劉曉晶 楊然 馮章超 王哲

摘 要：針對(duì)空間軸線薄壁零件存在的起皺、過(guò)度減薄和破裂等質(zhì)量缺陷，以某汽車(chē)的前副車(chē)架為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和成形試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)副車(chē)架的內(nèi)高壓成形過(guò)程進(jìn)行了研究。研究了彎曲過(guò)程中彎曲參數(shù)對(duì)彎曲成形減薄的影響，分析了軸向進(jìn)給量、成形壓力和加載路徑對(duì)內(nèi)高壓成形質(zhì)量的影響。基于有限元模擬得出的最佳參數(shù)，進(jìn)行了彎曲、預(yù)成形和內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了彎曲圓角外側(cè)和截面變化最大處的壁厚分布，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，彎曲成形時(shí)彎曲外側(cè)容易出現(xiàn)過(guò)度減薄和破裂，可以通過(guò)優(yōu)化彎曲參數(shù)改善。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，兩者在典型截面處的壁厚分布整體變化趨勢(shì)一致且兩者壁厚最大差值為6%，表明該優(yōu)化方案是可行的，可有效指導(dǎo)副車(chē)架的生產(chǎn)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：前副車(chē)架；彎曲預(yù)成形；內(nèi)高壓成形；數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.023

中圖分類號(hào)： TG394

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）02-0129-05

Abstract：Winkles，ruptures and excessive thinning are the forming defects for curved hollow components.Taking a car front sub-frame as the research object， the hydroforming of sub-frame was studied by combing numerical simulation and forming experiment. The effect of bending parameters on the thinning during the bending process was studied. The influences of main process parameters on the forming quality were considered， such as the internal hydraulic pressure， the axial feeding and the loading path.Experiments of bending，preforming and hydroforming were carried out based on the optimum parameter of the simulation. The thickness distribution of typical section was measured and compared with the simulation result. It shows that the lateral of corner easily appears fracture and excessive thinning， and these forming defects could be avoided through optimizing the bending process parameters. The numerical simulation results have good conformity to experimental ones in the wall thickness distributions， their overall tendency of thickness distributions tend to be consistent in typical section， and the maximum difference of thickness between simulation and experiment results is 6%，which indicates that the proposed optimization method is feasible and can provide an effective guidance for the hydroforming of subframe.

Keywords：front sub-frame； bend preforming； hydroforming； numerical simulation

0 引 言

隨著生活質(zhì)量的提升以及汽車(chē)的普及，能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題日益凸顯，全球各個(gè)國(guó)家對(duì)于汽車(chē)的排放量都做出了嚴(yán)格的規(guī)定，汽車(chē)輕量化也就成為了汽車(chē)研究關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。目前，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化主要有兩方面[3-5]：一方面是增加新型材料在汽車(chē)上的使用比例[6-7]；另一方面是改進(jìn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)件的加工工藝，使用一次成形出來(lái)的管件代替拼焊的構(gòu)架，從而減少裝配量。由于增加新材料的使用量會(huì)增加汽車(chē)的成本，目前汽車(chē)廠商主要側(cè)重于改進(jìn)加工工藝[8-9]。在滿足零件基本性能和設(shè)計(jì)要求的前提下，采用內(nèi)高壓成形方法成形的零件，如保險(xiǎn)杠、橫梁、副車(chē)架等空心軸類工件，可以減少50 %以上的重量，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家分別從成形方法、成形工藝優(yōu)化、設(shè)備開(kāi)發(fā)、數(shù)值模擬和工業(yè)應(yīng)用等方面對(duì)其進(jìn)行了研究。Corcslnad及其科研團(tuán)隊(duì)對(duì)管件內(nèi)高壓成形過(guò)程中出現(xiàn)破裂這種缺陷進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)分析破裂發(fā)生時(shí)的臨界壓力，得出了一套完整的理論[10-11]。Hama T等[12]以某汽車(chē)部件為例，對(duì)如何減少管件彎曲外側(cè)破裂缺陷進(jìn)行了研究。Abedrabbo等[13]利用數(shù)值模擬對(duì)高強(qiáng)度鋼和雙相鋼內(nèi)高壓成形件的成形質(zhì)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Pancake M等[14]對(duì)內(nèi)高壓成形過(guò)程中摩擦系數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)增大與成形件壁厚增大呈非線性增加。國(guó)內(nèi)的高校和企業(yè)對(duì)管形件內(nèi)高壓成形的機(jī)理、工藝和設(shè)備也進(jìn)行了一系列的研究并取得了一定的成果。湯澤軍推導(dǎo)出了管件內(nèi)高壓成形起皺的臨界應(yīng)力解析式，找到了影響管件成形時(shí)出現(xiàn)起皺問(wèn)題的主要參數(shù)[15-16]。苑世劍對(duì)變徑管內(nèi)高壓成形時(shí)管件的送料區(qū)壁厚分布的規(guī)律進(jìn)行了研究[17-19]。騰宏春對(duì)軸向進(jìn)給和內(nèi)壓力的匹配關(guān)系進(jìn)行了研究，得出軸向推力是影響管件成形極限的主要影響因素[20]。

