汽车桥壳本体整体液压成形工艺

文/张宾宾，李 萍，唐 勇·合肥工业大学先进塑性成形工程中心

汽车桥壳本体整体液压成形工艺

文/张宾宾，李 萍，唐 勇·合肥工业大学先进塑性成形工程中心

汽车桥壳为一空心梁，是汽车运行过程中重要的传力件和承载件。在汽车行驶过程中，用于承受左右车轮传来的路面反作用力和力矩，故汽车驱动桥壳应具有足够的强度与刚度。由于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难，在其结构形式满足使用要求的前提下应简化制造工艺，减少加工面、提高材料利用率和降低成本。

目前传统的桥壳制造工艺主要有铸造桥壳、冲压-焊接桥壳、扩张成形桥壳，其加工工序繁杂、成本高、材料利用率低、焊接过程中产生的气体对环境破坏大。从20世纪90年代开始，液压成形技术开始在国际汽车工业中得到推广和应用，采用该技术生产的零件已经广泛用于汽车工业中，是一种减重、高效、节材、节能、符合汽车制造轻量化要求的先进制造技术。

桥壳本体是驱动桥壳的重要构成部分，属于异形截面回转壳体，其整体液压成形技术的工艺原理是选择适当的尺寸管坯，首先进行机械缩径将其端部直径减至零件图要求，然后进行轴向压缩复合液压胀形出最终的本体零件。国内外有关汽车桥壳整体液压成形的研究偏重于试验研究，关于成形理论方面的研究比较缺乏。国内目前车桥制造工艺主要靠冲压—焊接而成，液压成形工艺及装备制造研究工作尚处于起步阶段。虽然已经用试验试制出液压成形汽车桥壳，但离实际应用还有一定的差距。

本文针对零件的结构特点，开展了桥壳本体复合缩径—胀形工艺的研究，运用有限元软件ABAQUS对成形过程进行数值模拟，在前期理论研究和试验结果的基础上，针对胀形工艺中的重点和难点，即轴向长度较长，中间部分胀形量大的情况，着重研究了在大的轴向进给和不同的加载条件下的胀形件成形工艺和影响规律。本研究能够进一步加深对汽车零部件液压成形工艺机理的认识，对国内相关领域理论研究上的欠缺，做了有益的补充，为工程实践制定工艺参数提供了理论指导，并为提高我国汽车制造业的核心竞争力奠定了基础。

成形工艺分析

图1 桥壳本体的数学模型

汽车桥壳本体内高压成形件的结构如图1所示，属于异形截面大尺寸件，截面形状为规则的矩形，中间部分尺寸与两端部分相差较大。两端直壁部分的管径为110mm，中间最大尺寸为348mm，初始壁厚为8mm，成形件总长为1160mm，圆弧过渡区圆角半径为200mm。

桥壳本体端部缩径

管坯材料拟选用20号钢，材料的性能参数：屈服极限为245MPa，强度极限为410MPa，均匀延伸率为25％，密度为7.85g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28。

管坯初始外径D0是根据汽车桥壳本体部分的最大外部尺寸Dmax和最大许用胀形系数Kmax确定，D0≤Dmax/Kmax，Kmax＝e3.6n（n为材料的应变强化指数，对于20号低碳钢来说，n通常取0.18～0.22）。根据上述公式，初步确定管坯的初始外径为160mm，并根据材料的延伸率等情况确定长度为1410mm。

在前期工作中，我们已经制定了桥壳本体端部缩径工艺方案，对成形理论进行了研究，确定了缩径凹模锥角和采用两个道次的缩径工艺方案，运用有限元方法对成形过程进行了数值模拟，见图2。并对模拟过程进行了试验验证，具体的管坯几何参数变化情况的模拟结果见表1。

图2 桥壳本体端部缩径成形的模拟结果

■表1 管坯几何参数变化的模拟结果 （单位：mm）

通过数值模拟和试验结果的对比，缩径后管坯的长度增加量、端部翘曲率、壁厚变化情况与模拟结果相符合，而且缩径管表面质量高，没有出现轴向失稳现象，模拟结果比较真实地反应了实际变形情况，缩径工艺方案达到了预期的要求，并为随后胀形工艺的进行奠定了基础。

