黃曉峰，胡勇，易成坷，王喆，薛克敏

（1. 安徽江淮福臻車體裝備有限公司，合肥 230093；2. 合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

扭力梁零件是汽車后懸掛裝置中最重要的結(jié)構(gòu)部件，其對(duì)于車輛行駛中保持平穩(wěn)以及減震起著十分重要的作用和安全保障[1—2]。傳統(tǒng)扭力梁通常是由4～6 mm厚單層板沖壓成形的V型或者U型板材和實(shí)心穩(wěn)定桿組合而成，而通常這樣的扭力梁零件往往在變形區(qū)和非變形區(qū)之間存在應(yīng)力的高度集中區(qū)域，導(dǎo)致零件疲勞強(qiáng)度大大降低。隨著輕量化技術(shù)越來越多地應(yīng)用于汽車零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的扭力梁由于本身質(zhì)量較大，越來越難以滿足汽車輕量化的行業(yè)需求[3—6]。采用管材代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板材，將扭力梁設(shè)計(jì)為空心變截面的形式，是近年來汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)?？招淖兘孛媾ちα簝?yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：一方面，約3 mm壁厚的管狀截面零件即可以滿足扭力梁強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度和疲勞性能的使用要求，而無需增加實(shí)心穩(wěn)定桿，大大減輕了扭力梁零件的重量；另一方面可以顯著提高零件的結(jié)構(gòu)連續(xù)性和整體機(jī)械性能[7—8]。

目前，對(duì)于管材扭力梁的成形方式主要有冷沖壓、熱沖壓和內(nèi)高壓成形。采用冷沖壓工藝存在成形精度較差的問題，只適合形狀簡(jiǎn)單的管材扭力梁零件；而采用熱沖壓工藝成形管材扭力梁，其工序復(fù)雜、生產(chǎn)成本高[9]。內(nèi)高壓成形技術(shù)由于在成形復(fù)雜截面形狀的空心零件方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)和研究領(lǐng)域受到越來越多的青睞和關(guān)注[10]。韓國(guó)學(xué)者采用內(nèi)高壓成形技術(shù)，成功制備出機(jī)械性能和形狀精度比機(jī)械擠壓方式更高的扭力梁零件[11]。德國(guó)學(xué)者成功以壁厚僅2.6 mm的高強(qiáng)鋼為管坯，采用內(nèi)高壓技術(shù)成形出了合格的扭力梁件[12]。

文中以管狀變截面汽車扭力梁為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究了預(yù)成形件形狀、內(nèi)壓力通入時(shí)機(jī)和初始?jí)毫χ祵?duì)扭力梁內(nèi)高壓成形的影響，并在此基礎(chǔ)上開展了工藝試驗(yàn)，成功制備出形狀尺寸合格的扭力梁零件。

1 工藝分析與成形方案

1.1 零件結(jié)構(gòu)和尺寸特征

扭力梁數(shù)模及其典型截面形狀見圖1，工件為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，平均壁厚約3.2 mm。A-A截面為其對(duì)稱面，AB段截面形狀一致，B至G段截面形狀沿軸線變化差異大，逐漸由近似 V形截面過渡到端部近似梯形截面。沿軸線方向截面周長(zhǎng)變化也較大，周長(zhǎng)最小截面為A-A面，其外表面周長(zhǎng)為314.16 mm；周長(zhǎng)最大截面為修剪前的G-G截面，其外表面周長(zhǎng)為332.86 mm。

圖1 扭力梁件數(shù)模及其截面Fig.1 Mathematical model and cross-section of torsion beam part

1.2 管坯選擇

初始管坯材料選用汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼QSTE590，其屈服強(qiáng)度≥590 MPa。以工件最小截面周長(zhǎng)確定管坯外徑選為Φ100 mm，據(jù)零件厚度要求選定管坯厚度為3.5 mm。

1.3 成形方案設(shè)計(jì)

根據(jù)扭力梁工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)高壓成形的一般規(guī)律，采用兩步成形法。首先對(duì)管坯進(jìn)行預(yù)成形，即通過機(jī)械壓制的方法成形出工件截面的大致形狀，并合理分配各區(qū)域材料。再對(duì)預(yù)成形件進(jìn)行內(nèi)高壓脹形，即在管坯中通入液體作媒介對(duì)材料傳遞高壓，使預(yù)成形件與終成形模具貼合完全，成形出最終工件。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

將工件原始數(shù)模外端被修剪的梯形截面部分修補(bǔ)還原，并在端口添加工藝補(bǔ)充圓管，建立新的成形件數(shù)模見圖 2。文中所使用有限元分析軟件采用LS-DYNA求解器，扭力梁預(yù)成形和內(nèi)高壓成形的有限元分析模型見圖3，管坯選用Belytschko-Tsay殼單元，摩擦因數(shù)選擇鋼材冷沖壓通用數(shù)值 0.125，模具定義為剛性體。