本文利用有限元分析軟件Autoform模擬了某汽車(chē)前副車(chē)架的彎曲與內(nèi)高壓成形過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)控制成形零件的壁厚均勻性，并依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)前副車(chē)架件進(jìn)行了成形試驗(yàn)。

1 副車(chē)架的零件形狀及成形工藝分析

圖1為某型號(hào)汽車(chē)的前副車(chē)架模型和典型面的截面圖，它的尺寸為1026mm×450mm×46mm，材料為JSH440W，壁厚為2mm，材料的具體性能參數(shù)如表1所示，其中：σs為屈服強(qiáng)度；σb為抗拉強(qiáng)度；δ為斷后伸長(zhǎng)率；n為硬化指數(shù)；ν為泊松比。

該副車(chē)架的軸線為三維空間曲線，截面沿軸線變化復(fù)雜，其典型截面主要有矩形、梯形、多邊形等不同形式。該零件主要成形難點(diǎn)有：①零件的軸線長(zhǎng)且為空間曲線；②彎角角度較多，彎曲半徑??；③沿軸線具有多個(gè)不同的多變形截面，截面之間的過(guò)渡又較為復(fù)雜；④零件壁較薄成形過(guò)程中容易破裂。

為了更好的了解產(chǎn)品在成形過(guò)程中的變形情況，同時(shí)擬定管材的初始尺寸，本次實(shí)驗(yàn)利用CATIA軟件分別測(cè)量該零件在垂直于軸線方向上不同部位截面的周長(zhǎng)，得出其最小的截面周長(zhǎng)為203.1mm，最小直徑為63.9mm，根據(jù)加工要求設(shè)定初始管徑為63mm，綜合最終成形件的尺寸以及管坯的性能，初步將管坯長(zhǎng)度設(shè)定為1900mm。

2 副車(chē)架成形過(guò)程的數(shù)值模擬

2.1 彎曲工藝的數(shù)值模擬

將數(shù)字模型導(dǎo)入到Autoform后，彎管模塊會(huì)根據(jù)零件形狀以及管材的長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)出相應(yīng)的彎曲步驟，同時(shí)自動(dòng)添加彎管模、夾緊塊、導(dǎo)板等組件，并給出一個(gè)比較合理的彎曲次數(shù)、彎管半徑以及彎管曲線，具體參數(shù)如表2所示。

根據(jù)上述設(shè)置的相關(guān)加工參數(shù)進(jìn)行模擬，得到彎曲后的壁厚分布圖，如圖2所示，從分布圖中發(fā)現(xiàn)減薄主要發(fā)生在彎角的外側(cè)，最小壁厚為1.68mm，增厚主要集中在彎角的內(nèi)側(cè)，最大壁厚為2.30mm，并沒(méi)有出現(xiàn)破裂以及起皺等現(xiàn)象。

2.2 內(nèi)高壓成形數(shù)值模擬及優(yōu)化

在內(nèi)高壓成形過(guò)程中影響成形質(zhì)量的因素主要有軸向進(jìn)給量、成形壓力和整形壓力、壓力加載路徑等。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)這3個(gè)主要因素進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

2.2.1 軸向進(jìn)給量對(duì)成形質(zhì)量影響

進(jìn)給量的大小對(duì)于副車(chē)架的成形起到至關(guān)重要的作用，進(jìn)給量過(guò)小，在脹形過(guò)程中，變薄部位得不到足夠的材料進(jìn)行補(bǔ)充，管件容易發(fā)生破裂；當(dāng)進(jìn)給量過(guò)大，由于材料流動(dòng)性有限，多余的材料會(huì)堆積在管件末端，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)死皺。

在其余參數(shù)不變情況下，不同進(jìn)給量的情況下，成形的差別主要體現(xiàn)在管件的末端，根據(jù)材料性能以及相關(guān)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了4種不同的進(jìn)給量，分別為20mm、30mm、40mm、50mm，壁厚減薄率情況如圖3所示。當(dāng)進(jìn)給量為20mm時(shí)，壁厚最大減薄率為11.3%，最大增厚率為5.3%；當(dāng)進(jìn)給量為30mm的時(shí)候，管件變形比較充分壁厚變化較均勻，最大減薄率為10.7%，最大增厚率為5.4%；當(dāng)進(jìn)給量為40、50mm時(shí)，增厚區(qū)域面積增加明顯，零件末端出現(xiàn)了明顯的堆積。

綜合軟件模擬結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)實(shí)加工的條件以及經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)給量選擇30mm既能保證加工質(zhì)量又可以降低加工成本。

2.2.2 不同成形壓力及整形壓力對(duì)成形效果的影響

零件最終成形是依靠管內(nèi)液體的壓力完成的，成形壓力對(duì)于最終零件的成形效果有很大的影響，達(dá)到成形壓力后需要繼續(xù)提高管內(nèi)的壓力，使得管件完全貼膜。成形壓力Pc的大小取決于材料的性能和圓角半徑，其具體值可以通過(guò)式1推導(dǎo)出。