桥壳本体胀形

胀形工艺设计对最终获得良好质量的产品起着决定性的作用，如何获得均匀的壁厚分布和避免起皱、破裂等成形缺陷成为工艺设计的主要问题。因此，轴向进给和内压的加载条件对成形质量影响较大，合理的加载条件可以改善胀形件壁厚分布，避免出现褶皱、屈曲和破裂等成形缺陷。

液压胀形中胀形部分的膨胀变形程度越大，其壁厚减薄越严重，也最容易在这些部位产生破裂。类似于缩径成形中提到的缩径比，在这里我们引用胀形系数K来衡量胀形过程中变形程度的大小，求得K＝2.175。胀形系数K还应该满足K≤Kmax，其中Kmax为最大许用胀形系数，经过计算Kmax＝2.05。由于中间最大胀形部分外径为348mm，胀形系数K＝2.175≥Kmax。

经过计算和比较分析，一步胀形不能胀出合格的零件，汽车桥壳本体的液压胀形分两个阶段：第一阶段是在最大胀形部位施加约束，抑制其胀形，其他区域在内压和轴向进给的作用下最终贴模成形；第二阶段则是移除约束，材料最终完全贴模成形。

有限元分析模型的建立

图3所示为桥壳本体胀形的模拟模型，基于最终胀形件的几何形状以及胀形过程中载荷作用的对称性，在建立有限元模型时我们只建立模型的1/2，以提高模拟效率。管坯为变形体，忽略温度变化的影响，采用C3D8R对管坯进行六面体单元网格划分，模具和冲头划分为刚性单元。在最大胀形处的上下两端圆弧区域施加YSYMM约束。管坯材料模型符合Mises屈服准则，摩擦系数为0.1，符合库伦摩擦定律。总的胀形过程划分为两步：第一步是在有YSYMM约束下的胀形阶段；第二步是撤销约束后的最终胀形阶段。

图3 桥壳本体胀形过程的有限元模型

不同加载条件下胀形模拟及分析

在胀形过程中，进给量太小，胀形不完全，且试件在后期会由于补料不足而破裂；相反，进给量过大，在胀形后期会使胀形件端部壁厚增厚，甚至会在压缩过程中产生褶皱和屈曲等不稳定状态。内压也是影响桥壳本体胀形的一个重要原因。低压进给、高压整形是成形中的普遍规律。

根据体积不变条件可以估算出胀形桥壳所需的轴向进给量，260mm是一组比较理想的进给量。而经过分析，最大整形内压为90MPa是比较合理的加载内压，对于一个合适的内压和轴向进给的参数组合，不同的加载路径可以对成形结果产生明显的影响。

在液压胀形过程中，相同的进给量会产生不同的结果，主要是有效进给量（流入大胀形量区的材料）的不同。随着材料贴模量的增大，贴模区材料与模具之间摩擦力增大，导致材料流动困难。因此我们将大部分的轴向补料分配在第一阶段，第二阶段只需少量进给量。若在第二阶段轴向补料过多只会使管坯端部壁厚增厚。根据零件的实际要求，既要有合理的壁厚分布，又要有较大的胀形量，因此内压和轴向进给的匹配关系十分重要。本研究主要就这两个因素对成形的影响进行分析。拟采用3种不同的加载路径研究其影响规律。加载路径见图4。

图4 胀形过程的加载路径

图5 不同路径下第一阶段胀形结果

第一阶段胀形结束后不同加载路径下的胀形结果如图5所示。通过对成形过程的分析发现，在成形初期，管坯材料主要沿周向流动，端部首先贴模成形，中间部分胀形量为0。随着轴向进给量的增加，在内压的作用下，管坯中间部分逐渐贴模成形，贴模量随加载路径的不同呈不同的变化趋势。从图中可以看出，路径1条件下管坯中部贴模成形区域最大，受约束区域外的材料基本上都贴模成形，最大胀出部分直径为φ302mm，胀形系数K＝1.47。图5b、c中间部分都存在胀形量不够、部分区域没有充分贴模成形，最大胀出部分直径和胀形系数均小于路径1。其中图6b中间截面的圆弧区域出现了轻微的失稳起皱。分析其原因，虽然第一阶段最终的成形内压都为40MPa，但路径1的初始内压为36MPa，内压加载在成形过程中保持平稳的变化，与初始内压为0的加载路径相比，更有利于中间部分的成形。另外在加载的初始阶段，由于内压相对增加不足，轴向补料为材料变形的主导因素。而圆弧区域材料流动阻力增大，若内压较小，材料在此处向前流动困难，导致结束时中间部分贴模量不够。轴向补料的进一步增多也会使此处容易出现失稳起皱。通过分析比较，路径1是第一阶段内高压成形中较为合理的加载路径。

