预成形管坯压制成形汽车桥壳的变形分析

王连东 杨东峰 崔亚平 陈国强

燕山大学，秦皇岛，066004

0 引言

管材液压胀形工艺具有简化制造工艺、减轻制件质量、提高制件强度刚度等优点，已经广泛用于航空、航天和汽车等领域。针对形状复杂的管类件，需要先对初始管坯进行预成形，再进行液压胀形成形。文献［1］用商业有限元软件数值模拟了预成形管在不同的内压与轴向进给条件下的液压胀形，研究了预成形对液压胀形成形性能的影响，预测了极限变形，并与无预成形管进行了比较。文献［2］用有限元法分析了椭圆弯管在旋转式拉弯机上的成形过程。苑世剑等［3］关于轿车副车架液压胀形进行了大量的研究，将预胀形管坯横截面压制成凹曲线状，有效减小了成形时的液体胀形压力。

汽车桥壳属异型截面复杂管类件，要求有较高的强度刚度，选择无缝钢管用液压胀形制造，理论上科学合理。20世纪80年代，日本学者用液压胀形方法试制出微型汽车桥壳样件［4－5］，取得一些宝贵经验。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［6］。燕山大学在汽车桥壳半滑动式液压胀形的工艺理论、成形技术等方面做了一定的研究［7－8］。目前，液压胀形工艺尚无法用于汽车桥壳的工业化生产，主要在于其形状复杂，难成形，胀形压力大，壁厚减薄量大。

近期，燕山大学提出了胀压成形汽车桥壳的工艺：选择一定规格的无缝钢管，先将其两端缩径，中间部分液压胀形，得到轴对称的预成形管坯，内部充液后再用模具压制成形，得到异型截面的样件。本文结合某小型汽车桥壳模拟样件，着重分析了预成形管坯压制成形的变形过程以及壁厚的分布。

1 小型汽车桥壳样件胀压成形工艺简介

选择某小型桥壳，研究胀压成形工艺过程。该桥壳总长1050mm，中间截面最大高度212mm，两端部分外径φ67mm，受到液压机开间的限制将原桥壳两端直臂部分长度分别缩减290mm，桥壳样件总长度为470mm，如图1所示。选用初始直径102mm、壁厚5.5mm的20无缝钢管，两端缩径中间部分液压胀形后得到轴对称状的预成形管坯（图1b），去应力退火后再对其内部充液，外部用模具进行压制，成形为异型截面的桥壳样件（图1c）。

2 压制成形变形分析

2.1 横截面变形分析

截取管坯中间横截面（仅绘出外表面），分析桥包部分最大截面的变形过程，如图2所示。图2a所示为压制开始状态，管坯外圆上除b点、c点与上模接触，e点、f点与下模接触外，其余部分均未与模具型腔贴模，其中左段圆弧be的g点，右段圆弧cf的h点靠近左侧模、右侧模，而上段圆弧bc的a点、下段圆弧ef的d点距离上模型腔、下模型腔较远。

图1 某小型汽车桥壳胀压成形工艺

图2 横截面变形过程

压制时，左侧模、右侧模先运动到位后（图2a），上模向下运动、下模向上运动。上段弧bc两端受到模具压缩向下运动，中间部分在液体内压作用下向外扩张，逐渐靠向上模型腔，壁厚不断减薄；下段ef逐渐靠向下模型腔。

左段弧be受到压弯，上下端相向运动不断靠近，中间部分向外扩张，遇到侧模阻碍后，原来的一段圆弧变成一段竖边和上下两段弧（图2b）；随着上下模的进一步运动，上下两段圆弧进一步被压弯，其曲率半径不断变小，并逐渐出现水平直边，同时竖边变长，其壁厚减薄；右段弧cf的变形与左段be的变形类似。

上下模运动到位时（图2c），横截面左右两侧的直边、圆角均已成形；上段弧b2c2、下段弧e2f2仍未贴模，需通过增加液压，使其进一步胀形直至贴模，同时壁厚进一步减薄，其中a3点、d3点壁厚最小。