式中：K為強(qiáng)度系數(shù)，MPa；t′為圓角處瞬時(shí)壁厚，mm；rc為最小圓角半徑，mm；d0為管坯外徑，mm；n為材料的硬化指數(shù)；我們可以估算出成形壓力為Pc為137.5MPa，但實(shí)際加工中所使用的成形壓力要大于理論值，對(duì)表3的成形壓力和整形壓力進(jìn)行模擬，得到不同組合下的零件的壁厚減薄分布圖，如圖4所示。

在進(jìn)給量相同的情況下，從減薄分布圖中可以看出，當(dāng)選擇A組合時(shí)，由于壓力不足且補(bǔ)給的材料不能充分的流動(dòng)所致在管件的末端材料出現(xiàn)了堆積；當(dāng)選擇B組合時(shí)，材料堆積現(xiàn)象有所降低，成形質(zhì)量有所提高，當(dāng)選擇C組合時(shí)，材料末端的材料堆積明顯改善，當(dāng)選擇D組合時(shí)，管件末端的材料堆積現(xiàn)象消失，成形質(zhì)量良好。因此，最終選擇成形壓力為300MPa，整形壓力為350MPa。

2.2.3 不同加載路徑對(duì)成形質(zhì)量的影響

內(nèi)高壓成形的內(nèi)壓力與軸向進(jìn)給的匹配關(guān)系對(duì)成形質(zhì)量起著決定性的作用，若內(nèi)壓力升高速率太快，而軸向進(jìn)給不能完全滿足管件成形的需求，零件很容易出現(xiàn)過(guò)度減薄甚至發(fā)生破裂；若內(nèi)壓力增長(zhǎng)緩慢，而軸向進(jìn)給太多，則管坯在模具型腔內(nèi)部容易出現(xiàn)堆積進(jìn)而形成死皺。本次實(shí)驗(yàn)分別對(duì)兩個(gè)不同初始?jí)毫Φ碾A梯形加載進(jìn)行了模擬分析，這兩個(gè)加載路徑的成形壓力、整形壓力和進(jìn)給總量是相同的分別為300MPa、350MPa和30mm，具體加載路徑如圖5所示，其中圖5（a）起始?jí)毫?0MPa，圖5（b）的起始?jí)毫?0MPa。

不同加載路徑下的模擬結(jié)果如圖6所示，當(dāng)初始?jí)毫?0MPa時(shí)，初始?jí)毫^(guò)低且進(jìn)給量增大過(guò)快導(dǎo)致材料的流動(dòng)性不足在零件末端堆積；當(dāng)初始?jí)毫?0MPa時(shí)，材料的流動(dòng)性增加，在末端堆積的現(xiàn)象明減輕，成形質(zhì)量明顯改善。因此最終選擇初始?jí)毫?0MPa。

3 成形試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，分別進(jìn)行了管坯的彎曲、預(yù)成形和內(nèi)高壓成形試驗(yàn)。參照彎曲成形和內(nèi)高壓成形模擬的參數(shù)加工出副車(chē)架，如圖7所示。為了直觀地比較模擬結(jié)果與實(shí)際成形質(zhì)量的符合程度，在副車(chē)架的彎角區(qū)域和截面變形區(qū)選擇了3個(gè)典型截面，分別為A-A截面、B-B截面和C-C截面，在每個(gè)截面順時(shí)針取20個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的壁厚，將測(cè)量值與相應(yīng)位置的模擬值相比較，得到圖8所示的典型截面上測(cè)點(diǎn)壁厚的分布曲線。從圖8可以清楚的看出，按優(yōu)化后的參數(shù)模擬副車(chē)架的內(nèi)高壓成形過(guò)程，獲得典型截面的壁厚分布與試驗(yàn)結(jié)果不但整體趨勢(shì)變化一致，而且壁厚在數(shù)值上也基本接近，兩者壁厚最大誤差在6%以內(nèi)， 模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié) 論

1）建立了某汽車(chē)前副車(chē)架內(nèi)高壓成形的有限元模型，應(yīng)用有限元模擬軟件Autoform對(duì)副車(chē)架的整個(gè)成形過(guò)程進(jìn)行了模擬，并利用數(shù)控彎管機(jī)和內(nèi)高壓成形機(jī)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有限元模擬結(jié)果與實(shí)際成形結(jié)果基本吻合。

2）針對(duì)彎管工序，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)在彎曲角的外側(cè)容易發(fā)生減薄，在彎角的內(nèi)側(cè)容易發(fā)生增厚。在滿足一彎一模的實(shí)際生產(chǎn)要求下，選擇4步彎曲成形，得到的彎曲管件的最小壁厚為1.68mm，最大壁厚為2.30mm。

3）在內(nèi)高壓成形過(guò)程的模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給量為30mm時(shí)，管件變形比較充分壁厚變化較均勻，最大減薄率為10.7%，最大增厚率為5.4%；當(dāng)300MPa的成形壓力和350MPa的整形壓力按照第二種加載路徑進(jìn)行加載時(shí)，管坯的變形充分、壁厚分布均勻，且末端的起皺明顯減少。

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（編輯：溫澤宇）