内高压成形基本工艺过程是以管材作坯料,通过管材内部施加超高压液体和轴向加力补料把管坯 压入到模具型腔使其成形为所需工件<1>。对于轴线为曲线的零件,先在数控弯管机上弯曲到要 求的形状,再放到模具内加压成形。适用于制造沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或异型截面空心 构件<2-3>。对于空心变截面构件,传统制造工艺一般为先冲压成形2个以上半片再焊接成整 体。内高压成形的特点是可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的空心构件,与冲压-焊接工艺 相比,内高压成形件质量轻、零件数量少,焊缝少,加工周期短,生产成本低<4-6>。近年来 内高压成形在汽车工业得到越来越广泛的应用,已经用于制造轿车副车架等底盘构件、车身构件和 排气管件等,估计约占轿车50%左右的结构件将逐步采用内高压成形件代替传统的冲压-焊接件 <7>。某型号轿车后轴纵臂是一个轴线为曲线的空心变截面结构件,具有3个典型截面。采用传 统冲压工艺需要9道加工工序,采用内高压成形仅需要弯曲、内高压成形和断部切割3道工序。在 自行研制的400MPa内高压成形机对轿车后轴纵臂进行内高压成形试验,成功地试制出轿车后 轴纵臂,经检测尺寸满足设计要求。1 零件尺寸和管材图1是后轴纵臂零件。从图1中可以看出 后轴纵臂是一个轴线为曲线的空心结构件,而且沿轴线截面变化呈不规则形状,具有3个典型截面 。管材规格为:直径70mm,壁厚4mm,材料为20#钢。材料力学性能:屈服强度σs= 332.6MPa,抗拉强度σb=453.2MPa,延伸率δ=33.5%,硬化指数n=0 .23。图1 后轴纵臂零件2 实验设备和主要工序内高压成形实验是在哈尔滨工业大学研制的 国内首台内高压成形机上进行的。该设备由合模液压机、两个水平推缸、增压器、液压伺服系统及 计算机控制系统组成。主要技术参数为:最大内压400MPa,合模力10MN,水平缸推力1 .5MN,可加工零件最大长度1000mm。该机采用计算机控制,可以按给定的加载路径控制 内压与轴向进给匹配,控制精度:内压0.5MPa,位移0.05mm。后轴纵臂是一个轴线为 曲线的结构件,根据内高压成形工艺的特点,为了使管坯放入模具中,并且能够密封加压,必须先 把管坯预弯成和模具型腔相似的形状(见图2)。但由于弯曲时,弯曲角较大,弯曲角内侧受压, 壁厚会增加,可能产生皱折,弯曲角外侧受拉,壁厚减薄。因此在预弯模中预弯时,弯曲角度要比 模具型腔的弯曲角小,这样在合模过程中会把预弯管坯压入到模具型腔中,不会产生皱折。后轴纵 臂内高压成形只需要3道主要工序:弯曲、内高压成形和端部切割。随着内高压成形技术的发展, 可以在成形完成后以高压液体为背压进行冲孔,孔边无塌陷,使工艺步骤大大简化,提高了生产效 率。图2 预弯管形状3 成形压力计算内高压成形管材初始屈服压力估算:pi=t0R0σs (1) 式中:pi为初始成形压力,MPa;t0为管坯壁厚,mm;R0为管材外半径,m m;σs为材料屈服应力,MPa。对于矩形截面构件,最终成形压力为整形时成形矩形截面过渡 圆角所需压力,该压力也可以用式(1)估算,但式中管材半径需要换成圆角半径。由式(1)可 看出初始成形压力与管坯直径成反比,即管材直径越小所需成形压力越大。由于矩形截面最小圆角 半径与管材半径相差较大,因此成形矩形截面最小圆角所需压力远高于初始成形压力。图3是圆角 成形力学分析模型。考虑到材料硬化和厚度变化,硬化规律为σ=Kεn,根据厚壁管理论推导出 适用于内高压成形矩形截面圆角所需压力:pc=23K23ln(t0t)nln(RR-t) (2) 式中:pc为成形压力;K为材料的强度系数;n为材料的硬化指数;R为圆角半径。 根据体积不变条件和均匀变形假设,求出圆角处瞬时壁厚t和管材原始壁厚to的关系:t=t0 R0π/22(R0-R)+Rπ/2(3)图3 圆角成形力学分析模型4 内高压成形件及尺 寸图4是后轴纵臂内高压成形件和3个典型截面。A-A截面具体设计尺寸及成形后的实际检测值 见表1。从表1中可以看出,A-A截面最终尺寸满足零件的设计要求。B-B截面和C-C截面 也满足设计要求。图4 后轴纵臂内高压成形件表1 A-A截面设计尺寸及测定值H/mmw/ mmr/mmR/mm设计58±0.570±110±310±3检测58.2469.141 2.5135 壁厚分布零件壁厚分布是内高压成形件的一个重要指标。图5是A-A截面的壁厚 测点和壁厚分布。管材初始壁厚平均值为3.99mm。