王連東 楊東峰 崔亞平 陳國強

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

管材液壓脹形工藝具有簡化制造工藝、減輕制件質(zhì)量、提高制件強度剛度等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛用于航空、航天和汽車等領(lǐng)域。針對形狀復(fù)雜的管類件，需要先對初始管坯進(jìn)行預(yù)成形，再進(jìn)行液壓脹形成形。文獻(xiàn)［1］用商業(yè)有限元軟件數(shù)值模擬了預(yù)成形管在不同的內(nèi)壓與軸向進(jìn)給條件下的液壓脹形，研究了預(yù)成形對液壓脹形成形性能的影響，預(yù)測了極限變形，并與無預(yù)成形管進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)［2］用有限元法分析了橢圓彎管在旋轉(zhuǎn)式拉彎機(jī)上的成形過程。苑世劍等［3］關(guān)于轎車副車架液壓脹形進(jìn)行了大量的研究，將預(yù)脹形管坯橫截面壓制成凹曲線狀，有效減小了成形時的液體脹形壓力。

汽車橋殼屬異型截面復(fù)雜管類件，要求有較高的強度剛度，選擇無縫鋼管用液壓脹形制造，理論上科學(xué)合理。20世紀(jì)80年代，日本學(xué)者用液壓脹形方法試制出微型汽車橋殼樣件［4－5］，取得一些寶貴經(jīng)驗。本世紀(jì)初，有學(xué)者針對微型汽車橋殼的液壓脹形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬［6］。燕山大學(xué)在汽車橋殼半滑動式液壓脹形的工藝?yán)碚?、成形技術(shù)等方面做了一定的研究［7－8］。目前，液壓脹形工藝尚無法用于汽車橋殼的工業(yè)化生產(chǎn)，主要在于其形狀復(fù)雜，難成形，脹形壓力大，壁厚減薄量大。

近期，燕山大學(xué)提出了脹壓成形汽車橋殼的工藝：選擇一定規(guī)格的無縫鋼管，先將其兩端縮徑，中間部分液壓脹形，得到軸對稱的預(yù)成形管坯，內(nèi)部充液后再用模具壓制成形，得到異型截面的樣件。本文結(jié)合某小型汽車橋殼模擬樣件，著重分析了預(yù)成形管坯壓制成形的變形過程以及壁厚的分布。

1 小型汽車橋殼樣件脹壓成形工藝簡介

選擇某小型橋殼，研究脹壓成形工藝過程。該橋殼總長1050mm，中間截面最大高度212mm，兩端部分外徑φ67mm，受到液壓機(jī)開間的限制將原橋殼兩端直臂部分長度分別縮減290mm，橋殼樣件總長度為470mm，如圖1所示。選用初始直徑102mm、壁厚5.5mm的20無縫鋼管，兩端縮徑中間部分液壓脹形后得到軸對稱狀的預(yù)成形管坯（圖1b），去應(yīng)力退火后再對其內(nèi)部充液，外部用模具進(jìn)行壓制，成形為異型截面的橋殼樣件（圖1c）。

2 壓制成形變形分析

2.1 橫截面變形分析

截取管坯中間橫截面（僅繪出外表面），分析橋包部分最大截面的變形過程，如圖2所示。圖2a所示為壓制開始狀態(tài)，管坯外圓上除b點、c點與上模接觸，e點、f點與下模接觸外，其余部分均未與模具型腔貼模，其中左段圓弧be的g點，右段圓弧cf的h點靠近左側(cè)模、右側(cè)模，而上段圓弧bc的a點、下段圓弧ef的d點距離上模型腔、下模型腔較遠(yuǎn)。

圖1 某小型汽車橋殼脹壓成形工藝

圖2 橫截面變形過程

壓制時，左側(cè)模、右側(cè)模先運動到位后（圖2a），上模向下運動、下模向上運動。上段弧bc兩端受到模具壓縮向下運動，中間部分在液體內(nèi)壓作用下向外擴(kuò)張，逐漸靠向上模型腔，壁厚不斷減薄；下段ef逐漸靠向下模型腔。

