弯曲轴线拖曳臂充液成形工艺研究

赵建平， 黄 宇

（广西汽车集团有限公司， 广西 柳州 530028）

0 引言

精密塑性成形技术是先进制造技术的重要组成部分，对国民经济的发展具有重要促进作用，为了生产高精度、 高质量产品， 塑性成形技术的加工材料正在向复合型、多功能型发展，加工方向正在向精密化、高效化和轻量化发展[1，2]。

轻量化即指在保证零件安全和强度的条件下， 降低产品重量，最终实现节能减排、提高使用性的目的。目前轻量化的实现途径主要有两种，一种是采用如铝、镁合金、钛合金等低密度轻质材料；另一种是“以空代实”重新设计零件结构，对于一些受力条件为弯曲和扭转载荷的，采用空心构件来代替，这样不仅节约材料，同时充分发挥了材料的强度和刚度。 管材充液成形技术便是在这一背景下发展起来的塑性加工技术[3，4]。

管材充液成形技术以液体作为传力介质，首先将管材置于模具中，随后在管材内充入高压液体，同时利用推头进行轴向补料， 零件在内压力和轴向进给力的作用下，材料发生塑性变形，最终得到成形后的零件。在这一过程中，管材从初始的圆截面变为矩形、梯形等其他封闭截面。不同截面，材料膨胀率一般不同，即使在同一截面，受摩擦力的影响，各位置材料也很难均匀膨胀，导致零件出现失效[5，6]。 有限元软件可以分析出各个截面成形时的应力应变状态，为实际制造提供参考[7-9]。本文利用数值模拟的方法，对弯曲轴线拖曳臂零件进行研究，为该类零件成形提供工艺指导。

1 特征分析

图1 为本文研究的零件， 零件材料为高强度结构钢S500MC，屈服强度为500MPa，抗拉强度为635MPa，化学成分如表1 所示。

图1 零件外形及截面特征

表1 S500MC 材料化学成分

该零件轴线为空间3D 曲线， 从截面图1 中可以看出，零件的截面A-A 近似为矩形，其截面周长可等效为直径75mm 的圆形， 截面B-B 和截面C-C 近似为圆形，其截面周长可等效为直径85mm 的圆，沿着轴线方向，从截面A-A 到截面C-C，管材等效圆直径逐渐变大。

该弯曲轴线拖曳臂零件的充液成形主要有以下难点：

（1）截面A-A 与C-C 截面充液成形时如何兼顾，当管材预制坯直径选取过大时，模具闭合后，截面A-A 处易出现无法展品的死皱，若管材预制坯直径选取过小，截面C-C 处的材料会过渡涨形，导致管材破裂。

（2）截面A-A 的矩形圆角较小，充液成形后期由于液体压力较大，直边处会先贴模，在模具摩擦阻力的影响下，材料无法环向均匀流动，这就造成圆角处既难贴膜，同时还容易出现破裂风险。

2 零件充液成形受力分析

管材充液成形是一个复杂的接触动力学问题， 材料的塑性流动规律、 模具与管材之间的接触条件都对零件成形质量有着影响。分析零件在不同位置的受力特点，对零件成形工艺参数的制定有着很大帮助。 图2 是该弯曲轴线拖曳臂零件实际成形时的结构图， 以矩形截面一侧对该零件进行成形对称设计，大大提高了零件生产效率。

图2 充液成形结构图

零件的截面B-B 和截面C-C 靠近充液成形管材的两端，在这一区域取一微元体如图3 作为研究对象，在管材上建立局部坐标系，环向为θ、轴向为z、厚向为t，σθ、σz和σt分别为环向应力、轴向应力和厚向应力。

根据Levy-Mises 准则， 塑性变形下应力和应变增量之间有如下关系式：

图3 截面B-B、截面C-C 微元体受力分析

零件截面A-A 位于管材中间， 这一区域离推头距离较远，随着管材内液体压力的增大，材料与模具之间的摩擦力增大，推头轴向力逐渐被弱化，轴向应变几乎为零。取这一区域的微元体进行受力分析如图4 所示。

根据平面应变状态下的应力关系有：

图4 截面A-A 微元体受力分析

3 充液成形数值模拟

采用基于LS-DYNA 求解器的ETA/Dynaform 有限元软件， 对拖曳臂零件的管材充液成形过程进行有限元分析， 重点分析液体加载压力和轴向补料量对充液成形过程的影响。 图5 为该零件的有限元模型。

图5 有限元模型

3.1 液室压力加载路径分析

充液成形过程中， 液体压力的作用是为了使管材发生塑性变形，使零件贴模。 液体压力主要分为初始屈服压力和整形压力。 初始屈服压力和整形压力相关参数计算过程如下所示：

式中：ps—初始屈服压力；pc—整形压力；t—管坯壁厚；d—管坯直径；rc—工件截面最小过渡圆角半径；ReL—材料的屈服强度。 根据计算结果，模拟时初始屈服压力在55～65MPa 区间内选取，整形压力在200～350MPa 区间内。

压力的加载路径设置为阶梯形加载， 选取如图6 所示5 种阶梯形液室压力加载路径进行模拟。

图6 压力加载曲线

图7 是5 种加载路径下管材的最大减薄率。 从图7中可以看出，减薄率随整形压力的增大而增大，当整形压力大于300MPa 时，最大减薄率基本保持不变，说明此时零件已贴模。

图7 不同加载路径下壁厚减薄分布

3.2 轴向进给量分析

充液成形的另一个重要工艺参数是轴向补料， 该零件B-B 截面和C-C 截面形状近似圆形，初始管材直径选择80mm，该区域内材料膨胀率为6.3%，此处材料膨胀不大且变形较均匀。但是在截面A-A 处，此处位于模具的正中间，材料流动较困难，矩形截面圆角较难成形。

为了防止矩形截面圆角处因膨胀率过大而发生破裂，可以采用合适的轴向进给量对其进行优化。 取初始屈服压力为65MPa，整形压力为200MPa，采用如图8 所示的三种轴向加载路径进行模拟。

图8 轴向进给量曲线

图9 为截面A-A 环向有限元仿真壁厚和实验结果实际对比，从壁厚分布来看，模拟结果较好的体现出了实验结果，表明当内压加载路径采用路径3，轴向进给采用路径2 时，可以成形制造出该零件，实验结果如图10 所示。

图9 截面A-A 壁厚分布对比

图10 充液成形零件

4 结论

管材充液成形技术在制作弯曲轴线异形截面管件上具有很大优势，对比试验和仿真结果可知，有限元软件可以有效提高工艺参数优化效率。

管材处于自由涨形状态时， 合理调整管材内部的液体压力和推头轴向侧推力的关系， 便可以控制管材壁厚减薄，提高材料成形极限。

管材涨形区域离推头较远时， 可以在变形区预先进行堆料形成有益皱纹，弥补管材涨形时造成的厚向过度减薄。