張國俊

（寧波思明汽車科技股份有限公司， 浙江 寧波 315000）

0 引 言

近年來，高強(qiáng)度鋼管扭力梁被廣泛用于減輕汽車懸架的質(zhì)量。在車輛行駛過程中，扭力梁反復(fù)受到扭轉(zhuǎn)和彎曲作用，扭力梁通常除管端部外均設(shè)計(jì)成V形截面，其截面形狀對耐久性、抗疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變集中等起到?jīng)Q定性作用[1]。扭力梁的傳統(tǒng)制造工藝是采用沖壓成形V形零件，在左、右縱臂之間焊接扭力桿。由于沖壓件和扭力桿之間分開，在承受循環(huán)載荷時(shí)，后懸架較重，側(cè)傾剛度較低，應(yīng)力集中在焊接區(qū)域不可避免?？招呐ちα航Y(jié)構(gòu)既能帶來更高的扭轉(zhuǎn)剛度，又能使質(zhì)量更輕，特別是扭力梁兩端部與后懸架之間焊接長度較短，能改善焊接應(yīng)力集中現(xiàn)象[2]。近些年，將圓管壓成空心V形或U形閉截面管梁在汽車后懸架設(shè)計(jì)中越來越流行，但其幾何輪廓尺寸精度難以控制，如何獲得具有質(zhì)量較輕、尺寸精度和強(qiáng)度較高的空心扭力梁零件越來越重要。

現(xiàn)通過試驗(yàn)對CP800材料扭力梁的內(nèi)高壓成形工藝進(jìn)行了研究，分析軸向補(bǔ)料對零件成形質(zhì)量的影響，最后提出了適合CP800材料成形的扭力梁成形工藝。

1 有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的材料為CP800，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。管材外徑為φ100 mm，壁厚為3.0 mm。

表1 管材力學(xué)性能參數(shù)

1.2 零件結(jié)構(gòu)及成形條件

扭力梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于零件是對稱件，以下結(jié)構(gòu)只展示左邊部分，其中包含3個(gè)區(qū)域，即V形區(qū)、過渡區(qū)和連接區(qū)，每個(gè)區(qū)域具有不同的截面形狀，部分典型截面如圖1所示。零件總長度為1 200 mm,A-A、B-B、C-C的脹形比分別為0.5%、9.8%、2.5%。

圖1 扭力梁零件結(jié)構(gòu)

扭力梁的制造工藝如圖2所示，首先進(jìn)行預(yù)成形工藝，以實(shí)現(xiàn)合適的材料分布，然后進(jìn)行內(nèi)高壓成形工藝，使預(yù)成形形狀脹形到最終零件尺寸。

圖2 扭力梁制造工藝

由于扭力梁中間V形面寬度（88.5 mm）小于原材料外徑（φ100 mm），即模腔開口的橫截面形狀小于原材料管直徑，管截面必須先進(jìn)行預(yù)成形加工，以方便預(yù)壓后的工序件能順利放入內(nèi)高壓模具凹模。預(yù)成形后工序件典型截面形狀和尺寸與內(nèi)高壓模具凹模（零件理論尺寸）的對比如圖3所示，在A-A（A1-A1）截面預(yù)成形后，除了V形面兩邊拐角外，大部分已經(jīng)貼合模具凹模；在B-B（B1-B1）截面預(yù)成形后，V形面內(nèi)側(cè)有17 mm的內(nèi)凹陷，需要后續(xù)通過內(nèi)高壓工序消除；由于C-C（C1-C1）截面脹形比最大，最大的間隙值為4.5 mm，后續(xù)內(nèi)高壓工序通過軸向補(bǔ)料和高壓整形來貼合模具凹模。預(yù)成形工序在4 000 kN液壓機(jī)上進(jìn)行。

圖3 預(yù)成形后工序件典型截面形狀和尺寸

試驗(yàn)所用設(shè)備為自主研發(fā)的25 000 kN內(nèi)高壓成形機(jī)，內(nèi)高壓成形模如圖4所示，內(nèi)壓力和軸向補(bǔ)料都可以通過傳感器伺服系統(tǒng)精確控制，零件壁厚用超聲波測厚儀進(jìn)行測量[3]。