由桥包部分横截面压制过程中的变形可知，上下段圆弧主要发生胀形，壁厚不断减薄；左右段圆弧的变形属于在内压作用下的折弯，以折弯为主以胀形为辅。管坯横截面的大小对成形性的影响至关重要。

预成形管坯横截面大小合适时，左右侧的过渡圆角大小合适，直边部分轮廓清晰，过渡圆角部分的壁厚增厚，竖边部分壁厚略减薄；上下段圆弧经过适当胀形扩径，壁厚减薄。若预成形管坯横截面过小，上下段圆弧的胀形量大，壁厚减薄量大，易胀裂；左右段圆弧成形中亦需一定的胀形，壁厚仍有一定的减薄，需要的液体压力应适当增大。若管坯的横截面过大，上下段圆弧的胀形量小，但左右段圆弧压弯时，过渡圆角过小，上下模压制力大，甚至压不到位。

假定预成形管坯桥包部分的周长Ly与样件对应横截面周长Lw存在一定的比例关系，即

其中，k为截面系数。有限元模拟及试验研究表明，当截面系数k＝0.96～0.98时，压制时样件的成形性较好。

2.2 纵截面变形

截取过轴线及桥包部分上下盖最高点的纵向截面（仅绘出外表面），分析其变形过程。图3a所示为压制开始状态，管坯纵截面上只有j点、m点与上模型腔接触，q点、s点与下模型腔接触。压制时，管坯上j点、m点附近区域被上模压下，斜线ij段、mn段的斜度逐渐减小直至被压平，弧jm在液体内压作用下向外扩张，逐渐靠向上模型腔，同时壁厚不断减薄。轴线下方，oqrst的变形亦类似。

上下模压制到位时（图3b），上段弧j1m1、下段弧q1s1仍未贴模，需通过增加液压，使其进一步胀形，直至贴模，同时壁厚进一步减薄，其中k1点、r1点壁厚最小。

综合管坯横截面、纵截面上的变形，可知桥包部分的前盖、后盖部分，在上下模运动到位后，均需增加液体压力胀形扩径贴模，致使壁厚减薄量较大，若控制不当容易开裂，如图4所示。

图3 纵截面变形过程

图4 开裂样件

3 压制成形有限元模拟

针对图1所示的胀压成形工艺，使用有限元分析软件ANSYS模拟初始管坯的缩径及液压胀形制坯过程，得到预成形管坯（图1b）后，再模拟压制成形过程。鉴于预成形管坯结构对称，只建立1／4模型进行分析。使用Solid45单元对预胀形管坯进行网格划分，建立刚－柔接触，通过在管坯内部施加压力载荷在模具上施加位移来模拟管坯的预胀形压制成形过程。

图5所示为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至上下模最小间距为67mm时合模。压制时内压p0按下式确定：

式中，t1为预成形管坯最大外径处壁厚的平均值，其值为4.0mm；d1为管坯的最大外径，其值为207mm；σs为材料初始屈服极限，其值为320MPa。

图5 有限元模型

上模压下1／3行程时，桥包部分已初见一定的轮廓；上模压下2／3行程时，桥包部分轮廓已经部分成形，前后盖尚未贴模，过渡圆角较大；上模运动到位后，即上下模合模时，桥包部分轮廓已经成型，过渡圆角尺寸基本到位，但前后盖尚未贴模（图6），其中前盖与上模型腔的最大间距为7.58mm，后盖与下模型腔的最大间距为4.07mm。合模后，将液压增至40MPa，得到了外形轮廓清晰的样件（图7），横截面过渡外圆角半径达到8mm。

图6 上下模合模时管坯

图7 压制成形样件

改变压制成形过程中管坯内液体压力，模拟成形过程，结果表明：随着内压的减小，上下模合模时桥包部分前后盖与上下模型腔的间距增大，校形时需要的压力增大；无内压时，前盖处的最大间距为10.04mm，后盖处的最大间距为7.20mm，内压大于80MPa时前盖方能贴模，前盖胀形量大，壁厚减薄量大，极易发生图4所示的胀裂。

