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精 密 成 形 工 程第15卷 第12期34 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING2023年12月收稿日期：2023-05-10 Received ：2023-05-10引文格式：程超, 韩非, 石磊. 1 800 MPa 超高强钢变径管热气胀成形特性研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 34-41.CHENG Chao, HAN Fei, SHI Lei. Hot Metal Gas Forming Characteristics of 1 800 MPa UHSS Variable Diameter Tube[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(12): 34-41. 1 800 MPa 超高强钢变径管热气胀成形特性研究程超1,2，韩非1,2，石磊1,2（1.宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海 201999； 2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室（宝钢），上海 201999）摘要：目的 对B1800HS 热成形钢进行管件热气胀成形研究，探究变径管特征件热气胀成形的可行性和规律，为进一步研究热气胀成形超高强钢管件及工程应用推广提供参考和支撑。
方法 采用ABAQUS 有限元仿真分析和试验对比，研究了1 800 MPa 超高强钢变径管热气胀成形特性，通过有限元分析研究了成形温度（700、800、900 ℃）、气压加载速率（1、3、5 MPa/s ）及胀形压力（12、15、18 MPa ）对变径管成形规律的影响，通过变径管热气胀成形试验，研究了敏感参数对变径管样件尺寸精度、强度分布及厚度变化的影响。
结果 提高成形温度、气压加载速率和胀形压力可明显提高变径管的成形质量和贴模精度，当成形温度为900 ℃时，变径管抗拉强度可达到1 800 MPa 级别，且增压速率和胀形压力影响较小；变径管沿环向厚度分布均匀，零件无明显增厚和过度减薄缺陷。
汽车桥壳胀—压复合成形工艺预制坯胀形模拟研究1. 绪论- 研究背景和意义- 国内外研究现状- 研究目的和内容2. 基础知识与理论- 胀—压复合成形工艺概述- 预制坯胀形模拟方法- 汽车桥壳的胀—压复合成形工艺工艺流程3. 汽车桥壳胀形模拟实验设计- 实验材料和工具- 模拟设计和制作- 模拟实验步骤和数据采集4. 研究结果与分析- 胀形模拟结果分析- 后续成形加工方案设计- 模拟结果验证和优化5. 结论与展望- 实验结论总结- 存在问题分析- 研究进一步发展方向的展望一、绪论1.1 研究背景和意义汽车桥壳是汽车底盘系统中非常重要的组件，它的主要作用是支撑轮毂和轮胎，承受车辆的重量和扭矩，并传递动力和力量。
在现代汽车工业中，汽车桥壳的设计和制造已成为一个重要的领域，对汽车的质量和性能有着直接的影响。
汽车桥壳的制造工艺至关重要，如何制造符合标准的汽车桥壳成为了制造商和研究人员的共同问题。
胀—压复合成形工艺是一种制造汽车桥壳的常用方法，这种工艺可以生产出高强度、高精度和高质量的汽车桥壳。
然而，在胀—压复合成形过程中，汽车桥壳的预制坯（也称毛坯）的胀形过程会受到各种因素的影响，如材料性能、预制坯设计、模具形状、成形工艺参数等。
因此，为了探索胀形过程的机理和优化成形工艺，对汽车桥壳的预制坯胀形模拟研究具有重要的意义。
1.2 国内外研究现状国内外研究者已经对胀—压复合成形工艺、预制坯设计和成形参数等方面进行了广泛的研究，如文献[1]中研究了预制坯的内部结构对胀形过程的影响；文献[2]中研究了成形工艺参数对胀形成形质量的影响；文献[3]中研究了预制坯孔隙率对胀形过程的影响。
这些研究成果对于提高汽车桥壳的生产质量和成形效率有着积极的作用。
然而，目前对于汽车桥壳的预制坯胀形模拟研究还不够深入和系统，需要进一步探索。
1.3 研究目的和内容本文旨在探究汽车桥壳胀—压复合成形过程中预制坯胀形模拟的方法和机理，为汽车桥壳的生产提供有力的技术支持。
胀-压复合成形汽车桥壳预成形管坯的设计及成形试验崔亚平;王连东;杨立云;杨东峰【摘要】A design method of preforming tube for bulging-pressing compound -deforming automobile housing was offered, and the ratio of the sectional perimeter, bulging part of performing tube to the corresponding position of axle housing sample, was defined as sectional coefficient K. For a small automobile axle housing, the forming simulation of preforrming tube on different k values was carried out with software ANSYS, then the boundary dimension of the axle housing was analyzed and the corner radius in the dome part was measured especially, by which the values range of the k was decided. Based on the forming technology determined by the above design method, the axle housing samples were produced successfully with a common press, and the feasibility of the design method was verified by measuring the boundary dimension.