左段弧be受到壓彎，上下端相向運動不斷靠近，中間部分向外擴(kuò)張，遇到側(cè)模阻礙后，原來的一段圓弧變成一段豎邊和上下兩段弧（圖2b）；隨著上下模的進(jìn)一步運動，上下兩段圓弧進(jìn)一步被壓彎，其曲率半徑不斷變小，并逐漸出現(xiàn)水平直邊，同時豎邊變長，其壁厚減??；右段弧cf的變形與左段be的變形類似。

上下模運動到位時（圖2c），橫截面左右兩側(cè)的直邊、圓角均已成形；上段弧b2c2、下段弧e2f2仍未貼模，需通過增加液壓，使其進(jìn)一步脹形直至貼模，同時壁厚進(jìn)一步減薄，其中a3點、d3點壁厚最小。

由橋包部分橫截面壓制過程中的變形可知，上下段圓弧主要發(fā)生脹形，壁厚不斷減??；左右段圓弧的變形屬于在內(nèi)壓作用下的折彎，以折彎為主以脹形為輔。管坯橫截面的大小對成形性的影響至關(guān)重要。

預(yù)成形管坯橫截面大小合適時，左右側(cè)的過渡圓角大小合適，直邊部分輪廓清晰，過渡圓角部分的壁厚增厚，豎邊部分壁厚略減??；上下段圓弧經(jīng)過適當(dāng)脹形擴(kuò)徑，壁厚減薄。若預(yù)成形管坯橫截面過小，上下段圓弧的脹形量大，壁厚減薄量大，易脹裂；左右段圓弧成形中亦需一定的脹形，壁厚仍有一定的減薄，需要的液體壓力應(yīng)適當(dāng)增大。若管坯的橫截面過大，上下段圓弧的脹形量小，但左右段圓弧壓彎時，過渡圓角過小，上下模壓制力大，甚至壓不到位。

假定預(yù)成形管坯橋包部分的周長Ly與樣件對應(yīng)橫截面周長Lw存在一定的比例關(guān)系，即

其中，k為截面系數(shù)。有限元模擬及試驗研究表明，當(dāng)截面系數(shù)k＝0.96～0.98時，壓制時樣件的成形性較好。

2.2 縱截面變形

截取過軸線及橋包部分上下蓋最高點的縱向截面（僅繪出外表面），分析其變形過程。圖3a所示為壓制開始狀態(tài)，管坯縱截面上只有j點、m點與上模型腔接觸，q點、s點與下模型腔接觸。壓制時，管坯上j點、m點附近區(qū)域被上模壓下，斜線ij段、mn段的斜度逐漸減小直至被壓平，弧jm在液體內(nèi)壓作用下向外擴(kuò)張，逐漸靠向上模型腔，同時壁厚不斷減薄。軸線下方，oqrst的變形亦類似。

上下模壓制到位時（圖3b），上段弧j1m1、下段弧q1s1仍未貼模，需通過增加液壓，使其進(jìn)一步脹形，直至貼模，同時壁厚進(jìn)一步減薄，其中k1點、r1點壁厚最小。

綜合管坯橫截面、縱截面上的變形，可知橋包部分的前蓋、后蓋部分，在上下模運動到位后，均需增加液體壓力脹形擴(kuò)徑貼模，致使壁厚減薄量較大，若控制不當(dāng)容易開裂，如圖4所示。

圖3 縱截面變形過程

圖4 開裂樣件

3 壓制成形有限元模擬

針對圖1所示的脹壓成形工藝，使用有限元分析軟件ANSYS模擬初始管坯的縮徑及液壓脹形制坯過程，得到預(yù)成形管坯（圖1b）后，再模擬壓制成形過程。鑒于預(yù)成形管坯結(jié)構(gòu)對稱，只建立1／4模型進(jìn)行分析。使用Solid45單元對預(yù)脹形管坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立剛－柔接觸，通過在管坯內(nèi)部施加壓力載荷在模具上施加位移來模擬管坯的預(yù)脹形壓制成形過程。

