随着汽车工业的发展, 对汽车的节能和废气排放提出了更高的要求, 这使得汽车的轻量化显得日益重要。除了选用铝、镁合金等轻质材料外, 选用轻体结构件是另一种有效途径, 由于弯曲轴线空心变截面结构件能够满足减重、节约空间以及提高强度和刚度的要求,使其成为汽车制造业以及航空航天领域的理想结构。而内高压成形技术正是在这种背景下发展起来的一种制造空心轻体构件的先进成形技术, 逐渐被用于汽车结构件的生产, 在减轻零件质量的同时提高了强度和刚度。
但是, 对于弯曲轴线变截面结构件, 为了能够使管坯顺利放入内高压成形模具中, 首先需要进行预弯, 将管坯弯成和零件轴线相同或相近的形状, 由于弯曲引起的壁厚减薄和增厚将导致内高压成形初始坯料壁厚不均匀。另外, 如果内高压成形模具的宽度大于管坯直径, 可直接将管坯放到模具中进行成形, 否则还需要预成形工序, 即采用机械挤压等方式, 使管坯在圆周方向上发生变形, 保证管坯能够顺利放入内高压成形模具中, 而预成形造成的管坯和模具贴模顺序不同将会引起内高压变形的不均匀, 容易导致在整体变形量很小的情况下, 局部存在很大的变形量。以上两种因素的存在, 直接导致开裂缺陷的产生及壁厚分布的不均匀。因此,开展弯曲轴线空心变截面结构件内高压成形变形不均匀的研究, 具有十分重要的意义。
对于弯曲轴线空心变截面结构件的研究, 前人的工作主要集中于寻找合理的工艺参数和工艺过程的仿真, 包括弯曲半径的选择, 圆角的填充, 加载路径的优化及成形过程数值模拟等, 针对不均匀变形的研究较少 。
本研究以底盘前梁为例, 研究了弯曲轴线多边形截面结构件内高压成形的不均匀变形问题, 重点研究初始坯料不均匀及复杂截面因贴模顺序不同造成的变形不均匀对后续内高压成形过程以及对壁厚分布的影响。
零件形状及成形工序
轿车底盘前梁是前悬架的左右两个构件, 而前悬架是整车的核心部件,起着承载整车、连接轮系、阻隔振动和噪声的功能, 受力情况比较复杂。因此, 底盘前梁作为前悬架的重要组成部分, 其性能对前悬架有着重要的影响,为了适应空间和承载的需要, 零件设计为轴线为空间曲线的空心变截面结构件, 轴线沿圆周方向具有一定的弯曲曲率, 同时在高度方向上具有一定的落差, 零件的截面形状以矩形截面为主,截面的形状和尺寸沿着零件的轴线呈现一定的变化, 如图1所示。
❖图1 底盘前梁零件图
管材采用直径Φ76 mm的低碳钢焊管, 材料屈服强度440 MPa , 抗拉强度530MPa , 延伸率34% , 硬化指数n为0114 , 厚向异性系数r为019 。内高压成形实验在哈尔滨工业大学研制的内高压成形机上进行, 根据内高压成形的工艺特点, 首先进行管坯弯曲。为了有效控制内高压成形中变形的均匀性, 还需要预成形工序, 预成形工序主要解决零件沿环向变形的均匀性, 适用于零件截面复杂或管坯经过弯曲后变为不均匀变形体等情况。
内高压成形是将预成形后的管坯放入内高压成形模具内, 两端密封加压, 在压力达到一定的范围内保压, 成形出合格的管件。
通过以上分析可以看出, 底盘前梁的内高压成形至少需要进行弯曲、预成形、内高压成形。随着内高压成形技术的发展, 将液压冲孔技术和内高压成形复合, 可以一次成形零件上的孔,大大简化了生产工艺, 提高了孔的加工和生产效率。
开裂缺陷
由于采用的管材为焊管, 弯曲过程中, 焊缝或热影响区会发生变形, 内高压成形时往往会在焊缝和热影响区出现开裂缺陷, 如图2 所示。焊缝开裂的主要原因是当采用焊管成形时, 因焊缝质量不良造成在焊缝及附近热影响区开裂, 在正常的生产中内高压成形过程主要开裂缺陷是焊缝开裂。因此,在选择焊缝位置时, 应尽可能的使焊缝位于变形量较小的区域, 例如位于弯曲的中性层位置。