%根据胀-压复合成形汽车桥壳新工艺,提出了预成形管坯的设计方法,将其桥包部分截面周长与制件对应部位截面周长的比值定义为截面系数；针对某小型汽车桥壳样件,使用分析软件ANSYS对不同截面系数下的预成形管坯进行了成形的有限元模拟,并根据测定样件的桥包部分过渡圆角的大小,确定了截面系数的取值范围.基于提出的设计方法制定的胀-压复合成形工艺,在普通液压机上成功试制出桥壳样件,实际测量了其外形尺寸,证实了提出的预成形管坯设计方法可行.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2012(023)021【总页数】4页(P2577-2580)【关键词】胀-压复合成形;汽车桥壳;预成形管坯;设计方法;数值模拟【作者】崔亚平;王连东;杨立云;杨东峰【作者单位】燕山大学,秦皇岛,066004;燕山大学,秦皇岛,066004;燕山大学,秦皇岛,066004;燕山大学,秦皇岛,066004【正文语种】中文【中图分类】TG3160 引言汽车桥壳是汽车上的主要承载件之一，形状复杂，几何尺寸大，强度和刚度要求高。
第15卷第12期精密成形工程2023年12月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING19 Al6063管件外增量成形工艺研究肖征宇，杨晨*（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）摘要：目的研究6063铝合金管件外增量成形过程，分析管件的成形效果，改进管件成形质量。
方法设置3组目标成形管件，使用Abaqus软件进行成形过程的数值模拟，通过考察成形管件的几何精度、壁厚分布、表面质量、成形力，分析成形质量和可能出现的问题。
通过使用长120 mm、直径50 mm、壁厚1.5 mm的Al6063铝管进行管件外增量成形实验，验证数值模拟结果的可靠性。
结果成形管件会发生管端变形现象，具体表现为管端不圆与轴向伸长，成形件管端椭圆度为10.11%，管端变形程度与成形道次成正比，且在距离管端越近的成形区域，管端变形越明显。
管壁成形区厚度增大并呈现不均匀分布。
成形件管壁直线度偏差为0.34，且表面质量与径向进给量和轴向进给速度成反比，管件的圆角尺寸难以严格控制。
径向力是成形过程中主要的成形力，其大小与工具头直径成正比。
结论管件外增量成形原理可靠，基于此能够实现多种目标管件的成形。
由于成形原理的限制，成形件的成形质量还有很大的提升空间，合理制定工艺参数对提高成形质量十分重要。
关键词：外增量成形；管端变形；表面质量；数值模拟；管件成形DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.003中图分类号：TG376.9 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)12-0019-08External Incremental Forming Process of Al6063 Pipe FittingXIAO Zheng-yu, YANG Chen*(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)ABSTRACT: The work aims to explore the external incremental forming process for 6063 aluminum alloy pipe fittings, ana-lyze the forming effects, and enhance the quality of the formed pipe fittings. Three sets of target fittings were selected, and nu-merical simulations of the forming process were conducted with Abaqus software. The geometric accuracy, surface quality, and forming forces of the formed pipe fittings were analyzed. Experimental research on incremental forming was carried out with AL6063 aluminum alloy pipe fittings with dimensions of 120 mm in length, 50 mm in diameter, and 1.5 mm in wall thickness.The simulation results were validated