圖5所示為預(yù)成形管坯壓制成形時的有限元模型。壓制時下模及側(cè)模不動，上模自初始位置下壓53mm至上下模最小間距為67mm時合模。壓制時內(nèi)壓p0按下式確定：

式中，t1為預(yù)成形管坯最大外徑處壁厚的平均值，其值為4.0mm；d1為管坯的最大外徑，其值為207mm；σs為材料初始屈服極限，其值為320MPa。

圖5 有限元模型

上模壓下1／3行程時，橋包部分已初見一定的輪廓；上模壓下2／3行程時，橋包部分輪廓已經(jīng)部分成形，前后蓋尚未貼模，過渡圓角較大；上模運動到位后，即上下模合模時，橋包部分輪廓已經(jīng)成型，過渡圓角尺寸基本到位，但前后蓋尚未貼模（圖6），其中前蓋與上模型腔的最大間距為7.58mm，后蓋與下模型腔的最大間距為4.07mm。合模后，將液壓增至40MPa，得到了外形輪廓清晰的樣件（圖7），橫截面過渡外圓角半徑達(dá)到8mm。

圖6 上下模合模時管坯

圖7 壓制成形樣件

改變壓制成形過程中管坯內(nèi)液體壓力，模擬成形過程，結(jié)果表明：隨著內(nèi)壓的減小，上下模合模時橋包部分前后蓋與上下模型腔的間距增大，校形時需要的壓力增大；無內(nèi)壓時，前蓋處的最大間距為10.04mm，后蓋處的最大間距為7.20mm，內(nèi)壓大于80MPa時前蓋方能貼模，前蓋脹形量大，壁厚減薄量大，極易發(fā)生圖4所示的脹裂。

4 壓制成形試驗

4.1 壓制成形模具

在YA32－315液壓機(jī)上進(jìn)行初始管坯的縮徑、脹形試驗，得到預(yù)成形管坯，再對其內(nèi)部充液并用模具進(jìn)行壓制，得到異型截面的樣件。壓制成形模具（圖8）主要由前模塊14、后模塊9、上模塊15、下模塊16、左壓頭4、右壓頭12組成。上模塊15、下模塊16分別固定在液壓機(jī)的活動橫梁及工作臺上，下模塊16兩側(cè)的前模塊14、后模塊9之間用4個橫拉桿通過螺母連接。管坯10兩端的左壓頭4、右壓頭12之間用縱拉桿1聯(lián)接通過螺母緊固保證管端密封?？v拉桿1與左右壓頭之間有O形密封圈。左壓頭上安有充液管接頭，右壓頭上有泄壓閥及壓力傳感器。

4.2 壓制成形過程

先將左壓頭4、右壓頭12裝在管坯10上，緊固縱拉桿1兩端的螺母2；將裝好壓頭的管坯組件放到下模塊上；裝入橫拉桿7，緊固螺母8，直至前模塊14、后模塊9靠在下模塊的側(cè)面上；向管坯10充液；上模塊15壓下，直至合模。壓制中泄壓閥11的初始壓力設(shè)定為12MPa，合模后壓力增加至40MPa，得到橋殼樣件，如圖9所示。與傳統(tǒng)液壓脹形工藝制造的橋殼樣件［7－8］相比，脹壓成形橋殼樣件輪廓清楚，橫截面過渡小圓角貼膜性好，而且成形所需的最高液體壓力僅為40MPa，明顯小于前者的100MPa。

圖8 壓制成形模具

圖9 壓制成形樣件

4.3 樣件壁厚分布

針對壓制成形樣件，用過其軸線且相互垂直的水平面（x面）、鉛直面（y面）及軸向中間橫截面（z面）將樣件剖開（圖10），分別測量三個面上的壁厚。沿軸向由內(nèi)到外每間隔10mm選點測量x面、y面上壁厚；在橫截面上，從x面起始向y面方向，每間隔8mm（曲線長度）選取測量點，測量20個點處的壁厚。

圖10 橋殼樣件解剖圖

（1）縱向截面上壁厚。y面上壁厚變化曲線如圖11a所示，中間橋包部分壁厚減薄，最小壁厚為3.82mm，較初始壁厚5.5mm減小30.55%；端部縮徑部分壁厚增厚，最大值為7.80mm，較初始壁厚5.5mm增大41.82%。x面上壁厚分布趨勢與y面上大致相同，橋包部分壁厚略小。