图6 第二阶段结束时胀形件中间截面处形状

在第二阶段轴向补料量相同的情况下，我们通过分析中间最大胀形处成形情况来研究两阶段成形之间的承接联系。图6为最终胀形件中间最大尺寸处的截面形状。从图6a中可以看出，路径1条件下材料最终完全贴模成形，截面形状为规则的矩形，圆角半径为20mm，符合零件图要求。其他加载条件下的成形件都出现材料没有完全贴模的情况。通过对成形过程的模拟发现，第一阶段除受抑制区域外材料贴模成形量越大，第二阶段中的轴向补料就越多地流入受抑制区域，不仅有利于材料完全贴模成形，而且可以改善壁厚均匀度。

桥壳本体胀形件壁厚分析

ABAQUS的Visualization模块可以提供内高压成形过程中不同节点处材料在某一方向上位移随时间的变化曲线，通过这些曲线，我们可以得出成形结束时不同节点处材料壁厚相对于初始壁厚的变化量，为我们研究其壁厚分布、减薄率提供依据。

通过模拟发现，中间最大胀形截面上不同部分的壁厚减薄率不同，为了准确测定截面上不同部分壁厚分布情况和减薄率，我们在胀形前的中间截面上选取三个典型节点，如图7所示。在胀形结束时，节点1处的壁厚减薄量最小，而节点2处减薄最严重。通过分析节点处材料在变形过程中随时间的位移曲线，可以得到相应位置的壁厚分布和减薄率。根据各节点在胀形过程中的实际位移量与理想状态下（壁厚不减薄）的位移量的差值来计算减薄率。其中，φ＝（S0－S1）/d（S0为理想位移量，S1为实际位移量，d为初始壁厚）。

图7 最大胀形截面上节点的选取

通过计算，节点2处区域在胀形结束后壁厚减薄量最大，减薄率为20％，此处区域在胀形过程中受到双向拉应力的作用，壁厚单元减薄较快。节点1处区域减薄率最小，为10.3％，此处在胀形过程中承受单向压缩和两向拉伸的应变状态，壁厚变化较小，而节点3处的壁厚减薄率为14％，此处由于在第一阶段胀形过程中受到抑制，其他部分贴模成形，因此在最终成形阶段由于摩擦力的作用阻碍了材料的流动，壁厚减薄较大。

用同样方法，我们在零件沿母线方向上选取32个节点，分别以1、2…32来表示各个点，根据沿母线上各节点处材料的流动情况，可以得到成形件壁厚沿母线方向的分布趋势，如图8所示。沿母线方向上的壁厚分布整体上呈由端部向中间递减的趋势，端部最厚处为9.4mm，增厚率为17.5％。由于在圆弧过渡区材料流动阻力大，材料流动困难，一部分材料在此处滞留导致此区域壁厚呈上升趋势。研究表明，由桥壳本体的受力及其形状可知， 两端大、中间小的壁厚分布趋势是较为合理的。

图8 成形件壁厚沿母线分布趋势

结束语

（1）研究了桥壳本体整体液压成形工艺，在前期对缩径成形工艺进行模拟和试验的基础上，重点对桥壳本体胀形工艺进行了有限元分析。运用模拟方法研究汽车桥壳本体液压成形工艺，对于分析成形件壁厚分布、实施观测和预防成形缺陷、寻找最佳加载路径匹配等方面来说，达到预期效果，结果较为理想。并为随后的试验研究提供理论依据，以减少试验量，缩短试验周期，提高试验质量。

（2）车桥本体液压成形过程中，通过合理制定工艺方案、优化内压和轴向进给加载路径可以有效控制材料流动，改善中间最大胀形处的贴模性和壁厚分布，防止表面缺陷，最大程度地发挥材料的塑性性能。模拟结果表明胀形过程分两个阶段，在加载路径1条件下的内压和轴向进给的加载方式下，成形效果较理想，沿母线方向壁厚分布合理，中间最大截面处最大减薄率为20％。无起皱和破裂的缺陷。