1.1 零件特征及截面分析

　　圖 1 為扭力梁數(shù)模及典型截面形狀，管件為 V型結(jié)構(gòu)，以 A-A 截面為對(duì)稱面，零件左右對(duì)稱，并且零件的軸線為空間曲線，沿軸線方向截面形狀變化復(fù)雜，截面變形程度大，從端部到中間 V 型截面形狀變化到端面的類梯形截面形狀。沿管件的軸線方向截面的寬度也發(fā)生很大的變化，最小寬度為90 mm，位于 V 型區(qū)域，最大寬度為 120 mm，位于端部區(qū)域。

　　1.2 管材脹形性能測(cè)試

　　管坯初始材料選用超高強(qiáng)鋼 Dome 700MC，直徑為 101.6 mm，壁厚為 2.8 mm。采用管材脹形測(cè)試的方法獲得管材的力學(xué)性能，測(cè)試過程中采用端部約束的方式，加壓過程中不補(bǔ)料，選擇不同長徑比進(jìn)行脹形性能測(cè)試，根據(jù)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得到管材的屈服強(qiáng)度δs 為 796 MPa，抗拉強(qiáng)度δb 為 865 MPa，延伸率為 19.1%，硬化指數(shù) n值為 0.06，材料強(qiáng)度系數(shù) K 值為 1050 MPa。

　　1.3 工藝方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)扭力梁零件的特點(diǎn)，成形的主要工序包括預(yù)成形和內(nèi)高壓成形 2 個(gè)典型過程，如圖 2 所示，此外還包括下料和端部切割等輔助工序。扭力梁的預(yù)成形主要是指截面形狀的預(yù)成形，是通過機(jī)械擠壓的方式使管坯的截面形狀預(yù)先發(fā)生變形；而內(nèi)高壓成形工序是通過高壓液體的作用，使管坯和內(nèi)高壓成形模具貼合成形為最終的零件。在所有成形工序中，預(yù)成形工序是扭力梁成形的關(guān)鍵工序，預(yù)成形的主要目的包括 3 個(gè)方面：一是使管坯預(yù)先發(fā)生變形，保證管材在內(nèi)高壓成形過程的順利合模，避免出現(xiàn)飛邊等缺陷；二是預(yù)先合理地分配材料，使管坯沿周向材料分配合理，保證在內(nèi)高壓成形過程中變形的均勻性和一致性，避免出現(xiàn)局部過渡減薄甚至開裂等缺陷；三是預(yù)先發(fā)生變形，減少內(nèi)在高壓成形工序的成形時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

　　2.1 數(shù)值模擬模型

　　扭力梁內(nèi)高壓成形數(shù)值模擬采用有限元程序LS-DYNA，重點(diǎn)研究了預(yù)制坯形狀參數(shù)變化對(duì)扭力梁內(nèi)高壓成形過程的影響。圖 3 給出了扭力梁預(yù)成形和內(nèi)高壓成形的有限元模型。其中模具被定義為剛性體，管坯單元類型采用 Belytschko-Tsay 殼元，共離散成 30 123 個(gè)單元。內(nèi)高壓成形過程中采用 Coulomb 摩擦，模具和管坯之間的摩擦因數(shù)為 0.1。內(nèi)壓均勻分布在管坯內(nèi)表面，并且線性增加到 200 MPa。

　　2.2 缺陷預(yù)測(cè)

　　如果預(yù)成形不合理，則會(huì)出現(xiàn)飛邊缺陷，如圖4 所示，試件在合模過程即產(chǎn)生嚴(yán)重的飛邊現(xiàn)象，金屬不能全部進(jìn)入模腔，堆積于分模面，這種情況無法繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)高壓成形過程，在實(shí)際生產(chǎn)中要嚴(yán)格避免出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。否則，不但會(huì)使所成形的產(chǎn)品報(bào)廢，而且飛邊會(huì)對(duì)模具產(chǎn)生很大的損傷。產(chǎn)生這種飛邊缺陷的主要原因是管坯原始直徑大于扭力梁模具型腔截面寬度，導(dǎo)致在合模的過程中，金屬留在分模面以外，所以對(duì)于該扭力梁的內(nèi)高壓成形，合理預(yù)成形形狀是非常關(guān)鍵的。接下來，將采用響應(yīng)面模型對(duì)扭力梁預(yù)制坯形狀進(jìn)行優(yōu)化。

