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          不等徑截面管梁沖床成形分析

          作者:大鑫機械 發布時間:2022-02-26 15:57:38點擊:

          不等徑截面封閉管梁成形工藝一般為內高壓成形,而內高壓成形工藝需要大壓力液壓機,且高壓源閉環實時控制系統復雜、成本高,此外內高壓工藝對密封要求較高,導致生產成本也偏高。目前汽車上典型的內高壓樣件為扭力橫梁,如圖1所示。


          王鑫松等對不同溫度下鎂合金的內高壓成形性進行分析,對比零件管壁厚度分布及成形極限圖,確定最佳的成形溫度[1]。胡國林等對薄壁管材液壓脹形的應力分布進行分析,通過分析不同截面應力應變和成形極限圖的對應關系,開發了1套能獲取不同截面應變的的測試裝置[2]。崔曉磊等對變管徑管梁的橫截面尺寸變化規律進行研究,為獲取變管徑管梁尺寸的精確控制方法,分析不同內壓力與合模力對管徑尺寸的影響,確定了內壓、合模力與管梁徑向尺寸和軸向尺寸的關系[3]。于紅兵等對復雜斷面結構的管梁成形性進行分析,提出了混合成形方法,將預成形與內高壓成形集成在1個工序,并構建了管梁成形性評價體系,內壓力呈帶狀分布時樣件尺寸精度最高[4]。為解決軸線為空間曲線的薄壁管狀零件的起皺和開裂缺陷,劉曉晶等分析了副車架彎曲參數對成形減薄的影響,并對進給量、成形壓力及加載方式進行分析,得到副車架管梁的最優參數組合[5]。國寧等針對排氣管類零件設計正交試驗,將內壓力、整形壓力、彈性模量、摩擦系數以及加工硬化指數作為其內高壓成形的表征因子,通過CAE正交試驗分析獲取最佳參數組合[6]。

          以上研究的初始坯料為封閉管梁,內高壓存在的主要缺陷是:①需要大壓力液壓機作為合模壓力機,對于內徑φ100 mm、長2 500 mm的管材,當成形壓力為100 MPa時,合模力為25 000 kN;②高壓源閉環實時控制系統復雜、成本高;③由于成形缺陷和壁厚分布與加載路徑密切相關,零件試制研發費用高,必須利用數值模擬進行工藝參數優化;④由于充液需要時間,生產效率低。因此,采用傳統沖床替代內高壓成形尤為必要,現提出利用沖床實現封閉管梁成形的方法,并通過實例對所提及的方法進行驗證。

          1 封閉管梁結構特征和技術要求

          內高壓成形的管梁結構如圖1所示,沿零件軸線方向的橫斷面形狀存在顯著差異,截面線周長分布呈現雙波峰特征,如圖2所示,靠近零件兩端位置截面周長變化較大,該區域在成形過程中已出現開裂,一般設計要求截面周長的變化率≤5%。

             封閉管梁截面周長分布

          封閉管梁內腔間隙在0~0.2 mm時有異響,間隙>1 mm時異響消除。間隙過小時可在腔體內部注油,對異響有一定抑制作用,在樣件失效早期,可通過觀察油液滲漏找到失效部位。間隙過大,零件的側傾剛度降低,車輛的舒適度降低。管梁需要通過焊接實現整體封閉,一般實行分段焊接,每隔100 mm焊接一小段,后再進行連續補焊,且在焊接過程中通過增減脈沖數來降低熱影響區,焊縫搭接間隙一般要小于焊絲直徑(φ1.2 mm),在實際控制過程一般將間隙控制在1 mm以內。管梁材質一般采用熱軋鋼板,如Trip780等,對于有特殊強度要求的管梁可采用熱成形鋼BR1500HS,成形結束后通過調質處理提升其強度和韌性。管梁的具體技術要求如表1所示。


           封閉管梁技術要求



          封閉管梁成形性分析

          考慮封閉管梁跟卷圓工藝的相似性,可以采用類似卷圓的工藝實現管梁沖床成形,通過3道工序將平面板材沖床成準“O”形,即“V形→U形→O形”。通過普通沖床即可實現“V”形和“U”形沖床,在進行“O”形沖床時,樣件形成了封閉管腔,且封閉管腔的橫斷面不是等截面,芯部支撐無法貫穿整個零件(成形后無法從樣件中取出),無芯部支撐時零件成形不到位。為此,對普通沖模進行改進,考慮零件兩端空腔尺寸較大,可將芯部支撐設計成兩段,起到近似凸模作用,將凹模設計成鑲件結構,如圖3所示。