by physical experiments. The findings indicated that deformation occurred at the end of the formed pipe fittings, resulting in non-roundness and axial elongation. The pipe end ovality of the formed pipe fittings was10.11%. The extent of the end deformation increased proportionally with the number of forming passes, and the deformationwas more pronounced as the forming region approached the end of the fittings. The wall thickness in the forming region exhib-ited uneven distribution with an overall increase. The pipe wall straightness deviation of the formed pipe fittings was 0.34, and the surface quality was inversely proportional to the radial feed rate and axial feed velocity. It was difficult to control the fillet size of pipe fittings accurately. The main forming force during the process was the radial force, which was directly related to the收稿日期：2023-08-21Received：2023-08-21引文格式：肖征宇, 杨晨. Al6063管件外增量成形工艺研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 19-26.XIAO Zheng-yu, YANG Chen. External Incremental Forming Process of Al6063 Pipe Fitting[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(12): 19-26.*通信作者（Corresponding author）20精密成形工程 2023年12月tool head diameter. In conclusion, the principle of external incremental forming for pipe fittings is reliable and can achieve the forming of various types of pipe fittings. Due to the limitations of the forming principle, there is still a lot of room for improvement in the forming quality of the parts. It is crucial to develop reasonable process parameters in order to improve the forming quality.KEY WORDS: external incremental forming; end deformation of pipes; surface quality; numerical simulation; pipe forming管类零件具有强度高、灵活性好、节省材料等优点，在当今社会的各行各业中都有着十分广泛的应用。
重型卡车后桥壳作为驱动桥壳，是汽车的主要零件之一，它的功用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定；另外驱动桥桥壳是汽车上重要的承载件和传力件。
驱动桥的桥壳不仅支承汽车重量，将载荷传递给车轮，而且还承受由驱动车轮传递过来的牵引力、制动力、侧向力、垂向力以及反力矩，并经悬架传给车架。
在汽车行驶过程中，受道路条件的影响，桥壳会受到车轮与地面间产生的冲击载荷，可能引起桥壳变形或折断。
因此，驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，且质量要小，并便于主减速器的拆装和调整。
2.材料确定桥壳材料通常可采用球墨铸铁、可锻铸铁或铸钢铸造，由于可锻铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性，适于制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的薄壁零件，故本设计采用可锻铸铁（ KTH350-10）。
3.毛坯零件图2、零件加工工艺路线1.毛坯件制造方法的选择现代汽车，尤其重型汽车，其驱动桥壳承载很重，多采用使用整体式桥壳结构。
常见的整体式桥壳制造方式有整体铸造式、钢板冲压焊接式、钢管扩张成形式等。
整体铸造式桥壳是汽车发展史上最早采用的结构，主要优点在于刚性好、塑性变形小、强度高、易铸成等强度梁，可根据各截面不同的强度要求设计铸造不一样的壁厚。