❖图2 焊缝及热影响区开裂
图3 是底盘前梁内高压成形件破裂出现的典型位置。其中, 图3a 开裂出现在小弯外侧和大弯外侧的叠加区域, 图3b 开裂出现在小弯外侧的过渡区域, 图3c 开裂出现在大弯外侧的过渡区域。
❖图3 底盘前梁的开裂缺陷
(a) 两弯曲叠加区开裂(b) 大弯外侧过渡区开裂(c) 小弯外侧过渡区开裂从图中可以看出, 3 种开裂方式出现的位置虽然不同, 但皆出现在弯曲的外侧, 与弯曲过程的壁厚减薄有着重要的关系, 底盘前梁管坯经过两道弯曲工序, 使得管坯外侧壁厚减薄效果叠加,因此叠加处在内高压成形过程中最容易发生破裂。下面将结合不同的位置,分析开裂缺陷产生的原因。
图3a 出现的开裂方式主要是由于弯曲减薄和叠加结果造成的。大弯和小弯分别导致管材减薄, 而且在该区域两次减薄效果相互叠加, 更加增加了该区域的减薄, 造成管坯在内高压成形初期, 该区域沿环向壁厚分布非常不均匀, 同时该区域是圆角区域, 在内高压成形时后贴模, 形成最薄弱的环节，导致开裂的发生。
图3b 和图3c 出现的开裂方式主要是由于弯曲减薄和过渡区减薄叠加的结果。管材在进行数控弯曲时, 因弯曲导致管材的内侧发生增厚, 外侧发生减薄, 这样导致弯角区域的管坯在内高压成形的过程初期就是一个不均匀变形体。
如图4 所示, 由于弯曲过程导致弯角区域外侧最薄( E 点) , 内侧最厚( I点) , 从弯角内侧中点( I 点) 到外侧中点( E 点) 依次变薄, 在中性层附近壁厚基本保持不变( A 点) 。由此可以得到:t E < tD < tC < tB < tA < tI ……(1)对于没有弯曲过程的矩形截面内高压成形过程, 其环向壁厚分布规律为: 沿直边中点到圆角区域的过渡区,壁厚逐渐减薄, 在直边中点处壁厚最厚, 基本为初始壁厚, 在过渡区域的壁厚最薄, 这在以前文献中有详细的阐述。
❖图4 弯曲后的壁厚分布示意图
对于存在弯曲过程的矩形截面内高压成形, 其壁厚分布又有所不同。其壁厚分布除了受弯曲造成的初始璧厚不均匀特性外, 还同时具有矩形截面成形的特点, 这两种因素的叠加, 如果在具有一定胀形量的条件下, 壁厚最薄点将位于弯角外侧的过渡区, 这也是开裂缺陷最易发生的位置, 如图5 所示。结合图5 所示过渡区曲率和受力情况说明产生这种壁厚分布规律的原因。由壳体平衡方程可知环向应力如式(2) 所示:σθ =pr/t ……(2)式中: σθ 为环向应力( MPa ) ; p 为液体压力(MPa) ; r 为曲率半径(mm) ; t为厚度(mm) 。
❖图5 内高压成形时壁厚分布示意图
假设成形过程中的某一时刻圆角半径rC 为一常数, 而多边形截面中心段与模具接触曲率半径rE 为无穷大,由于曲率半径是连续的, 由此得到过渡区曲率半径rD = rB > rC 。由于截面在预成形和合模过程壁厚基本保持不变,其壁厚的变化可以忽略不计, 因此可以得到tD < tC , tD < tB 。由于加压过程中, 管材内部的压力处处相同。由式(1)可知, 对于弯角外侧的过渡区的环向应力σθD >σθC , σθD >σθB 。因此, 弯角外侧的过渡区( D 点) 首先满足屈服条件开始塑性变形, 引起环向应变增加和壁厚持续减薄, 从而导致开裂缺陷的产生。
内高压成形零件
成形零件尺寸