圖4 內(nèi)高壓成形模

1.3 有限元分析模型

使用三維軟件UG建立幾何模型，采用Hypermesh軟件對模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分好網(wǎng)格的模型如圖5所示，采用動(dòng)態(tài)顯示方法對沖壓成形和內(nèi)高壓成形過程進(jìn)行分析計(jì)算，回彈過程采用靜態(tài)隱式方法進(jìn)行模擬。采用Von Mises屈服函數(shù)和相關(guān)的各向同性硬化流動(dòng)規(guī)律[4]，使用庫倫摩擦模型進(jìn)行模擬，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.05（實(shí)際試驗(yàn)考慮潤滑劑的使用）。

圖5 有限元分析模型

1.4 主要工藝參數(shù)確定

1.4.1 軸向補(bǔ)料量

內(nèi)高壓成形技術(shù)通過軸向補(bǔ)料可緩解變形區(qū)壁厚過度減薄和提高零件的脹形率，因此軸向補(bǔ)料量是確定水平液壓缸行程的一個(gè)重要參數(shù)。理想補(bǔ)料量Δl是指假設(shè)成形前后管材壁厚不變，根據(jù)體積不變條件，成形后工件表面積S1等于初始管材表面積S0（S1=S0），求出理想狀態(tài)下的補(bǔ)料量。在實(shí)際工藝中，由于受摩擦和加載路徑的影響，理想狀態(tài)下的補(bǔ)料量不能完全送到成形區(qū)，造成成形區(qū)壁厚減薄，實(shí)際補(bǔ)料量（理想補(bǔ)料量的60%～80%）小于理想補(bǔ)料量[1]。

求出理想補(bǔ)料量Δl為：

其中，最大直徑D=φ109.8 mm；最大直徑處長度l'=87.5 mm；成形區(qū)長度l=94 mm；原材料外徑d=φ100 mm。計(jì)算Δl=12.35 mm。

1.4.2 屈服壓力

初始屈服壓力是指管材開始發(fā)生塑性變形所需要的臨界內(nèi)壓力，當(dāng)無軸向力作用時(shí)，軸向應(yīng)力σz和σθ的比值ξ為0，即自由脹形的初始屈服壓力[1]為：

其中，原管材的壁厚t=3.0 mm；材料的屈服強(qiáng)度δs=715 MPa。計(jì)算Ps=42.9 MPa。

1.4.3 整形壓力

在內(nèi)高壓成形后期，零件大部分已經(jīng)成形，局部小特征通過更高的壓力來保證零件尺寸精度，這一過程稱為整形階段，在整形階段無軸向補(bǔ)料，整形壓力Pc通過公式（3）估算：

其中，零件的最小圓角半徑rc=11.5 mm；δc是整形階段材料的流動(dòng)應(yīng)力，MPa，通常估算取材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之和的平均值[1]，即δc=750 MPa。計(jì)算Pc=195.6 MPa（后面試驗(yàn)為了便于比較分析將整形壓力設(shè)置為200 MPa）。

圖6所示為試驗(yàn)研究用到的加載路徑，整形壓力設(shè)置為200 MPa，初始內(nèi)壓力設(shè)置為40 MPa，是為了避免軸向推力引起的材料屈曲[4]。軸向補(bǔ)料量為0、6、12、18 mm（由于零件是對稱件，左右兩端補(bǔ)料相同）。

圖6 3種不同加載路徑

2 結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)探討了軸向補(bǔ)料量對扭力梁零件內(nèi)高壓成形壁厚分布和成形質(zhì)量的影響，并通過仿真模擬分析與實(shí)際零件成形結(jié)果進(jìn)行對比。軸向補(bǔ)料量為0、6、12、18 mm的內(nèi)高壓扭力梁成形零件如圖7所示，軸向補(bǔ)料量為0、6、12 mm的零件成形效果良好，軸向補(bǔ)料量為18 mm時(shí)，在連接區(qū)域出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象，如圖8所示。