砂型铸造可以铸造外形和内腔十分复杂的毛坯，能适应各种大中小型铸件，且铸件形状与零件尺寸比较接近，减少切削加工余量。
本设计采用砂型铸造的方法来完成毛坯件的加工。
2. 后续加工方法后续加工为：预先热处理（石墨化退火）——机械加工——最终热处理（淬火+回火）3.毛坯结构分析为进一步提高整体铸造式桥壳的强度和刚度，常在桥壳两端压入较长的无缝钢管作为半轴套管，每边半轴套管与桥壳的压配表面共四处，由里向外逐渐加大配合面的直径，以得到较好的压配效果。
钢板弹簧座与桥壳铸成一体，故在钢板弹簧座附近桥壳的截面可根据强度要求铸成适当的形状，通常多为矩形。
安装制动底板的凸缘与桥壳铸在一起。
汽车后桥壳内高压成形工艺及胀型模具设计汽车后桥壳是几何形状较为复杂的零件，目前汽车桥壳的主要生产方式是铸造和冲压焊接。
铸造工艺对材料和能源太过浪费，零件的力学性能较差;冲压焊接工艺的焊缝质量难保证，材料利用率较低。
利用液压胀形工艺成形整体桥壳能克服以上缺陷，节约材料和能源，同时工序少、材料利用率高。
本文研究汽车后桥壳鼓包部分的液压胀型工艺。
針对汽车后桥壳特点，采用半滑动式液压胀形工艺，能够有效降低合模压力的整体式的滑动模块，同时固定模块可防止飞边的出现，也考虑了取件问题。
本设计的亮点是整体式的滑动模块具备分担大部分的管坯胀形力，降低设备吨位的作用;设计的预胀形模具和终胀形模具滑动模块部分能够共用，减少模具开发制造费用。
标签：汽车桥壳;半滑动式;液压胀形;模具设计汽车桥壳属于大型复杂异型截面零件，它保护着内部的主减速器，差速器，半轴等零件，并承受着车身重量与车轮传来的力矩。
其作用及性能，要求既有足够的强度和刚度，又要尽量减轻质量;而且在保证桥壳使用要求的前提下，力求结构简单，制造方便，以利于降低成本。
车桥主要有两种生产方式：铸造和冲压焊接。
铸造可以制造出形状较为复杂的车桥，但铸造件重量大，消耗材料和能源多，较为浪费。
冲压-焊接成形工艺较好，废品率低，重量轻，强度高，并且成本较低[1]。
但冲压焊接工艺工序多，费材耗能，焊缝长，对焊缝质量要求较高。
而利用液压胀形工艺生产桥壳则材料利用率高，节省能源和材料，加工工序较少，且加工效率高，易实现机械化、自动化[2]。
壁厚合理，应力分布较好，刚度高，重量轻。
本设计就是要依据图1-1所给的后桥壳相关尺寸，材料为20号碳钢无缝管。
图1-1为设计中桥壳为轻型车后桥壳，鼓包部分的最大直径为440mm，最小直径68mm，长度为1953mm，桥壳壁厚为10mm，均匀管径为127mm。
为了减少变形过程中变形量过大导致径缩胀形失败，选取了直径为127mm，厚度为10mm的管胚，这样可以保证大部分材料不流动就可以满足桥壳设计要求。
制造与工艺NO.012021131车时代AUTO TIME商用车整体驱动桥壳成形工艺及关键技术研究纪彦斌张亮本牛峰（青特集团有限公司，山东青岛266000）摘要：驱动桥壳是汽车驱动桥传动系统的安装支撑体，对其机械性能要求很高，在汽车行驶过程中起着重要作用。
本文针对目前商用车厚壁车桥壳制造技术存在的不足和车辆轻量化的趋势，分析了商用车整体驱动桥壳成形工艺及关键技术。
关键词：整体驱动桥壳；成形工艺；关键技术汽车工业是世界主要工业强国的支柱产业。
它的发展反映了一个国家的综合科技实力，是衡量一个国家工业化水平、经济实力和科技水平的重要指标，汽车工业在世界经济发展和社会进步中发挥了重要作用[1]。
因此，汽车工业的发展是国家实力不断增强和人民生活水平不断提高的体现。
在轻型汽车技术飞速发展的背景下，结合安全要求研究轻型汽车技术已成为现代汽车设计与制造发展的新趋势。
然而，随着交通运输业的不断发展，随着国家限载政策的实施，对中重型车辆的市场需求不断增加，重型车辆的生产已纳入发展规划。
这使得关键部件的制造成为一个重要的发展领域。
在众多减轻车辆重量的措施中，研究和开发新的零部件制造技术是加快这一进程的重要手段。
1商用车整体驱动桥壳介绍在商用车上，驱动桥是发动机总成和控制室的第二个中心部件。
驱动桥底盘作为驱动桥传动系统的安装支架，是商用车的主要承载部件之一。
商用车传动系统中驱动桥的基本功能是增加通过传动轴或直接通过变速器传递的扭矩，并在左右驱动轮之间分配扭矩[2]。
使左右驱动轮具有运行运动所需的差速功能。
同时，驱动桥承受汽车满载弹簧荷载和铅力、纵向力、横向力及其力矩，以及地面通过悬架施加在车轮、车架或承重车身上的冲击荷载，这些冲击荷载通过驱动桥车身传递到因此，驱动桥车身是保证车辆正常运行的重要部件，直接关系到商用车的承载能力、使用寿命和安全性能。
对机械强度和疲劳强度要求较高。
在形状方面，驱动桥壳的特征在于：两端均为变直径的相位控制轴，其中大部分轴由单残体电机轴分为两段；轴部分称为轴头，轴头内腔平面相交，中心无波纹皱褶、大直径圆孔等缺陷。