　　2.3 預(yù)制坯形狀優(yōu)化

　　由于試件的最小寬度為 90 mm，初始管坯直徑為 101.6 mm，需要通過預(yù)成形將管坯的寬度收縮到一定范圍，保證在后續(xù)的合模過程順利進(jìn)行。預(yù)制坯形狀優(yōu)化的參數(shù)模型如圖 5 所示，它包括 2 個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)：下模引導(dǎo)角 α和上模的壓下距離 h。下模引導(dǎo)角是指 V 型下模側(cè)壁和豎直方向的夾角，上模壓下距離是指上模的底部和管材接觸后開始計(jì)算所壓下的距離。目標(biāo)函數(shù)采用內(nèi)高壓成形后扭力梁的最小壁厚，其函數(shù)表達(dá)式如下：

　　優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)，采用響應(yīng)曲面模型。2 個(gè)優(yōu)化參數(shù)分布按 5 個(gè)級(jí)取值，取值分別為-√2， -1，0，1和√2，相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)及其成形參數(shù)見表 1。通過計(jì)算軟件 Minitab 創(chuàng)建，組合設(shè)計(jì)矩陣及模擬響應(yīng)值見表 2。

　　根據(jù)所述響應(yīng)值的方差分析，對(duì)數(shù)學(xué)回歸模型和響應(yīng)值的變量進(jìn)行評(píng)價(jià)。建立一個(gè)多變量二次回歸模型進(jìn)行說明，最小厚度可表達(dá)如下：

　　圖 6表示 2個(gè)參數(shù)對(duì)響應(yīng)值的影響三維響應(yīng)面圖，從圖 6 中可以看出明顯存在峰值，這表明該模型中響應(yīng)值在參數(shù)范圍內(nèi)不是單調(diào)變化的。根據(jù)遺傳算法方法，采用軟件 Matlab 獲得最佳預(yù)制坯形狀。最優(yōu)的模具導(dǎo)角 29.2°，上模最優(yōu)的壓下距離 h=62.2 mm，圖 7 給出了最佳的預(yù)制坯形狀。

　　2.4 加載路徑優(yōu)化

　　在內(nèi)高壓成形過程中，加載路徑通常包含 3 個(gè)方面：合模力和加載時(shí)間之間的關(guān)系；內(nèi)壓和加載時(shí)間之間的關(guān)系；軸向進(jìn)給和內(nèi)壓之間的關(guān)系。圖 8為扭力梁內(nèi)高壓成形過程中的加載路徑，其中圖 8a為合模力和內(nèi)壓隨時(shí)間的變化曲線，采用可變合模力，即內(nèi)壓隨合模力變化而變化，在加載初期，設(shè)備提供一個(gè)較小的合模力，隨著內(nèi)壓的增加，合模力按比例逐步增加，始終大于內(nèi)壓產(chǎn)生的反作用力。可變合模力加載方式，顯著避免內(nèi)高壓成形模具長期處于高應(yīng)力狀態(tài)的情況，提高模具的疲勞壽命。圖 8b 給出了成形過程中軸向進(jìn)給和內(nèi)壓的匹配關(guān)系，其中初始內(nèi)壓是用來避免因軸向力引起的屈曲。

　　3.1 成形模具

　　圖 10 所示為扭力梁預(yù)成形和內(nèi)高壓成形模具，模具包括模座、模塊、水平缸、承壓塊、導(dǎo)柱和導(dǎo)套等，預(yù)成形模具安裝在 200 t 預(yù)成形機(jī)上，如圖 10a 所示，內(nèi)高壓模具安裝在 6000 t 內(nèi)高壓成形機(jī)上，如圖 10b 所示。

