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不等径截面管梁冲床成形分析

作者:大鑫机械 发布时间:2022-02-26 15:57:38点击:

不等径截面封闭管梁成形工艺一般为内高压成形,而内高压成形工艺需要大压力液压机,且高压源闭环实时控制系统复杂、成本高,此外内高压工艺对密封要求较高,导致生产成本也偏高。目前汽车上典型的内高压样件为扭力横梁,如图1所示。


王鑫松等对不同温度下镁合金的内高压成形性进行分析,对比零件管壁厚度分布及成形极限图,确定最佳的成形温度[1]。胡国林等对薄壁管材液压胀形的应力分布进行分析,通过分析不同截面应力应变和成形极限图的对应关系,开发了1套能获取不同截面应变的的测试装置[2]。崔晓磊等对变管径管梁的横截面尺寸变化规律进行研究,为获取变管径管梁尺寸的精确控制方法,分析不同内压力与合模力对管径尺寸的影响,确定了内压、合模力与管梁径向尺寸和轴向尺寸的关系[3]。于红兵等对复杂断面结构的管梁成形性进行分析,提出了混合成形方法,将预成形与内高压成形集成在1个工序,并构建了管梁成形性评价体系,内压力呈带状分布时样件尺寸精度最高[4]。为解决轴线为空间曲线的薄壁管状零件的起皱和开裂缺陷,刘晓晶等分析了副车架弯曲参数对成形减薄的影响,并对进给量、成形压力及加载方式进行分析,得到副车架管梁的最优参数组合[5]。国宁等针对排气管类零件设计正交试验,将内压力、整形压力、弹性模量、摩擦系数以及加工硬化指数作为其内高压成形的表征因子,通过CAE正交试验分析获取最佳参数组合[6]。

以上研究的初始坯料为封闭管梁,内高压存在的主要缺陷是:①需要大压力液压机作为合模压力机,对于内径φ100 mm、长2 500 mm的管材,当成形压力为100 MPa时,合模力为25 000 kN;②高压源闭环实时控制系统复杂、成本高;③由于成形缺陷和壁厚分布与加载路径密切相关,零件试制研发费用高,必须利用数值模拟进行工艺参数优化;④由于充液需要时间,生产效率低。因此,采用传统冲床替代内高压成形尤为必要,现提出利用冲床实现封闭管梁成形的方法,并通过实例对所提及的方法进行验证。

1 封闭管梁结构特征和技术要求

内高压成形的管梁结构如图1所示,沿零件轴线方向的横断面形状存在显著差异,截面线周长分布呈现双波峰特征,如图2所示,靠近零件两端位置截面周长变化较大,该区域在成形过程中已出现开裂,一般设计要求截面周长的变化率≤5%。

   封闭管梁截面周长分布

封闭管梁内腔间隙在0~0.2 mm时有异响,间隙>1 mm时异响消除。间隙过小时可在腔体内部注油,对异响有一定抑制作用,在样件失效早期,可通过观察油液渗漏找到失效部位。间隙过大,零件的侧倾刚度降低,车辆的舒适度降低。管梁需要通过焊接实现整体封闭,一般实行分段焊接,每隔100 mm焊接一小段,后再进行连续补焊,且在焊接过程中通过增减脉冲数来降低热影响区,焊缝搭接间隙一般要小于焊丝直径(φ1.2 mm),在实际控制过程一般将间隙控制在1 mm以内。管梁材质一般采用热轧钢板,如Trip780等,对于有特殊强度要求的管梁可采用热成形钢BR1500HS,成形结束后通过调质处理提升其强度和韧性。管梁的具体技术要求如表1所示。


 封闭管梁技术要求



封闭管梁成形性分析

考虑封闭管梁跟卷圆工艺的相似性,可以采用类似卷圆的工艺实现管梁冲床成形,通过3道工序将平面板材冲床成准“O”形,即“V形→U形→O形”。通过普通冲床即可实现“V”形和“U”形冲床,在进行“O”形冲床时,样件形成了封闭管腔,且封闭管腔的横断面不是等截面,芯部支撑无法贯穿整个零件(成形后无法从样件中取出),无芯部支撑时零件成形不到位。为此,对普通冲模进行改进,考虑零件两端空腔尺寸较大,可将芯部支撑设计成两段,起到近似凸模作用,将凹模设计成镶件结构,如图3所示。