中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计及成形分析王连东 庞 蒙 周立凤 崔亚平燕山大学,秦皇岛,066004摘要:基于圆形管坯压制成异型截面的变形分析,提出了中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计准则㊂针对载重5t 卡车桥壳,介绍了胀压成形的工艺过程,设计30组前盖半径㊁后盖半径不同的预成形管坯,使用ABAQUS 软件进行整个成形过程的有限元模拟㊂通过对预成形管坯液压胀形过程和压制成形过程的成形性分析,确定了前盖系数K m ㊁后盖系数K n 的取值范围㊂选取基准回转体及一种典型的非对称预成形管坯,分别进行胀压成形实验,结果表明:前者压制成形阶段后盖处胀裂,后者成功地试制出样件,成形状况好,而且成形过程中管坯壁厚值与模拟值基本吻合㊂关键词:汽车桥壳;胀压成形;预成形管坯;设计准则;有限元模拟中图分类号:TG316 DOI :10.3969/j .issn.1004132X.2015.12.021Preformin g T ube 's Desi g n and Deformation Anal y ses of Medium -sized T ruck Bul g in g -p ressin g Axle Housin gWan g Liandon g Pan g Men g Zhou Lifen g Cui Ya p in gYanshan Universit y ,Qinhuan g dao ,Hebei ,066004Abstract :This p a p er p ro p osed the p reformin g tube 's desi g n criteria of medium -sized truck bul -g in g -p ressin g axle housin g based on the deformation anal y ses of round tube blank p ressed into s p ecial section.For a truck axle housin g with the load of 5t ,the bul g in g -p ressin g deformation technolo gy was introduced and 30g rou p s of p reformin g tubes with different front cover ratius and different rear cover ratius were desi g ned.And the whole formin g p rocess was simulated b y usin g ABAQUS software.Throu g h the formabilit y anal y ses of p reformin g tube 's bul g in g and p ressin g p rocesses ,the front cover scalin g factor K m and the rear cover scalin g factor K n were determined.The reference bod y of revolu -tion and a t yp ical non -s y mmetrical p reformin g tube were selected for bul g in g -p ressin g tests.It is found that the former 's rear cover is cracked in the formin g p rocess and the later successfull y trialp roduces sam p le with g ood formin g ,and the measured values g enerall y ali g n with the simulated values of wall thickness in the formin g p rocess.Ke y words :automobile housin g ;bul g in g -p ressin g deformation ;p reformin g tube ;desi g n criteria ;fi -nite element simulation收稿日期:20140825基金项目:河北省自然科学基金资助项目(E2012203022)0 引言管材液压胀形工艺可简化制件的制造工艺㊁减轻制件质量㊁提高制件强度刚度,已经被广泛用于航空㊁航天和汽车等领域㊂针对形状复杂的管件,需要先对初始管坯进行预成形,再进行液压胀形成形㊂Nikhare 等[1]用有限元软件数值模拟了预成形管坯在不同的内压与轴向进给条件下的液压胀形过程,研究了预成形对液压胀形成形性的影响,并预测了极限变形量㊂苑世剑等[2]在轿车副车架液压胀形研究中,将预胀形管坯横截面压制成凹曲线状,有效降低了成形时的液压胀形压力㊂近年来出现了钢管径压胀形工艺:将管材放在成形模具的下模内,先液压胀形至一定尺寸,再通过上模施加压力,使管坯在液体内压及模具外压共同作用下成形为异型截面的制件[3]㊂Hwan g 等[4-5]采用数值模拟方法研究了圆形管材径压胀形为矩形㊁三角形截面零件的成形过程,结果表明径压胀形工艺可以有效改善管件的壁厚分布并降低成形液压力㊂Kan g 等[6]采用数值模拟方法研究了圆形管材径压胀形成复杂截面零件的过程,并分析了管材尺寸对成形性能的影响㊂汽车桥壳属于大型复杂截面管类件,直接采用液压胀形成形极为困难㊂王连东等[7]提出了汽车桥壳胀压成形新工艺,即将一定规格的无缝钢管两端进行缩径㊁中部进行液压胀形后得到轴对称状的预成形管坯,对其内部充液(水)后用模具压制成形㊂崔亚平等[8]给出了轴对称状预成形管坯的设计方法,并试制出小型汽车桥壳模拟样件,样件成形性好,而且成形压力较低㊂中型卡车胀压成形桥壳,后盖与前盖差异大,在前期实践中发现,采用轴对称预成形管坯压制成形时成形性较差㊂本文通过对压制成形过程进㊃4861㊃中国机械工程第26卷第12期2015年6月下半月行变形分析,提出非对称状预成形管坯的设计方法,将基准半径㊁前盖半径㊁后盖半径作为预成形管坯桥包设计的关键参数,并给出前盖系数㊁后盖系数的定义,通过有限元模拟分析了液压胀形及压制成形过程的成形性,确定前盖系数㊁后盖系数的取值范围㊂1 