（2）橫截面上壁厚。z面上壁厚變化如圖11b所示。對應(yīng)圖1cA－A截面，過渡圓角處壁厚大于直線段及大圓弧段的壁厚。過渡圓角處的最大壁厚為4.60mm，大圓弧段中間點處的壁厚最小，其值為3.78mm，較最大壁厚小17.83%。

由圖11中的有限元模擬樣件的壁厚分布可知：有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢相同，鑒于試驗樣件初始管坯壁厚存在一定的偏差，與試驗值相比模擬值存在一定差異，橫截面上的壁厚最大差值為5.3%，縱截面上的最大壁厚偏差為5.4%。

圖11 樣件壁厚分布

5 結(jié)論

（1）理論分析與有限元模擬表明，預(yù)成形管坯壓制成形汽車橋殼樣件的過程中，橋包部分的前蓋、后蓋部分進(jìn)一步發(fā)生脹形，軸向、周向上產(chǎn)生伸長變形，壁厚減薄量大；其他部分的變形以折彎為主，預(yù)成形管坯大小適當(dāng)，則其成形效果好，輪廓清晰，過渡小圓角合適。

（2）對壓制成形橋殼樣件研究結(jié)果：在縱向剖面上，端部縮徑部分壁厚增厚，最大增厚量為41.82%，中間橋包部分壁厚減薄，最大減薄量為30.55%；在中間橫截面上，過渡圓角處壁厚較大，大圓弧段的壁厚較小，最小壁厚值較最大壁厚小17.83%。

（3）汽車橋殼的脹壓成形工藝，初步解決了該類件傳統(tǒng)液壓脹形時存在的成形性不好、壁厚分布不科學(xué)、脹形液體壓力大的瓶頸問題。

［1］Nikhare C，Narasimhan K.Effect of Prestrain on Formability and Forming Limit Strains during Tube Hydroforming［J］.Computers，Materials and Continua，2008，7（3）：129－138.

［2］Lee H，Tyne C J，F(xiàn)ield D.Finite Element Bending Analysis of Oval Tubes Using Rotary Draw Bender for Hydroforming Applications［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，168（2）：327－335.

［3］苑世劍，王小松.內(nèi)高壓成形技術(shù)研究及最新進(jìn)展［J］.塑性工程學(xué)報，2008，15（2）：22－30.Yuan Shijian，Wang Xiaosong.Developments in Researches and Applications of Tube Hydroforming［J］.Journal of Plasticity Engineering，2008，15（2）：22－30

［4］Terumori Ueda.Differential Gear Casting for Automobiles by Liquid Bulge Forming Processs［J］.Sheet Metal Industries，1983，60（3）：181－185.

［5］Terumori Ueda.Differential Gear Casting for Automobiles by Liquid Bulge Forming Processs［J］.Sheet Metal Industries，1983，60（4）：220－222，224.

［6］Lei L P，Kim J，Kang B S.Analysis and Design of Hydroforming Process for Automobile Rear Axle Housing by FEM［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2000，40（12）：1691－1708.

［7］王連東，陳國強，楊東峰，等.普通液壓機(jī)半滑動式液壓脹形汽車橋殼的工藝研究［J］.中國機(jī)械工程，2011，22（18）：2249－2253.Wang Liandong，Chen Guoqiang，Yang Dongfeng，et al.Research on Half－sliding Hydroforming Technology for Automobile Housings with a Common Press［J］.China Mechanical Engineering，2011，22（18）：2249－2253.

［8］陳國強，王連東，韓曉亮，等.半滑動式液壓脹形汽車橋殼的模具設(shè)計及成形［J］.塑性工程學(xué)報，2011，18（3）：61－65.Chen Guoqiang，Wang Liandong，Han Xiaoliang，et al.The Die Design and Deformation Analysis of Half－sliding Hydroforming of Automobile Axle Housings［J］.Journal of Plasticity Engineering，2011，18（3）：61－65.