胀－压复合成形汽车桥壳预成形管坯的设计及成形试验

崔亚平 王连东 杨立云 杨东峰

燕山大学，秦皇岛，066004

0 引言

汽车桥壳是汽车上的主要承载件之一，形状复杂，几何尺寸大，强度和刚度要求高。目前它主要用铸造和冲压焊接方法来制造，铸件强度高，但质量大，冲压件质量轻，但焊缝强度低。用液压胀形方法制造汽车桥壳［1-2］，比铸造方法节省材料，比冲压焊接方法工序简化、材料利用率高、壁厚变化合理。本世纪初，有学者针对微型汽车桥壳的液压胀形过程进行了数值模拟［3］。燕山大学在汽车桥壳液压胀形的工艺理论及成形技术等方面做了一定的研究［4-5］。汽车桥壳为异形截面大尺寸复杂形状的管类件，用常规液压胀形工艺制造，桥包部分的过渡小圆角不易贴模，需要较高的内部胀形压力、较大的设备吨位。目前，液压胀形工艺尚无法用于汽车桥壳的工业化生产。

Mason在1999年提出了管材径压胀形工艺的概念，Kang等［6］数值模拟了圆形管材径压胀形成复杂截面零件的过程，分析了管材尺寸对成形性能的影响;Nikhare等［7］模拟了预成形管的液压胀形过程，研究了预成形对液压胀形成形性的影响。

燕山大学液压胀形课题组提出了适用于大尺寸变径异形截面管类件的钢管胀－压复合成形汽车桥壳新工艺:选择一定尺寸的无缝钢管，先对其两端缩径中部液压胀形(称为预成形)，使其成形为轴对称的预成形管坯，再对其内部充液(水)并用模具压制成形。

本文提出了钢管胀－压复合成形汽车桥壳预成形管坯的设计方法，针对某小型汽车桥壳通过有限元模拟，分析了预成形管坯截面大小对压制成形的影响，确定了合适的截面系数，并在普通液压机上成功试制出合格桥壳样件。

1 小型汽车桥壳胀－压复合成形工艺简介

某小型汽车桥壳的总长为1050mm，中间截面最大高度(当量直径)为212mm，两端直臂圆管部分外径为67mm，受液压机开间的限制，将桥壳样件总长度缩减至470mm。桥壳样件的几何形状如图1所示。

图1 桥壳样件三维模型

桥壳主要由两端直臂部分及中间桥包部分组成，桥包部分前盖和后盖底部存在过渡小圆角，难成形。样件成形后需切掉前盖，用于安装主减速器。

管坯选用初始直径102mm、壁厚5.5mm的20无缝钢管，其屈服极限σs为370MPa，强度极限σb为420MPa，延伸率δ为30%，硬化指数n为0.2。桥壳的胀－压复合成形工艺如图2所示。初始管坯长565mm(图2a)，两端缩径后外径减至67mm，总长变为595mm(图2b);缩颈后管坯中部经过两次液压胀形(图2c)后，长度减至470mm，中部最大直径为207mm。液压胀形后的管坯称为预成形管坯，对其内部充液后再用模具压制成形桥壳样件(图2d)。

图2 某小型桥壳胀-压复合成形工艺

2 预成形管坯的设计方法

预成形管坯的设计方法如下:

(1)预成形管坯为轴对称状的回转体。

(2)预成形管坯长度与制件长度相等。

(3)预成形管坯直臂部分周长与制件对应部分截面周长相等;桥包部分截面周长Ly与制件对应横截面周长Lz存在一定的比例关系，即

式中，k为截面系数。

截面系数k的取值决定了预成形管坯的尺寸，直接影响桥壳的成形性。试验研究表明:k值选取适当，桥包部分过渡圆角大小合适，直边部分轮廓清晰;k值选取不当，桥包部分轮廓不清晰，或者过渡圆角过小、压制力过大，甚至破裂。

3 截面系数值的确定

3.1 有限元模拟

因前期缩径及胀形工艺对预成形管坯的成形性有很大影响，故使用有限元分析软件ANSYS在初始管坯的缩径及胀形模拟基础上进行压制成形模拟，重点分析桥壳模拟样件轮廓成形尤其是桥包部分过渡圆角的成形情况。