通过合理的预弯工序, 有效保证了零件沿轴线的变形控制, 通过合理预成形截面形状控制, 有效保证了管坯内高压成形过程中沿圆周方向的变形均匀性, 成功的成形出合格的零件。图6 所示为底盘前梁内高压成形件, 其典型截面尺寸设计值及成形后的实际检测值见表1 。可以看出, 最终成形件尺寸满足零件的设计要求。
❖图6 前梁内高压成形件截面位置
过渡圆角和成形压力的关系图7是前梁内高压成形件典型截面圆角半径与成形压力的关系曲线。图7a 为A2A 截面圆角径厚比( 圆角半径和壁厚的比值) 与成形压力的关系曲线, 成形压力为90 MPa 时, 得到的圆角半径R1 ,R2 , R3 , R4 的径厚比分别为613 ,6125 , 613 ,6125 。图7b 为B2B 截面圆角径厚比与成形压力的关系曲线, 成形压力为90 MPa 时, 得到的圆角半径R1 , R2 , R3 , R4 的径厚比分别为617 , 616 ,6135 , 6125 。
图7 过渡圆角与成形压力的关系
(a) A2A 截面(b) B2B 截面
以上分析可以看出, 对于A2A 截面和B2B 截面, 尽管圆角的径厚比初始设计值都是6125 , 但圆角尺寸和液体的压力关系有所不同, 对于A2A 截面, 尽管圆角R1 , R2 , R3 , R4 随液体压力的变化在数值上有所差异, 但这种差别很小。而对于B2B 截面差别较大,在液体压力相同的情况下, R1 和R2 在数值上一直大于R3 和R4 。这是由于弯曲过程造成后续的内高压成形初始壁厚不均匀, 其中圆角R1 和R2 初始壁厚较厚, 而圆角R3 和R4 初始壁厚较薄。初始壁厚的不同导致在内高压成形圆角的过程中有一定的影响, 在液体压力相同的条件下, 成形得到的圆角尺寸有所不同, R1 和R2 的圆角尺寸略大于R3 和R4 的圆角尺寸。
典型零件壁厚分布针对内高压成形后的零件, 选择了3 个典型截面, A2A , B2B 和D2D 截面,如图1 所示。在每个截面上选取了16个典型点, 对每个点处的壁厚进行了测量, 测量结果如图8 所示。
❖图8 典型截面测量点壁厚减薄率分布
从图中可以看出, 对于A2A 截面,由于处于直角段, 其壁厚分布基本是直边中点的壁厚减薄小( A 点、E 点、I 点、M 点) , 圆角区域的减薄较大( C 点、G点、K 点、O 点) , 在直边和圆角相连的过渡区壁厚最薄(B 点、D 点、F 点、H 点、J 点、L 点、N 点、P 点) 。而对于B2B 截面, 其位置位于大弯区域,同时由于截面为矩形截面, 在短边的过渡区L 点壁厚最薄, 减薄率达到了612 %。对于D2D 截面, 由于其位置位于两弯曲相叠加的区域, 壁厚分布除了受两弯曲过程的影响以外, 还受内高压成形的影响, 壁厚最薄点位于两弯曲叠加的区域K 点, 减薄率达到了1212%。另外, 由于矩形截面过渡区的变形特点, 导致J 点和L 点的减薄也较严重, 其中J 点靠近小弯的外侧点, L 点靠近大弯的外侧点, 减薄率分别达到了1014 % 和1110 %。
结论
(1) 弯曲轴线矩形截面零件, 内高压成形时的主要缺陷为开裂, 开裂的位置主要发生在弯曲减薄和矩形截面过渡区叠加的区域。
(2) 合理的预成形控制是成形初始管坯为非均匀体变形的关键, 通过合理的预成形控制, 能够有效控制变形的均匀性, 成形出合格的零件。
(3) 对于弯曲轴线矩形截面件, 其壁厚分布除了受弯曲过程影响外, 还受内高压成形过程的影响, 在弯曲外侧和过渡区叠加的区域, 壁厚最薄, 弯曲内侧和直边中点叠加的区域, 壁厚最厚。
