導(dǎo)讀：本文描述了用三維建模和有限元仿真軟件模擬橫梁成形的過程， 通過模擬現(xiàn)場參數(shù)，重現(xiàn)現(xiàn)場起皺問題，分析問題所在，再通過預(yù)成形型面和整體工藝的優(yōu)化，模擬出合格的成形結(jié)果。最后在現(xiàn)實(shí)中用優(yōu)化的工藝，試驗(yàn)做出了合格的零件。本文對復(fù)雜管式零件充液成形消除起皺現(xiàn)象具有一定的借鑒意義。

液壓成形技術(shù)是塑性加工領(lǐng)域的一項(xiàng)成形新技術(shù)，其中管材內(nèi)高壓成形由于能提供結(jié)構(gòu)輕量化的零件，是近年來塑性成形的一個亮點(diǎn)，所成形的材料已由低碳鋼管擴(kuò)展到不銹鋼管和鋁合金管及鎂合金管，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車零件和航空航天用零件的制造。內(nèi)高壓成形的基礎(chǔ)理論、工藝和設(shè)備的研究，已經(jīng)在轎車關(guān)鍵零件的批量生產(chǎn)和國防型號重要零件的研制中得到實(shí)際應(yīng)用。隨著汽車、航空、航天和機(jī)械行業(yè)對結(jié)構(gòu)整體化和輕量化的需求越來越高。近十年來，液壓成形技術(shù)尤其是內(nèi)高壓成形技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展，逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)中制造復(fù)雜異形截面輕體構(gòu)件的一種先進(jìn)成形技術(shù)。在汽車結(jié)構(gòu)輕量化中，采用輕質(zhì)材料減重的貢獻(xiàn)大約為 1/3，結(jié)構(gòu)減重的貢獻(xiàn)大約為 2/3。當(dāng)材料一定時， 減重的主要方法是設(shè)計合理的輕體結(jié)構(gòu)。對于承受彎扭載荷為主的結(jié)構(gòu)，采用空心變截面構(gòu)件，既可以減輕質(zhì)量又可以充分利用材料的強(qiáng)度。

汽車底盤車架一般由縱梁和橫梁組成。橫梁是汽車半獨(dú)立懸掛中的一個重要組成部分，其結(jié)構(gòu)簡單，占用空間較小，多用于前驅(qū)轎車的后懸掛系統(tǒng)。其中橫梁不僅用來保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷， 而且還可以支撐汽車上的主要部件。某汽車零部件廠在生產(chǎn)汽車橫梁（圖1）時，采用管材預(yù)壓預(yù)成形， 終壓終成形的工藝方式（圖 2），但在預(yù)成形階段， 由于型面要從中間的深 V 凹陷過渡到上表面平面，預(yù)壓時型面平面區(qū)域會被深 V 凹陷部分帶料，也變成凹陷形狀，而這凹陷在終成形內(nèi)高壓脹形中，多余的料無處可去，堆積形成皺褶，如圖 3 所示。

根據(jù)現(xiàn)場情況制定出了優(yōu)化方案：模擬現(xiàn)場情況→與現(xiàn)場實(shí)物對比→優(yōu)化預(yù)成形型面→現(xiàn)場做零件驗(yàn)證優(yōu)化工藝→對比總結(jié)。

圖 1 數(shù)模形狀

圖 2 工藝路線

圖 3 現(xiàn)場問題

按現(xiàn)場工藝用有限元軟件模擬

首先利用三維建模軟件提取出現(xiàn)場預(yù)成形、終成形模具的型面，導(dǎo)入有限元仿真軟件，再把現(xiàn)場正在用的工藝參數(shù)設(shè)置導(dǎo)入到有限元仿真軟件里，經(jīng)過計算機(jī)模擬預(yù)成形、終成形，計算得出現(xiàn)場型面和工藝下的零件模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖 4 型面模擬結(jié)果

通過比較模擬結(jié)果和實(shí)際做出來零件，可以看出在零件端頭V 形面與平面過渡的地方都有起皺現(xiàn)象， 模擬貼模度為 2.2mm，實(shí)際零件貼模度為 3.1mm。所以有限元仿真軟件模擬的準(zhǔn)確度還是比較高的，用它模擬出來的結(jié)果還是比較可信的。

分析并提出優(yōu)化方案

經(jīng)過仔細(xì)分析模擬成形的過程，發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵出在預(yù)成形階段。預(yù)成形階段形成的起皺是一個死皺， 在第二序有限的內(nèi)高壓脹形力下，很難達(dá)到預(yù)期的平面。零件端頭 V形面與平面過渡的地方起皺主要是因?yàn)橥鼓Ｏ滦袝r，V 形面先接觸管料，此時未接觸的部分也因?yàn)閹Я系脑颍蚬軆?nèi)凹陷，但此時凹陷不是很多，僅僅是凹陷了很有限的一小段，而且凹陷的曲率比較大。隨著凸模繼續(xù)下行，端頭的平面部分也開始接觸管料，整個凸模長度上都有地方作用在管料上，此時之前凹陷的管端徹底沒有了支撐，直接凹陷下去，一直到管端。