圖2 成形件數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematical model of forming part

圖3 有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model

2.2 預(yù)成形模擬結(jié)果

決定預(yù)成形件成形質(zhì)量的關(guān)鍵形狀參數(shù)為預(yù)成形模具V面下模導(dǎo)向角а、模具T面下模導(dǎo)向角β，其中V面對(duì)應(yīng)內(nèi)高壓工件的V型段截面，T面對(duì)應(yīng)內(nèi)高壓工件的梯形段截面，見圖4。模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)V面下模導(dǎo)向角а>70°、T面下模導(dǎo)向角β>75°時(shí)，會(huì)分別導(dǎo)致預(yù)成形管件 V型段和梯形段寬度較大，容易在內(nèi)高壓成形合模階段產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象；若а<60°、β<65°，會(huì)分別導(dǎo)致預(yù)成形管件V型段和梯形段上模圓角處管坯壁厚較薄，在后續(xù)內(nèi)高壓成形階段有發(fā)生破裂的危險(xiǎn)。

當(dāng)а=64°、β=68°時(shí)所得預(yù)成形件厚度見圖 5，可知壁厚分布為3.33～3.72 mm，最大減薄率為4.8%，最大增厚率為 6.2%，預(yù)成形件厚度分布較為均勻，無明顯缺陷。影響扭力梁件內(nèi)高壓成形質(zhì)量的因素較為復(fù)雜，預(yù)成形件形狀只是其中之一，文中通過模擬確定а應(yīng)介于 60°～70°之間，β應(yīng)介于 65°～75°之間，后續(xù)內(nèi)高壓成形中均采用а=64°、β=68°時(shí)所得預(yù)成形件。

圖4 預(yù)成形模具V面、T面Fig.4 V and T cross section of preforming die

圖5 預(yù)成形件厚度分布(mm)Fig.5 Thickness distribution of the preformed part

2.3 內(nèi)高壓成形

在液壓成形技術(shù)中，高壓液體的通入時(shí)機(jī)通常有兩種：模具合模之后通入；模具合模過程中即通入。兩種液壓通入時(shí)機(jī)下的加載路徑見圖6，其中0～0.02 s為模具合模階段，0.02～0.45 s為內(nèi)高壓脹形階段。兩種液壓通入方式下扭力梁件的成形過程及最終厚度分布見圖7，可以看出，合模之后通入液壓，成形結(jié)束壁厚分布在2.68～3.78 mm，在梯形段的上模圓角和下模圓角處存在嚴(yán)重的減薄，最大減薄率達(dá)23.4%，由工件的結(jié)構(gòu)可知梯形段截面周長(zhǎng)較初始管坯大，在脹形的最后階段圓角處由于坯料不足發(fā)生較為嚴(yán)重的減薄。同時(shí)，在圓弧過渡段的上模弧面區(qū)域存在坯料的增厚和堆積，該區(qū)域難以脹起貼合模具。而合模過程中即通入壓力，成形結(jié)束后壁厚分布為 3.04～3.79 mm，最大減薄率為13.1%，最大增厚率為8.3%，最小壁厚出現(xiàn)在B區(qū)域，該區(qū)域是內(nèi)高壓成形中的小圓角區(qū)，并且截面形狀和周長(zhǎng)變化大，是扭力梁成形中的難點(diǎn)；最大壁厚出現(xiàn)在 H區(qū)域，該區(qū)域管件寬度變化大，預(yù)成形件在內(nèi)高壓合模過程中金屬與下模型腔壁接觸，流動(dòng)較為困難，因此發(fā)生一定程度的坯料增厚。