圆形截面压制成异型截面的变形分析图1所示为某中型卡车胀压成形桥壳管件,中部为异型截面的桥包,桥包两侧为矩形截面锥体,锥体外侧为方形或接近方形直管,两端部分为圆管㊂桥包由桥梁和后盖㊁附加前盖组成,桥梁前侧㊁后侧的过渡圆角为R 1㊁R 2㊂切除前盖后即为桥壳本体㊂图1 某中型卡车胀压成形桥壳管件假想中间异型截面压制成形前是半径为R 0的圆截面,压制成形过程如下:(1)将圆形管坯放置在上模㊁下模之间,如图2a 所示㊂管坯上点a ㊁b ㊁c ㊁d 分别与上模㊁下模接触,点g ㊁h 位于管坯轴线上㊂由于下模型腔小于上模型腔,所以下模型腔内部的弧c f d 较上模型腔内部的弧aeb 短,管坯轴线下侧的弧c g 比轴线上侧的弧a g 长㊂(2)上模㊁下模分别从上下两侧向管坯轴线压制,直到接触前模㊁后模为止,如图2b 所示㊂上下模对向压制过程中,圆形管坯被逐渐压扁,同时弧aeb ㊁c f d 分别向上模型腔㊁下模型腔流动少许,左右两侧的圆弧a g c ㊁bhd 被压扁,呈轴线上侧窄下侧宽的非对称状㊂(3)向管坯内充液,压力为p 0,将前模㊁后模从左右两侧向中心压制,压制过程中保持内压p 0不变㊂压制过程中,图2b 中轴线上侧的弧a 1g 1向上模型腔流动一部分,另一部分被压制成桥梁;轴线下侧的弧c 1g 1向下模型腔流动少许,大部分被压制成桥梁㊂压制后,弧a 2e 2b 2和弧c 2f 2d 2未完全接触上模型腔㊁下模型腔,桥梁上侧过渡圆角较大,桥梁下侧过渡圆角较小,如图2c 所示㊂(4)增压校形㊂将管坯内液体压力增大至p 1进行校形,使弧a 3e 3b 3㊁c 3f 3d 3完全贴模,如图2d 所示㊂通过对压制成形过程进行分析可知,圆形管坯压制成上下不同的异型截面时存在以下问题:(a )上下模压制前(b )上下模压制结束(c )前后模压制结束(d )增压校形1.上模 2.前模 3.后模 4.下模图2 圆形管坯横截面压制过程分析①桥梁上侧过渡圆角偏大,上模型腔最深处的管坯可能由于胀形量大而胀裂;②桥梁下侧过渡圆角偏小,导致桥梁部分产生向内的凹陷,严重时可能导致压裂㊂欲改善预成形管坯的压制成形性,需减小圆形管坯轴线下侧的弧长,同时加大轴线上侧的弧长,即保持管坯轴线上点g ㊁h 的曲率半径不变,逐渐减小轴线下侧各点的曲率半径,逐渐加大轴线上侧各点的曲率半径,将预成形管坯桥包部分设计成非对称状,如图3所示㊂将中间横截面上位于管坯轴线上点g ㊁h 处的半径称为基准半径R 0,将轴线上侧最高点n ㊁下侧最低点m 处的曲率半径分别称为后盖半径R n ㊁前盖半径R m ㊂(a )纵截面(b )中间横截面图3 非对称预成形管坯2 非对称预成形管坯的设计准则中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计准则设定如下:(1)预成形管坯与桥壳制件的长度相同㊂(2)设计回转体状基准预成形管坯㊂按预成形管坯截面周长与桥壳管件对应部分截面周长不变的条件,确定基准回转体的截面半径㊂(3)修正桥包部分的尺寸㊂确定中间横截面㊃5861㊃中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计及成形分析王连东 庞 蒙 周立凤等前盖半径R m㊁后盖半径R n㊂R m㊁R n与基准半径R0之间存在比例关系,即R m=K m R0(1)R n=K n R0(2)将K m㊁K n分别定义为前盖系数㊁后盖系数㊂(4)确定非对称预成形管坯的形状㊂保持桥包两侧管坯为轴对称状,桥包部分为轴线上侧大下侧小的非对称状,如图3所示㊂前盖系数K m㊁后盖系数K n的大小决定了预成形管坯的形状,关系着液压胀形时能否成形,直接影响压制成形的成败㊂下文以载重5t卡车桥壳为例,通过有限元模拟分析液压胀形过程㊁压制成形过程的成形性,确定前盖系数㊁后盖系数的取值范围㊂3研究对象载重5t卡车桥壳为典型的中型卡车桥壳,中间截面桥梁的高度为340m m㊁宽度为114m m㊂两端部圆管外径d e=110m m,内侧方形管的高度为110m m㊂选取Q345B无缝钢管,初始外径d0=180m m㊁壁厚t0=7m m㊂材料强度极限σb= 510MPa,屈服极限σs=345MPa,泊松比μ=0.3,延伸率δ=21%,硬化指数为0.2㊂根据预成形管坯设计准则,确定回转体状基准预成形管坯,中间截面基准半径R0=164.5m m㊂初始管坯端部经过一定量的缩径后,中部进行第一次液压胀形,外径胀形至260m m,如图4a 所示,胀形系数为1.44;退火后对中部进行第二次液压胀形,得到轴线上侧大㊁下侧小的桥包,中间截面上的最小值㊁最大值分别为前盖半径R m㊁后盖半径R n,如图4b所示㊂对两侧部分进行缩(a)第一次胀形管坯(b)第二次胀形管坯(c)预成形管坯图4预成形管坯制造工艺简图径得到非对称的预成形管坯,如图4c所示㊂预成形管坯压制成形后得到图1所示的桥壳管件㊂4 前盖系数K m㊁后盖系数K n的确定4.1预成形管坯方案设计在第一次液压胀形管坯的基础上,改变第二次液压胀形管坯中间截面前盖半径R m㊁后盖半径R n 的数值,可得到不同的预成形管坯㊂设定R m取164.5,162.0,160.0,155.0,150.0mm5个数值, R n取164.5,170.0,172.5,175,177.5,180m