并且在凸模平面沒有接觸到管料之前，雖有帶料凹陷，但凹陷不是很嚴(yán)重，可以在終成形的內(nèi)高壓下脹成平面。此時之所以凹陷不是很嚴(yán)重，是因?yàn)楣芏似矫孢€沒有接觸到管料，管端圓形的結(jié)構(gòu)對凸模V 形部分的帶料有一個很好的支撐效果，一定程度上抑制了凹陷的進(jìn)一步擴(kuò)張。而端頭平面開始接觸管料以后，這個支撐效果消失，多余的料只能堆積起來， 形成一個連續(xù)到管端的大皺，皺的線長度比平面的線長度長太多，意味著此處預(yù)成形堆積了比終成形多很多的料，終成形無法把這些料流到其他地方，最終形成皺。

綜上分析，提出了解決問題的具體方案：

⑴在預(yù)成形階段用支撐效果剛好的圓截面代替支撐效果很差的方截面；

⑵減少V 形帶料區(qū)的長度，增加對面圓截面的長度，中間用平順圓滑過渡作為二序壓料的避空區(qū)， 如圖5 所示。

圖 5  預(yù)成形型面圖

下面通過軟件模擬，模擬零件成形優(yōu)化結(jié)果。

預(yù)成形

預(yù)成形型面是一個中間態(tài)型面，所以可以根據(jù)成形需求進(jìn)行更改和優(yōu)化。根據(jù)上面提出的優(yōu)化方案，建立數(shù)值模擬模型如圖 6 所示。

圖 6  數(shù)值模擬模型

⑴工藝參數(shù)。

如圖 7 所示，預(yù)成形工藝參數(shù)包括模具的摩擦系數(shù)，上模的位移和速度等。模具的摩擦系數(shù)是影響材料在模具內(nèi)流料的重要參數(shù)，材料的流動性能又直接關(guān)系到零件成形的減薄與增厚，會導(dǎo)致零件的破裂與起皺等不良現(xiàn)象。汽車橫梁是一種大批量生產(chǎn)的零件， 給模具做潤滑措施會影響整條生產(chǎn)線的節(jié)拍和效率，所以此處仿真模擬不考慮在模具與零件之間做潤滑措施，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值， 取模具的摩擦系數(shù)為 0.125；上模位移即上下模的開口度，以不影響進(jìn)料和取件為宜，取 150mm；上模下行速度為1000mm/s。

圖 7 模擬參數(shù)設(shè)置

⑵模擬結(jié)果。

如圖 8、圖 9 所示，從第一序模擬結(jié)果來看，管端用圓形管支撐， 成功避免了過多帶料問題，最大減薄 10.5%，在 V 形管與斜坡的交界處，沒有破裂現(xiàn)象。最大增厚13.2%，在斜坡的中段，是斜坡壓料段和斜坡避空段的交界處，無起皺現(xiàn)象。

圖 8 減薄云圖

圖 9 FLD 成形圖

終成形

如圖10 所示，終成形型面用零件數(shù)模的型面，上下合模再充液脹形。 

零件數(shù)模的型面，先上下合模再充液脹形。

零件數(shù)模的型面，先上下合模再充液脹形。

圖 10 終成形數(shù)值模擬

⑴工藝參數(shù)。

如圖 11、12 所示，終成形工藝參數(shù)包括模具的摩擦系數(shù)、上模位移、合模速度、液室壓力變化曲線等，下面主要闡述最大液室壓力的計算。

圖 11 模擬參數(shù)設(shè)置

圖 12 液體壓力匹配設(shè)置

充液脹形過程中最大液室壓力的確定直接關(guān)系到零件的成形情況，如貼模度、避免起皺等，也直接影響所用設(shè)備噸位的確定，是仿真模擬首先需要設(shè)定的工藝參數(shù)。零件成形液室壓力 P 的初步設(shè)定可按公式(1) 計算：P=(t/r）*σs，其中，t 為零件材料厚度，本件為 3.5mm；r為零件最小圓角半徑，本件最小圓角半徑在零件中間耳朵處，為 10.8mm；σs 為零件材料屈服強(qiáng)度，SHLA550 屈服強(qiáng)度為550MPa；計算所需脹形液室壓力為178MPa，選取 180 MPa 進(jìn)行仿真模擬。

⑵模擬結(jié)果。

如圖 13、圖 14 所示，第二序管端圓管壓平，脹形結(jié)果顯示沒有破裂和起皺的現(xiàn)象， 貼模度很好。技術(shù)難點(diǎn)管端平面沒有凹陷，平面與 V 形交接的地方過渡完美。

圖 13 減薄云圖

圖 14 FLD 成形圖

試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)機(jī)床：800t 單動預(yù)成形壓機(jī)、5000t 單雙兩用充液成形終成形壓機(jī)。

試驗(yàn)地點(diǎn)：某汽車零部件生產(chǎn)線。

從圖 15 中可以直觀的看出來，經(jīng)過工藝優(yōu)化，零件成形狀態(tài)與數(shù)值模擬狀態(tài)一致，即改變了預(yù)成形型面，改善了管料的流動情況，成功地解決了管端定位平面起皺的問題，保證了零件定位平面的平面度，從而保證了該扭力梁零件的整體質(zhì)量，為后續(xù)裝配掃清了障礙。

 

圖 15 優(yōu)化前后最終零件對比圖

 

結(jié)論

⑴異形截面管的成形可以通過中間序，控制坯料流動方向。

⑵通過改變預(yù)成形模具型面，成功地改善了管坯的變形流料方向，在成形極度困難的情況下， 避免預(yù)成形階段管坯上死皺的產(chǎn)生，在終成形階段得到合格零件， 并穩(wěn)定生產(chǎn)。為汽車底盤橫梁成形提供了新思路和切實(shí)可行的新工藝。

 

 ——文章來自《鍛造與沖壓》2019年第12期