圖7 內(nèi)高壓成形扭力梁零件

圖8 軸向補(bǔ)料量為18 mm連接區(qū)起皺

不同軸向補(bǔ)料量得到的不同截面壁厚分布如圖9所示，軸向補(bǔ)料量可以改善B-B和C-C截面的減薄情況，但軸向補(bǔ)料量對A-A截面的厚度分布沒有影響，壁厚沿圓周方向分布相對均勻，差異不大。

圖9 不同軸向補(bǔ)料量得到的不同截面壁厚分布

扭力梁B-B截面脹形比最大，因此在沒有軸向進(jìn)料的情況下，拐角填充區(qū)會(huì)發(fā)生減薄。B-B截面最大減薄率為19.3%，對稱分布于點(diǎn)6或點(diǎn)30；當(dāng)軸向補(bǔ)料量為6 mm時(shí)，最大減薄率減小到11.4%；軸向補(bǔ)料量為12 mm時(shí)，最大減薄率降至8.3%。但軸向補(bǔ)料量只對拐角填充區(qū)域的厚度分布有影響，而對其他接觸區(qū)域的厚度分布沒有太大的影響。

C-C截面在無軸向補(bǔ)料量時(shí)，最大減薄率為6.7%，位于10點(diǎn)和26 點(diǎn)；當(dāng)軸向補(bǔ)料量為6 mm時(shí)，最大減薄率降至5.6%；當(dāng)軸向補(bǔ)料量為12 mm時(shí)，截面圓周圍的厚度都有增厚。這表明軸向補(bǔ)料可以增加C-C截面的厚度。

將扭力梁零件的成形精度定義為零件理論輪廓尺寸和實(shí)際成形輪廓尺寸的偏差值[5-6]，偏差值越大，成形精度越差，反之成形精度越好。以下對不同加載路徑下不同零件相同截面位置進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測量，測量位置如圖10所示。

圖10 零件截面測量位置

無軸向補(bǔ)料量、軸向補(bǔ)料量6 mm和12 mm的扭力梁成形精度如圖11所示，軸向補(bǔ)料量對截面B-B和C-C的尺寸精度影響顯著，無軸向補(bǔ)料量的最大尺寸精度為2.3%，位于B-B截面；軸向補(bǔ)料量為6 mm時(shí)，最大尺寸精度為1.75%，也位于B-B截面，當(dāng)軸向補(bǔ)料量為12 mm時(shí)，整個(gè)扭力梁的尺寸精度都在0.5%以內(nèi)，滿足零件最大尺寸偏差0.5%的要求，同時(shí)軸向補(bǔ)料量對中間V形區(qū)的尺寸精度沒有影響。

圖11 扭力梁尺寸精度

采用加載路徑2模擬分析的結(jié)果和試驗(yàn)制作的扭力梁零件如圖12所示，經(jīng)對比，兩者成形結(jié)果數(shù)據(jù)測量一致。

圖12 在加載路徑2下模擬分析結(jié)果和實(shí)際零件

3 結(jié)束語

討論了軸向補(bǔ)料量對扭力梁內(nèi)高壓成形過程壁厚分布和成形精度的影響，隨著軸向補(bǔ)料量的增加，零件厚度改善明顯，成形精度顯著提高。但是過多的軸向補(bǔ)料量會(huì)導(dǎo)致連接區(qū)域出現(xiàn)起皺。無軸向補(bǔ)料量時(shí)，最大減薄率為19.3%，最大尺寸偏差為2.3%；軸向補(bǔ)料量為6 mm時(shí)，最大減薄率為11.4%，最大尺寸偏差為1.75%。當(dāng)軸向補(bǔ)料量為12 mm時(shí)，最大減薄率為8.3%，最大尺寸偏差小于0.5%，扭力梁零件的壁厚分布和尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求。