从图5看出,对于截面A-A,中部2处 R10圆角区域减薄率较大,左侧圆角区域减薄率11.3%～11.6%,右侧圆角区域减薄率 11%～12%,最大减薄率为12%,位于截面右侧中部R10圆角处,其余各处减薄率均小于 10%;对于截面B-B,最大减薄率为11.6%,位于截面右侧中部R20圆角处;对于截面 C-C,最大减薄率为8%。文献<8>研究表明,圆角区域最大减薄点位于圆弧与直边切点附件 ,该零件典型截面最大减薄点位置基本符合这个规律。6 结 论某型号轿车后轴纵臂是一个轴线 为曲线的空心变截面结构件,有3个典型截面,传统冲压成形工图5 A-A截面的壁厚测点和壁 厚分布步多、工艺复杂。内高压成形仅需要弯曲、内高压成形和断部切割3道工序。用内高压成形 成功地试制出轿车后轴纵臂,经检测尺寸满足设计要求,为在国内采用内高压成形技术制造汽车结构件进行了探索。轿车后轴纵臂内高压成形研究@苑世剑$哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心!黑龙江哈尔滨150001
@苗启斌$哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心!黑龙江哈尔滨150001
@王仲仁$哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心!黑龙江哈尔滨150001
内高压成形;;液压 成形;;
汽车零件 用400MPa内高压成形机对轿车后轴纵臂进行内高压成形试验研究,设计 了合理的模具结构,包括分模面和冲头密封形式。分析了矩形截面圆角成形特点和所需成形压力计 算公式,制定出合理的内高压工艺和参数,成功地试制出轿车后轴纵臂,经检测尺寸满足设计要求 。<1> DohmanF,HartlC.Hydroforming:Researchandpracticalapplication Proceedingsof2rdInternationalConferenceonInn ovationsinHydroformingTechnology
.Ohio,USA,1997
<2> KocM,AltanT.Anoverallreviewofthetubehydr oforming(THF)technology.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2001(108):384-393
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<8> SJYuan,GLiu,ZRWang.Hydroformingofrectang ular-sectionstructuralcomponentswithrelativ elylowerpressure .ProceedingsoftheTUBEHYD RO2003.Nagoya,Japan,2003:13-173工业大学液力成形工程研究中心!黑龙江哈尔滨150001
@苗启斌$哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心!黑龙江哈尔滨150001
@王仲仁$哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心!黑龙江哈尔滨150001内高压成形;;液压 成形;;汽车零件 用400MPa内高压成形机对轿车后轴纵臂进行内高压成形试验研究,设计 了合理的模具结构,包括分模面和冲头密封形式。分析了矩形截面圆角成形特点和所需成形压力计 算公式,制定出合理的内高压工艺和参数,成功地试制出轿车后轴纵臂,经检测尺寸满足设计要求 。<1> DohmanF,HartlC.Hydroforming:Researchandpracticalapplication Proceedingsof2rdInternationalConferenceonInn ovationsinHydroformingTechnology.Ohio,USA,1997
<2> KocM,AltanT.Anoverallreviewofthetubehydr oforming(THF)technology.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2001(108):384-393
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