綜合比較兩種液壓通入方式，合模中通壓成形的扭力梁件最大減薄率顯著減小，關(guān)鍵特征部位的坯料減薄相比合模后通壓工藝有明顯改善，且工件與模面貼合狀況更良好，成形尺寸精度更高。分析原因主要在于兩點(diǎn)：① 由工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，梯形段及圓弧過渡段截面尺寸顯著大于初始管坯（截面尺寸最大的梯形段，截面周長(zhǎng)為332.8 mm，最小的V形段截面，截面周長(zhǎng)為314.2 mm），脹形的過程中這兩個(gè)區(qū)域坯料不足；同時(shí)這兩個(gè)區(qū)域上均存在難成形的小圓角區(qū)，小圓角區(qū)在成形的最后階段發(fā)生脹形，此時(shí)由于液壓力大，造成管坯與模具間摩擦力大，周圍金屬難以流動(dòng)對(duì)圓角區(qū)進(jìn)行補(bǔ)料，因此出現(xiàn)局部減薄嚴(yán)重的缺陷，采用合模中通壓工藝，在合模過程中由于管坯還未與模具充分接觸并且內(nèi)部壓力較小，摩擦作用小，因此管坯可以發(fā)生充分的擴(kuò)徑脹形，通過管坯厚度的均勻減薄，從而使管坯尺寸得到充分的擴(kuò)張，同時(shí)可以按照模具形狀提前進(jìn)行預(yù)分配，因此可以有效解決工件局部截面尺寸較初始管坯偏大的問題；② 當(dāng)采用合模后通壓工藝時(shí)，由于扭力梁結(jié)構(gòu)的限制，在內(nèi)高壓合模過程中會(huì)在圓弧過渡區(qū)域形成塌陷區(qū)；合模結(jié)束后的脹形過程中，塌陷區(qū)會(huì)隨著內(nèi)壓的增加逐漸隆起貼模，塌陷區(qū)弧面逐漸減小，勢(shì)必造成坯料的堆積增厚，導(dǎo)致難以脹起貼模，采用合模中通入壓力的方法，在合模的過程中塌陷區(qū)會(huì)率先脹起貼模，模具閉合后圓弧過渡區(qū)上?；∶嬉雅c模面完全貼合，不會(huì)出現(xiàn)坯料的堆積現(xiàn)象。

圖6 液壓加載路徑Fig.6 Loading path of hydraulic pressure

圖7 成形過程及厚度分布(mm)Fig.7 Forming process and thickness distribution

2.4 初始?jí)毫χ祪?yōu)化

初始?jí)毫χ荡笮∈怯绊憙?nèi)高壓成形扭力梁件成形質(zhì)量的重要因素，幾組不同初始?jí)毫χ档囊簤杭虞d路徑下扭力梁成形的數(shù)值模擬結(jié)果見表1，可以看出，當(dāng)合模過程通入壓力較小，如加載路徑1和加載路徑2，由于預(yù)成形坯在合模結(jié)束前不能發(fā)生充分的擴(kuò)徑脹形，在梯形段的上模圓角和下模圓角處坯料減薄仍會(huì)較為嚴(yán)重；當(dāng)合模過程通入壓力過大，如加載路徑5和加載路徑 6，在合模過程中由于預(yù)成形坯發(fā)生過度擴(kuò)徑，上下模具閉合時(shí)出現(xiàn)了“咬邊”現(xiàn)象，造成扭力梁件成形外觀不合格，且咬合部分的坯料由于損傷，容易在后續(xù)脹形過程中產(chǎn)生破裂，加載路徑3和加載路徑4下扭力梁壁厚分布較均勻，且路徑4減薄率優(yōu)于路徑3。

表1 不同初始?jí)毫χ迪碌呐ちα汉穸确植糡ab.1 Thickness distribution of torsion beam under different initial pressures

圖8 成形缺陷Fig.8 Forming defects

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)是在安徽江淮福臻車體裝備有限公司的50 000 kN液壓成形機(jī)上進(jìn)行，模具包括模座、模塊、水平缸、承壓塊、導(dǎo)柱和導(dǎo)套等，配有500 MPa內(nèi)高壓成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)由增壓器、2個(gè)水平推缸以及液壓伺服系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。內(nèi)高壓成形模具主要包括密封沖頭，上、下模塊等部分。

當(dāng)采用傳統(tǒng)內(nèi)高壓成形工藝，即合模過程不通入液壓，所成形出扭力梁實(shí)體件會(huì)在圓弧過渡區(qū)域形成難以脹起的塌陷區(qū)，見圖8a。采用合模中通壓工藝，當(dāng)合模過程中通入壓力為36 MPa時(shí)，所成形出扭力梁件在端部出現(xiàn)“咬邊”現(xiàn)象，見圖8b。當(dāng)預(yù)成形模具V面下模導(dǎo)向角а為64°、模具T面下模導(dǎo)向角β為68°，內(nèi)高壓合模過程中通入壓力為32 MPa時(shí)，成形出了合格的扭力梁件，見圖9。

圖9 原始管坯、預(yù)成形件、終成形件Fig.9 Original tube, preformed part, formed part

4 結(jié)論

1)預(yù)成形形狀是影響扭力梁成形質(zhì)量的重要因素，當(dāng)預(yù)成形模具V面下模引導(dǎo)角а介于60°～70°之間、T面下模引導(dǎo)角β介于65°～75°之間時(shí)可以取得理想的預(yù)成形效果。

2)在合模過程中通入液壓是解決傳統(tǒng)內(nèi)高壓成形扭力梁件出現(xiàn)圓弧過渡面塌陷、上下模圓角過度減薄等缺陷的有效方法。

3)初始內(nèi)壓力大小是影響內(nèi)高壓扭力梁件厚度分布和成形精度的重要因素。當(dāng)合模過程中通入32 MPa內(nèi)壓時(shí)，能成形出質(zhì)量良好的扭力梁實(shí)體件。

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