管梁内高压液压成形技术研究与实现文／刘迪祥，黄顶社·安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心 张亚增·河南省有色金属地质矿产局  刘迪祥，冲压工艺主管，工程师，主要从事汽车冲压件开发及冲压工艺研究工作，先后主导多款商用车、乘用车整车冲压工艺设计及工装开发工作，拥有1项发明及10多项实用新型专利。 本文以某车型扭力梁横梁为实例，进行内高压液压成形工艺分析，从工序排布到有限元模拟、调试、工艺验证及实现给予简析，并验证工艺设计和分析的可行性，供有关人员参考。 车身轻量化是汽车厂持续追求的目标，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。液压成形技术被行业认为是实现汽车轻量化的重要途径之一，该工艺可生产形状复杂的管状产品，其成形过程如图1所示，可实现产品结构优化，达到减重目的。  图1 管材液压成形过程 液压成形是指依靠高压液体作为传力介质，代替刚性凹模或凸模，使坯料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模成形的一种先进柔性制造工艺，因其三向应力状态成形性较好，可生产形状复杂的变截面管状产品，如前后副车架、防撞梁、仪表台管梁等产品。液压成形与冷冲压成形相比，具有成形工序少、模具成本低、零件精度高、生产周期短的优势。 产品分析及工序排布图2所示零件为某车型后扭力梁横梁，零件长为1153mm，材质为S550MC，管端尺寸为97.875mm×77.819mm，壁厚为3.5mm，零件重量为9.037kg。对零件截面周长分析，初步确定原始管坯尺寸为φ100mm×1320mm×3.5mm，毛坯重量为10.99kg。  图2 扭力梁横梁零件图 由于液压成形凹模部分型面尺寸小于管坯直径，为避免发生啃模现象，必须在充液成形工序前增加预成形工序。同时由于管坯预成形压扁过程中出现塌陷情况，为保证充液成形工序的端口密封效果，需要增加端口整形工序。 终成形就是将预成形后的管材放到管梁充液胀形模具中，通过管内的超高压液体，使管材外壁与模具型腔贴合，从而成形出想要的形状。在终成形过程中，都会冲制出两个孔用于后序激光切割的定位。 针对该零件特征，确定总体液压成形工艺方案为：下料→预成形（端口整形）→液压成形（液压打孔）→激光切割→退火处理→清洗涂油。其中下料交由钢厂处理，直接按来料加工模式进行。 零件工艺分析建立数值分析模型，按照零件型面，用三维软件UG或CATIA建立模具型面工具体，模具有预成形和终成形两序，然后将工具体导入CAE软件，进行相应动作设置，工具体型面及CAE分析过程，如图3所示。 终成形工序将预成形后管坯放入终成形模具，利用密封推头对管坯进行密封，并充入高压液体，同时调节两端推头进给量及内部压力，保证小圆角等特征完全贴模。终成形管各处贴模度、各典型截面贴模情况的模拟分析结果如图4所示。 由上述分析可知，零件最终成形压力为200MPa，内腔面积为0.132m2，所需最大合模压力为2640t。零件最终最大减薄率为9.5%，零件在充液成形过程中无破裂危险点，各关键截面贴模度良好。  图3 扭力梁横梁CAE成形情况  图4 扭力梁横梁终成形CAE贴膜分析 零件工艺调试车间生产工艺流程：毛坯运入（汽车）→毛坯存放（毛坯存放地）→毛坯上线（叉车）→预成形（800t）→终成形（5000t）→激光切割→热处理→表面处理→存放（存放区）。 因成形过程中压力大，液压成形模具对数控加工精度及模具各部件位置精度要求也很高。本模具就将成形镶块等位置精度要求高的部件装配到模座上后，再与模座一起在高精度数控机床上一次加工而成。 模具完成加工及装配后需要调试，其第一阶段保证模具可动部分，如斜楔、驱动油缸、进给机构等部件运行顺畅稳定无干涉。第二阶段提升研合率及完成出件，保证制件能生产出来，第三阶段是提升冲压件精度，消除啃料及其他零件表面问题。 经过两个月的工装调试，顺利出件并验收合格后，进入冲压厂生产场地。图5所示为预成形及终成形模具调试过程。 零件工艺验证横梁调试稳定出件后进行了工艺验证，主要内容有CAE减薄验证、成形力验证和材料利用率验证，验证结果如图6所示。 横梁CAE分析最大减薄率为9.5%，在合模时V形管与方形管过渡且靠近V形管底部处；最大增厚率为31%，在推头撑管时V形管与方形管过渡且靠近方形管上部处。  图5 预成形（左）及终成形（右）模具调试过程  图6 横梁CAE减薄理论分析（上）及实测（下） 实测横梁实物检测点最大减薄率为7.7%，便于测量的最大增厚率为10.8%。减薄与增厚趋势与CAE分析基本吻合。未检测到CAE最大及最小减薄点是受检测设备限制，无相关检测空间及平面，实物料厚测量如表1所示。 表1 横梁料厚理论值与实测值对比（单位：mm）  检测点 1 2 3 4 5 6 7 8理论值 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5测量值 3.6 3.6 3.88 3.58 3.56 3.66 3.23 3.47 横梁CAE分析预成形合模力为350t，终成形合模力为2640t，经实物验证，预成形主缸成形压力为10MPa（约320t），终成形CAE分析合模力为2376t（内压180MPa），零件合格，此时贴模状态良好，可以满足下道工序要求。 CAE分析横梁坯料尺寸长度为1320mm，直径为100mm，经实物验证，尺寸与CAE状态一致，零件重为9.04kg，坯料重为10.99kg，材料利用率为82.23%。 目前，该零件已经实现自动、高速、安全的批量量产，产品质量已经通过整车可靠性验证和台架试验，零件实物如图7所示。  图7 横梁零件实物图 结束语内高压液压成形技术可将多件冲焊合拼件简化为管形件，提高产品精度、强度、刚度、美观度及生产效率，降低零件成本和零件重量，是汽车行业未来轻量化发展方向。 作者简介： |
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