m6个数值,共得到30组不同尺寸的预成形管坯,其中包括回转体状的基准预成形管坯㊂4.2预成形过程有限元模拟4.2.1第一次液压胀形使用有限元分析软件ABAQUS进行管坯缩径㊁液压胀形㊁压制成形过程的模拟,鉴于管件的结构前后㊁左右对称,可采用四分之一管坯和模具型腔进行模拟仿真㊂第一次液压胀形的有限元模型如图5所示,使用Solid45单元对管坯进行网格划分,建立刚柔接触,通过在管坯内部施加压力载荷,在模具上施加位移来模拟管坯的胀形过程㊂第一次液压胀形后管坯胀形区直径为260mm㊁壁厚为6.1mm,如图6所示㊂图5第一次液压胀形有限元模型图6第一次液压胀形后模拟管坯4.2.2第二次液压胀形将第一次液压胀形管坯重新导入ABAQUS 中并赋予原来的属性(相当于去应力处理)进行第二次液压胀形,得到的管坯如图7所示㊂针对30组不同的第二次液压胀形管坯,分析成形情况㊂(1)前盖半径R m对成形性的影响㊂随着R m 数值的减小,其与基准半径R0的差值增大,第二次胀形时前盖半径处的胀形系数减小,容易失稳起皱㊂当R m等于150.0mm时,胀形过程中前盖㊃6861㊃中国机械工程第26卷第12期2015年6月下半月图7 第二次液压胀形后模拟管坯半径附近由于轴向补料过多,失稳起皱,无法通过合模后的增压校形消除,形成了 死皱 ,如图8所示㊂进一步的模拟结果表明,当R m 小于155.0mm 时,胀形过程中容易失稳起皱㊂由此确定R m 的范围选取在155.0~164.5mm ,相应的前盖系数K m 为0.94~1.00㊂图8 胀形失稳起皱(2)后盖半径R n 对成形性的影响㊂随着R n 的增大,后盖半径处的管坯壁厚减薄率增大,壁厚减薄率达到临界值时将导致管坯胀裂㊂通过测量剩余24组(去掉R m =150mm 的6组样件)第二次液压胀形管坯后盖半径处的最小壁厚,计算出壁厚减薄率η,如表1所示㊂表1 管坯后盖半径处的壁厚减薄率η%R n (mm )164.5170.0172.5175.0177.5180.0R m(mm )164.59.1810.6611.8012.4616.7417.70162.09.1310.6611.7212.5416.3917.56160.09.0810.4911.8112.4316.2517.48155.08.7510.4011.6811.9915.4117.15文献[9]给出了管坯胀形时胀裂判据:胀裂时管坯壁厚方向的应变(近似等于减薄率)等于材料的均匀延伸率δ㊂鉴于初始管坯存在一定的壁厚偏差,而且经过了第一次液压胀形,第二次胀形时的壁厚临界减薄率ηc 按下式近似确定:ηc =0.8δ(3)对于Q345B 管材,延伸率δ=21%,临界减薄率ηc =16.80%㊂由表1可知,对应R n =180.0m m 的4组第二次液压胀形管坯,后盖半径处的壁厚减薄率均大于临界减薄率,由此确定后盖半径R n 的尺寸范围为164.5~177.5m m ,相应的后盖系数K n 为1.00~1.08㊂4.3 压制成形保留R m 取值164.5,162.0,160.0,155.0mm ,R n 取值164.5,170.0,172.5,175.0,177.5mm 时的20组第二次液压胀形管坯,进行第三㊁第四次缩径,得到20组不同的预成形管坯,如图9所示㊂图9 预成形管坯预成形管坯经过退火处理后,按照上文中给定的加载方式进行压制成形模拟㊂图10所示为压制成形时的有限元模型,前模㊁后模对向压制过程中,管坯内充液压力为5MPa ,压制结束后增压至45MPa 进行管坯校形㊂压制后得到桥壳样件如图11所示㊂图10 压制有限元模型图11 桥壳样件对得到的20组压制桥壳样件进行成形性分析,选取中间横截面,分别测量后盖半径处的壁厚,计算最大壁厚减薄率;测量横截面上桥梁前侧㊁后侧过渡圆角R 1㊁R 2的半径㊂4.3.1 壁厚减薄率压制过程中,桥壳后盖半径处是壁厚最小也是最易胀裂的危险区域㊂20组压制桥壳模拟样件后盖半径处的壁厚减薄率如表2所示㊂表2 桥壳样件后盖最高点壁厚减薄率η%R n (m m )164.5170.0172.5175.0177.5R m(m m )164.517.3614.5013.5712.5510.28162.017.6314.6813.2512.3710.20160.017.4314.4713.7812.5910.12155.017.7414.8513.8312.4711.62由表2中的数据可知,后盖半径R n 的大小对壁厚减薄率有显著影响,随着R n 的增大,壁厚减薄率逐渐减小;前盖半径R m 的大小对后盖的壁厚减薄率影响不大㊂依据式(3)给定的胀裂的近似判据可知:R n =164.5m m 的4组压制成形样件,后盖半径处的壁厚减薄率均大于临界减薄率,成形时可能胀裂㊂由此进一步确定R n 的选取范围为170.0~177.5m m ,相应的后盖系数K n 为1.03㊃7861㊃中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计及成形分析王连东 庞 蒙 周立凤等~1.08㊂4.3.2 桥梁过渡圆角半径桥梁处的过渡圆角大小要合适,过渡圆角过小导致压制后的残余应力过大影响使用寿命,前侧圆角过大将导致切割附加前盖后剩余的平面过小,无法焊接加强圈,后侧的过渡圆角过大则影响轮廓美观㊂图12为桥壳样件最大横截面示意图,分别测量剩余16组压制桥壳模拟样件,中间横截面桥梁前侧㊁后侧过渡圆角半径,结果如表3㊁表4所示㊂图12 桥壳样件最大横截面表3 桥梁前侧过渡圆角半径R 1m mR n170.0172.5175.0177.5R m164.512.612.612.512.5162.013.313.213.213.1160.015.315.215.215.1155.017.516.616.416.0表4 