           改進的管梁成形模具零件

          模具工作過程:工序件置于壓料板上,內支撐下行與壓料板閉合,凹模下行與內支撐閉合,斷開式內支撐與壓料板對板料進行定位壓料,凹模對板料進行收口整形,最終形成準封閉的橫梁。以某車型扭力橫梁為載體,對其進行分析,橫梁材料為CP800,厚度為3.0 mm,斷后延伸率為15.9%。對于厚板件(厚度>2 mm),其成形性缺陷主要是回彈和開裂[7-10],一般不考核外觀,其成形極限圖無法客觀反映材料真實的成形性,通常用減薄率評價厚板件的成形性,扭力橫梁減薄率的分析結果如圖4所示。二手沖床回收


           減薄率分析結果

          零件的最大減薄率為11.6%(≤15.9%,)滿足成形性要求,中間段與兩端的減薄率都在7%以內,主要由于材料的軸向流動不明顯,且零件兩端和中間段的橫斷面周長變化率不大[11-13]。中間段和兩端的過渡位置減薄率超過了10%,此處材料受雙向拉伸,零件的橫斷面周長變化率大,該區域是成形性評價的重點關注區域。

          為節省制造成本,采用試制軟模對該成形方法進行驗證,模具零件材料采用普通HT300,模具零件表面采用簡單熱處理,分段式內支撐的實物如圖5所示。


            分段式內支撐

          零件收口間隙值作為判斷前工序沖床工藝是否合理的依據,直接影響后期焊縫的質量(間隙過大會導致焊縫熔深不足,易出現疲勞開裂;間隙不均會導致焊道偏離,影響熔深),而焊縫質量影響零件的耐久性能,因此間隙值是衡量管梁質量的重要指標之一。

          將零件的間隙值(≤1 mm,焊絲直徑為φ1.2 mm)作為質量目標,通過研磨及2輪調試,零件最終滿足設計要求,從零件最外端15 mm處每隔70 mm選取1個橫斷面,共選取16個橫斷面,對橫斷面處減薄率及收口處的間隙值進行測量,結果如圖6所示。


           間隙值的實測值與分析值的對比結果

          從圖6可知,分析值與實測值基本吻合,間隙值呈正弦曲線變化,且包含2個周期,主要是由于端部有機械支撐,零件成形后回彈導致兩端間隙值增大,中間部位(腔體內壁間隙值過?。┯捎谠诔尚螘r管梁的上、下內壁產生了擠壓,累計了部分殘余應力,脫模后部分殘余應力釋放,導致間隙增大,其余部分在成形時回彈小且內壁無擠壓,間隙值偏小,因此整個管梁的間隙值呈現正弦變化。圖6中間隙值實測值波動幅度偏小,由于分析值測量的是節點間距離,實測值是邊界距離,二者存在一定偏差,實測間隙值在1 mm以內,滿足設計要求,有部分區域接近1 mm,為避免焊縫熔深不足,通過增加脈沖提升焊縫熔深。

          由于局部手工剖切會產生較大毛刺,會對減薄率測量結果產生較大影響,為避免邊界產生毛刺,采用三維激光進行剖切斷面,減薄率的分析值與實測值的對比結果如圖7所示。

           減薄率分析值與實測值的對比結果

          減薄率測量時選擇的是靠近圓角部位截面,所測量的部位減薄率均在9%以內,滿足減薄率要求。最終的實物樣件如圖8所示,對其進行扭轉疲勞測試,扭力橫梁未出現疲勞開裂,滿足耐久性要求。

           實物樣件

          3 結束語

          針對不等徑截面管梁無法通過卷圓工藝實現的問題,提出利用沖床方法來實現不等徑截面管梁成形,通過3個工序沖床即可實現板材到管材的成形。

          管梁收口的間隙值呈正弦曲線變化,且包含2個周期。對于不等徑截面管梁,若要提升其剛性,中間部位腔體壁的貼合間隙要在0~1 mm,若要降低其運動時產生的異響,中間部位腔體壁貼合間隙應大于2 mm。一般不等徑截面兩端部位有支撐,中間無支撐,成形后端部的收口間隙值大于中間值,為減小端部收口間隙,需進行過整形。

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