　　3.2 成形過程與典型缺陷

　　當(dāng)預(yù)制坯形狀不合理時(shí)，在內(nèi)高壓成形合模過程就會(huì)出現(xiàn)飛邊缺陷，在管件中間 V 型截面和端部截面的過渡區(qū)域，如圖 11a 所示。而在內(nèi)高壓成形過程中，當(dāng)軸向進(jìn)給大于 8%時(shí)，則會(huì)在端部過渡區(qū)域出現(xiàn)起皺缺陷，即使采用很高的整形壓力，皺褶也難以消除，如圖 11b 所示。只有當(dāng)采用合理的預(yù)制坯形狀和合適的加載路徑時(shí)，才能成形出合格的扭力梁內(nèi)高壓成形件，如圖 12 所示，為扭力梁成形過程中的各工序件，包括管坯件、預(yù)成形件和內(nèi)高壓成形件。

　　3.3 成形精度

　　圖 13 所示為內(nèi)高壓成形后扭力梁的成形精度。成形精度定義為設(shè)計(jì)尺寸和實(shí)際尺寸之間的差異。軸向進(jìn)給顯著改善了各截面的尺寸偏差。當(dāng)沒有軸向進(jìn)給時(shí)，最大尺寸偏差為 2.7％，位于端部位置；當(dāng)軸向進(jìn)給量為 4%時(shí)，最大尺寸偏差降低到 1.5％；而當(dāng)軸向進(jìn)給增加到 8%時(shí)，整個(gè)扭力梁的尺寸偏差在可接受的范圍 0.5％以內(nèi)。

　　對(duì) 4 個(gè)典型截面進(jìn)行尺寸測(cè)量，獲得了這典型截面長寬以及圓角半徑等參數(shù)，如圖 14 所示。截面 A-A 水平方向最大長度為 89 mm，豎直方向最大長度為67.2 mm。截面F-F水平方向最大長度為108mm，豎直方向最大長度為 74.2 mm。截面 G-G 截面水平方向最大長度為 110.6 mm，豎直方向最大長度為 76.2 mm。截面 I-I 水平方向最大長度為121.2 mm，豎直方向最大長度為 80 mm，各截面尺寸滿足成形精度的要求。

　　采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法，開展了 780 MPa超高強(qiáng)鋼扭力梁內(nèi)高壓成形的研究，重點(diǎn)研究了預(yù)制坯形狀對(duì)扭力梁內(nèi)高壓成形的影響，并采用響應(yīng)面模型，優(yōu)化了預(yù)制坯形狀，獲得了最優(yōu)的預(yù)制坯形狀。在此基礎(chǔ)上，研究了加載路徑對(duì)扭力梁內(nèi)高壓成形過程的影響，所得結(jié)論如下。

　　1) 預(yù)成形工序是扭力梁內(nèi)高壓成形的關(guān)鍵工序，而壓下量和下模引導(dǎo)角是 V 型扭力梁預(yù)成形的重要參數(shù)。當(dāng)扭力梁預(yù)成形壓下量為 62.2 mm，下模引導(dǎo)角為 29.2°時(shí)，可以得到最優(yōu)的預(yù)制坯形狀，能有效避免扭力梁內(nèi)高壓成形過程中的飛邊缺陷，保證后續(xù)內(nèi)高壓成形的順利合模和材料預(yù)先分配。

　　2) 加載路徑控制是扭力梁內(nèi)高壓成形過程中避免起皺和過度減薄，提高成形極限和零件成形精度的重要途徑。當(dāng)支撐壓力過小或補(bǔ)料量過大，在試件端部發(fā)生起皺缺陷；支撐壓力過大或者補(bǔ)料量過小，補(bǔ)料主要集中于端部，對(duì)大膨脹量區(qū)域影響較小；當(dāng)采用補(bǔ)料量為 8%的加載路徑時(shí)，可以有效地改善壁厚的分布，避免起皺缺陷。

　　3) 軸向進(jìn)給顯著改善了扭力梁內(nèi)高壓成形件各截面的尺寸偏差。當(dāng)沒有軸向進(jìn)給時(shí)，最大尺寸偏差為 2.7％；當(dāng)軸向進(jìn)給量為 4%時(shí)，最大尺寸偏差降低到 1.5％；當(dāng)軸向進(jìn)給為 8%時(shí)，整個(gè)扭力梁的尺寸偏差在可接受的范圍 0.5％以內(nèi)。