桥梁后侧过渡圆角半径R 2m mR n170.0172.5175.0177.5R m164.523.222.521.218.1162.025.323.221.518.8160.025.524.223.720.3155.025.825.424.221.5由表3可知,桥梁前侧过渡圆角半径R 1随着前盖半径R m 的减小而增大,后盖半径R n 对R 1的影响不显著㊂由表4可知,前盖半径R m 不变时,过渡圆角半径R 2随后盖半径R n 的增大而逐渐减小;半径R n 不变时,圆角半径R 2随前盖半径R m 的减小而逐渐增大㊂结合载重5t 卡车桥壳结构的要求,确定前盖半径R m 范围为155.0~162.0m m ,后盖半径R n 范围为172.5~177.5m m ,桥梁前后侧的过渡圆角符合要求㊂相应地确定前盖系数㊁后盖系数的范围分别为0.94~0.98,1.05~1.08㊂5 胀压成形实验针对模拟的载重5t 卡车胀压成形桥壳,选取两种规格预成形管坯,按照有限元模拟中相同的工艺进行胀压成形实验㊂第一种为基准回转体状预成形管坯,中间截面基准半径R 0=164.5m m ;第二种为非对称预成形管坯,中间截面基准半径R 0=164.5m m ,前盖半径R m =162.0m m ,后盖半径R n =175.0m m ㊂预成形管坯压制成形实验中,采用的加载路径为:管坯定位后,上下模对向压制到位,其中上模压制位移为45m m ,下模压制位移为55m m ;管坯充液至5MPa ,前后模对向压制直到两侧平面间距达到110m m 为止,压制过程中保持内压5~6MPa ;压制结束后增压至45MPa进行管坯校形㊂实验结果表明,第一种回转体状基准预成形管坯在最后压制成形阶段,后盖处产生垂直于管坯轴线的裂纹,如图13所示㊂在有限元模拟中,对应后盖最高点,预成形管坯的壁厚为5.53m m ,压制成形后的壁厚为4.57m m ,壁厚减薄率为17.36%,超过了临界减薄率16.80%㊂图13 第一种预成形管坯压制成形样件第二种非对称预成形管坯,压制成形后的样件成形状况好,后盖部分未胀裂,如图14所示,桥梁前侧的过渡圆角半径为12.5m m ,桥梁后侧的过渡圆角半径为19m m ,与模拟值基本吻合㊂在通过前后盖最高点的纵向截面上,以中心线为起点沿轴向每隔20m m 利用超声波测厚仪测量管(a )主视图(b )侧视图图14 第二种预成形管坯压制成形样件坯前后盖侧的壁厚,测量值如图15所示,图中亦给出了有限元模拟的仿真值㊂由图15可知:胀压成形桥壳的壁厚由中心向端部逐渐增大,符合使用性能的要求;实验值与有限元模拟值基本吻合,其中后盖最高点处壁厚的实验值为4.85m m ,较㊃8861㊃中国机械工程第26卷第12期2015年6月下半月仿真值4.67m m 大3.85%,而前盖最高点壁厚的实验值为5.49m m ,较模拟值5.34m m 大2.81%㊂(a )后盖侧沿轴向壁厚分布(b )前盖侧沿轴向壁厚分布图15 桥壳样件前后盖侧的壁厚分布6 结论(1)提出中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计准则:首先按照管坯截面长度与带有附加前盖的桥壳管件对应部分截面长度不变的条件,确定基准回转体;然后修正基准回转体桥包部分的尺寸,减小前盖曲率半径㊁增大后盖曲率半径,得到非对称状的预成形管坯㊂(2)针对载重5t 中型卡车桥壳,设计前盖半径㊁后盖半径不同的预成形管坯,使用ABAQUS 软件模拟整个成形过程㊂通过管坯液压胀形过程和压制成形过程的成形性分析,最后确定前盖系数K m 的范围为0.94~0.98,后盖系数K n 的范围为1.05~1.08㊂(3)在有限元模拟的基础上,选取基准回转体及前盖半径为162.0mm ㊁后盖半径为175.0mm 的非对称预成形管坯,分别进行胀压成形实验,结果表明:前者在压制成形阶段,后盖处产生垂直于轴线方向的裂纹;后者成功试制出样件,成形状况好,而且测得的成形过程中的壁厚值与模拟值基本吻合㊂参考文献:[1] Nikhare C ,Narasimhan K.Effect of Prestrain onForma -bilit y and Formin g Limit Strains durin gTube H y droformin g [J ].Com p uters ,Materials andContinua ,2008,7(3):129-138.[2] 苑世剑,王小松.内高压成形技术研究与应用新进展[J ].塑性工程学报,2008,15(2):22-30.Yuan Shi j ian ,Wan g Xiaoson g .Develo p ments in Re -searches and A pp lications of T ube H y droformin g [J ].Journal of Plasticit y En g ineerin g ,2008,15(2):22-30.[3] Mason M.Tube H y droformin g Usin g Se q uencedformin g Pressures [C ]//Proceedin g s of the Interna -tional Seminar on Recent Status and Trend of Tube H y droformin g .Tok y o ,1999:80-98.[4] Hwan 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