根据上述预成形管坯的设计方法，给定桥包部分截面系数 k三个不同的取值0.94、0.97、1.00，设计相应的预成形管坯及二次胀形模具。

根据成形样件的结构特点，只对1/4模型分析，使用Solid45单元对初始管坯进行网格划分，通过建立刚－柔接触模型及在缩径模具上施加位移以模拟缩径成形过程;通过对缩径后的管坯内部施加压力载荷以及在胀形模具上施加位移来模拟管坯的胀形过程。初次胀形后的模拟样件如图3a所示，k=0.97时得到的二次胀形后模拟样件即预成形管坯如图3b所示;当k值依次选取0.94、0.97、1.00时，相应地按照图4路径1、路径2、路径3进行压制成形模拟，均能成形。

图3 胀形模拟样件

图4 压制成形加载路径

图5所示为k=0.97情况下预成形管坯压制成形时的有限元模型，压制时下模及侧模不动，上模自初始位置下压53mm至上下模间距为67mm，期间管坯内部压力保持15MPa不变，最后加至40MPa进行校形，图6所示为压制成形后的模拟样件。

图5 压制有限元模型

图6 压制后模拟样件

3.2 模拟结果

针对三组模拟样件，自中心横截面(截面1)向直臂部分每间隔22.5mm的轴线长度截取一个测量截面，90mm的轴线长度共截取5个截面(图1)，分别测量每个样件前盖及后盖5个截面位置的过渡圆角大小，首先将模拟结果中的截面节点坐标数据导入Excel，还原为真实大小的截面形状，输出后用圆角规测量桥包处过渡圆角大小，测量结果如表1所示。由表1的模拟结果可知:

(1)桥包部分过渡圆角尺寸随着k值的减小而增大。在k分别为1.00、0.97、0.94时，后盖截面2上过渡圆角值分别为 5.5mm、11.0mm、14.5mm。

(2)同一模拟样件，桥包部分后盖过渡圆角值较前盖大。当k=0.97时，截面3上，后盖圆角值为10.0mm，较前盖8.5mm大1.5mm。

(3)模拟值与设计值存在一定偏差。k=1.00时，过渡圆角值均小于设计值，最小圆角值为4.5mm，较设计值小5.5mm;当k=0.94时，各圆角值均大于设计值，最大圆角值为17.5mm，较设计值大7.5mm。

表1 模拟样件过渡圆角值 mm

经过对多组k值下不同预成形管坯进行成形的有限元模拟，结果表明:当k值小于0.94时，桥包部分的过渡圆角太大，外形轮廓不清晰;当k值大于1时，桥包部分的过渡圆角太小，模具压制力大。最终确定k的取值范围为0.96～0.98。

由模拟结果可知，随着k值的减小上模的压制力减小，当k值分别为1.00、0.97及0.94时，压制力分别为200 900g、168 760g及 139 320g(g=9.8 N/kg)，故k在允许取值范围内选取小值可降低设备吨位。

4 成形试验

按图2所示的成形工艺(相应的截面系数k为0.98)，在YA32－315液压机上进行管坯的缩径、胀形及压制成形试验，得到了桥壳样件，如图7所示。

图7 试验试件

针对试验桥壳样件，截取与模拟样件截面位置相同的5个截面，同样用圆角规分别测量前后盖各截面上过渡圆角尺寸，其结果如表2所示。由测量结果知:桥包部分过渡圆角尺寸均符合设计要求，试验值与模拟值的最大差值为1.5mm。主要原因在于:截面数据导出后拟合还原时存在误差;因试验内部液体压力控制精度的原因，试验记录的加载路径与真实情况有误差。

表2 试验样件过渡圆角值 mm

5 结论

(1)本文提出了预成形管坯的设计方法:预成形管坯为轴对称状的回转体，长度与桥壳制件相等;预成形管坯直臂部分周长与制件对应部分截面周长相等;桥包部分截面周长与制件对应横截面周长存在一定的比例关系。

(2)针对小型桥壳的钢管胀－压复合成形工艺，对不同截面系数对应的预成形管坯进行有限元模拟，结果表明截面系数为0.96～0.98，成形性好，桥包部分过渡圆角大小合适，轮廓清晰。

(3)根据预成形管坯设计方法制定的胀－压复合成形工艺，在普通液压机上成功试制出小型桥壳样件，证实了提出的预成形管坯设计方法可行。

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