4 压制成形试验

4.1 压制成形模具

在YA32－315液压机上进行初始管坯的缩径、胀形试验，得到预成形管坯，再对其内部充液并用模具进行压制，得到异型截面的样件。压制成形模具（图8）主要由前模块14、后模块9、上模块15、下模块16、左压头4、右压头12组成。上模块15、下模块16分别固定在液压机的活动横梁及工作台上，下模块16两侧的前模块14、后模块9之间用4个横拉杆通过螺母连接。管坯10两端的左压头4、右压头12之间用纵拉杆1联接通过螺母紧固保证管端密封。纵拉杆1与左右压头之间有O形密封圈。左压头上安有充液管接头，右压头上有泄压阀及压力传感器。

4.2 压制成形过程

先将左压头4、右压头12装在管坯10上，紧固纵拉杆1两端的螺母2；将装好压头的管坯组件放到下模块上；装入横拉杆7，紧固螺母8，直至前模块14、后模块9靠在下模块的侧面上；向管坯10充液；上模块15压下，直至合模。压制中泄压阀11的初始压力设定为12MPa，合模后压力增加至40MPa，得到桥壳样件，如图9所示。与传统液压胀形工艺制造的桥壳样件［7－8］相比，胀压成形桥壳样件轮廓清楚，横截面过渡小圆角贴膜性好，而且成形所需的最高液体压力仅为40MPa，明显小于前者的100MPa。

图8 压制成形模具

图9 压制成形样件

4.3 样件壁厚分布

针对压制成形样件，用过其轴线且相互垂直的水平面（x面）、铅直面（y面）及轴向中间横截面（z面）将样件剖开（图10），分别测量三个面上的壁厚。沿轴向由内到外每间隔10mm选点测量x面、y面上壁厚；在横截面上，从x面起始向y面方向，每间隔8mm（曲线长度）选取测量点，测量20个点处的壁厚。

图10 桥壳样件解剖图

（1）纵向截面上壁厚。y面上壁厚变化曲线如图11a所示，中间桥包部分壁厚减薄，最小壁厚为3.82mm，较初始壁厚5.5mm减小30.55%；端部缩径部分壁厚增厚，最大值为7.80mm，较初始壁厚5.5mm增大41.82%。x面上壁厚分布趋势与y面上大致相同，桥包部分壁厚略小。

（2）横截面上壁厚。z面上壁厚变化如图11b所示。对应图1cA－A截面，过渡圆角处壁厚大于直线段及大圆弧段的壁厚。过渡圆角处的最大壁厚为4.60mm，大圆弧段中间点处的壁厚最小，其值为3.78mm，较最大壁厚小17.83%。

由图11中的有限元模拟样件的壁厚分布可知：有限元模拟结果与试验结果趋势相同，鉴于试验样件初始管坯壁厚存在一定的偏差，与试验值相比模拟值存在一定差异，横截面上的壁厚最大差值为5.3%，纵截面上的最大壁厚偏差为5.4%。

图11 样件壁厚分布

5 结论

（1）理论分析与有限元模拟表明，预成形管坯压制成形汽车桥壳样件的过程中，桥包部分的前盖、后盖部分进一步发生胀形，轴向、周向上产生伸长变形，壁厚减薄量大；其他部分的变形以折弯为主，预成形管坯大小适当，则其成形效果好，轮廓清晰，过渡小圆角合适。

（2）对压制成形桥壳样件研究结果：在纵向剖面上，端部缩径部分壁厚增厚，最大增厚量为41.82%，中间桥包部分壁厚减薄，最大减薄量为30.55%；在中间横截面上，过渡圆角处壁厚较大，大圆弧段的壁厚较小，最小壁厚值较最大壁厚小17.83%。

（3）汽车桥壳的胀压成形工艺，初步解决了该类件传统液压胀形时存在的成形性不好、壁厚分布不科学、胀形液体压力大的瓶颈问题。

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