元分析軟件模擬了前、后蓋半徑各異的預成形管坯在液壓脹形工藝下的全部成形步驟，確定了所需要的系數；在有限元模擬的基礎上進行了脹-壓成形試驗，制得樣件的壁厚值與模擬值基本吻合。燕山大學彭加耕等人以某載重5 噸的汽車橋殼為研究對象，利用有限元分析軟件模擬了直臂部分在脹-壓成形過程中壓制成方管的工藝過程，分析得出充液壓制成形過程中直邊區(qū)域變形的干擾因素，結合汽車橋殼的臺架經驗，整理出方管無表面凹陷時壓制模具的結構尺寸參數，其中坯料的預成形工藝如圖12 所示。

圖12 某載重5t 卡車橋殼坯料預成形工藝

王曉迪等人使用有限元軟件對預成形管坯在液壓脹形工藝下管件的多向壓制過程進行計算模擬，液壓脹形有限元模型和充液壓制有限元模型分別如圖13和圖14 所示。

圖13 液壓脹形有限元模型

圖14 充液壓制有限元模型

與傳統(tǒng)的橋殼生產工藝相比，液壓脹形制造工藝兼?zhèn)涔に囘^程精簡、節(jié)能省材、經濟效益好及生產效率高等優(yōu)點，該工藝在橋殼上的應用還在繼續(xù)創(chuàng)新和優(yōu)化，在如今的大環(huán)境下，相關學者們更應該聚焦橋殼的加工過程，改進整合液壓脹形工藝，以便增強橋殼產品的加工效率和多方面結構性能。

未來發(fā)展趨勢

“中國制造2025”提出汽車制造指標輕量化，明確了作為汽車重要零部件的橋殼，其未來的發(fā)展趨勢是輕量化、高精度化，在確保汽車橋殼本身的安全及正常工作狀態(tài)下無異響等缺陷，確保良好的服役性能。

作為橋殼制件一體化成形制造方法的液壓脹形工藝，初始坯料多采用大直徑管坯兩端縮頸的方式，容易造成預制管坯壁厚差異大等問題。如果未來將該技術應用于中重型汽車橋殼，并實現量產，則需要重新考量預制坯的工藝，目前有研究單位開始相關研究工作，通過特殊的制坯方法可以獲得壁厚相對更加均勻的坯料，配合液壓脹形工藝進行后續(xù)成形，有望解決一體化橋殼高效、高精度成形難題。另外，還需進一步考慮成形過程幾何和材料性能變化的輕量化結構優(yōu)化設計等，特別是對于徑向尺寸較大的重型汽車橋殼，其中間最大徑向尺寸相較于小型汽車橋殼多出兩倍以上，橋殼的結構性能不但關系到可靠性和耐久性，還直接影響到車輛使用過程中的安全性，所以需要結合橋殼的結構優(yōu)化設計，優(yōu)化處理橋殼結構參數以達到增加橋殼結構強度、減小橋殼整體質量的目標。

結束語

由于環(huán)境和資源問題的嚴峻挑戰(zhàn)以及我國“雙碳”方針政策的推出和實施，輕量化越來越受到人們的重視和關注，對于汽車橋殼的設計和加工而言，如何實現零件的重量減輕以及開發(fā)出一體化、高效的加工工藝成為突破瓶頸問題的關鍵。

本文對近十年關于汽車橋殼的相關研究文獻進行系統(tǒng)梳理，旨在為后續(xù)的橋殼結構設計與優(yōu)化和加工工藝設計提供一定思路和借鑒。通過橋殼斷裂失效及疲勞壽命研究、橋殼結構優(yōu)化方法、整體式橋殼的制造工藝及未來趨勢等幾個方面的文獻梳理，可以發(fā)現液壓脹形工藝是目前以及今后一定階段內橋殼較為理想的成形方法。為了更好地實現輕量化，還需要借助有限元分析軟件對各種工況下的橋殼強度、變形量、成形工藝等進行定量仿真分析，根據分析結果對成形工藝提出優(yōu)化方向和指導。此外，在橋殼結構優(yōu)化方面，按照零部件的規(guī)則程度，采取各種優(yōu)化相結合的方法對驅動橋進行輕量化設計。通過以上一系列的舉措，可以實現新型輕量化橋殼零件的一體化、高效化、高精度化、高性能化成形。