 改进的管梁成形模具零件

模具工作过程:工序件置于压料板上,内支撑下行与压料板闭合,凹模下行与内支撑闭合,断开式内支撑与压料板对板料进行定位压料,凹模对板料进行收口整形,最终形成准封闭的横梁。以某车型扭力横梁为载体,对其进行分析,横梁材料为CP800,厚度为3.0 mm,断后延伸率为15.9%。对于厚板件(厚度>2 mm),其成形性缺陷主要是回弹和开裂[7-10],一般不考核外观,其成形极限图无法客观反映材料真实的成形性,通常用减薄率评价厚板件的成形性,扭力横梁减薄率的分析结果如图4所示。二手冲床回收


 减薄率分析结果

零件的最大减薄率为11.6%(≤15.9%,)满足成形性要求,中间段与两端的减薄率都在7%以内,主要由于材料的轴向流动不明显,且零件两端和中间段的横断面周长变化率不大[11-13]。中间段和两端的过渡位置减薄率超过了10%,此处材料受双向拉伸,零件的横断面周长变化率大,该区域是成形性评价的重点关注区域。

为节省制造成本,采用试制软模对该成形方法进行验证,模具零件材料采用普通HT300,模具零件表面采用简单热处理,分段式内支撑的实物如图5所示。


  分段式内支撑

零件收口间隙值作为判断前工序冲床工艺是否合理的依据,直接影响后期焊缝的质量(间隙过大会导致焊缝熔深不足,易出现疲劳开裂;间隙不均会导致焊道偏离,影响熔深),而焊缝质量影响零件的耐久性能,因此间隙值是衡量管梁质量的重要指标之一。

将零件的间隙值(≤1 mm,焊丝直径为φ1.2 mm)作为质量目标,通过研磨及2轮调试,零件最终满足设计要求,从零件最外端15 mm处每隔70 mm选取1个横断面,共选取16个横断面,对横断面处减薄率及收口处的间隙值进行测量,结果如图6所示。


 间隙值的实测值与分析值的对比结果

从图6可知,分析值与实测值基本吻合,间隙值呈正弦曲线变化,且包含2个周期,主要是由于端部有机械支撑,零件成形后回弹导致两端间隙值增大,中间部位(腔体内壁间隙值过小)由于在成形时管梁的上、下内壁产生了挤压,累计了部分残余应力,脱模后部分残余应力释放,导致间隙增大,其余部分在成形时回弹小且内壁无挤压,间隙值偏小,因此整个管梁的间隙值呈现正弦变化。图6中间隙值实测值波动幅度偏小,由于分析值测量的是节点间距离,实测值是边界距离,二者存在一定偏差,实测间隙值在1 mm以内,满足设计要求,有部分区域接近1 mm,为避免焊缝熔深不足,通过增加脉冲提升焊缝熔深。

由于局部手工剖切会产生较大毛刺,会对减薄率测量结果产生较大影响,为避免边界产生毛刺,采用三维激光进行剖切断面,减薄率的分析值与实测值的对比结果如图7所示。

 减薄率分析值与实测值的对比结果

减薄率测量时选择的是靠近圆角部位截面,所测量的部位减薄率均在9%以内,满足减薄率要求。最终的实物样件如图8所示,对其进行扭转疲劳测试,扭力横梁未出现疲劳开裂,满足耐久性要求。

 实物样件

3 结束语

针对不等径截面管梁无法通过卷圆工艺实现的问题,提出利用冲床方法来实现不等径截面管梁成形,通过3个工序冲床即可实现板材到管材的成形。

管梁收口的间隙值呈正弦曲线变化,且包含2个周期。对于不等径截面管梁,若要提升其刚性,中间部位腔体壁的贴合间隙要在0~1 mm,若要降低其运动时产生的异响,中间部位腔体壁贴合间隙应大于2 mm。一般不等径截面两端部位有支撑,中间无支撑,成形后端部的收口间隙值大于中间值,为减小端部收口间隙,需进行过整形。

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