對復(fù)雜空心形狀構(gòu)件液壓成形工藝進(jìn)行了仿真模擬研究。利用有限元模擬，對管零件成形部位在液壓成形過程中起皺、咬邊和CAE成形參數(shù)設(shè)置等進(jìn)行了分析，針對預(yù)成形截面形狀，工藝補(bǔ)充進(jìn)行工藝設(shè)計，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
液壓成形技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)領(lǐng)域并發(fā)展迅速。它具有成本低、柔性高，成形產(chǎn)品強(qiáng)度高、重量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)。復(fù)雜形狀空心管零件的液壓成形過程一般分為三個階段，第一階段是“彎管”階段，將直管利用彎管機(jī)彎曲成一定形狀；第二階段是“預(yù)成形”階段，利用傳統(tǒng)工藝使管材發(fā)生變形獲得能進(jìn)行下一個階段成形的基本輪廓形狀;第三階段是“液壓成形”階段，此時，需要大幅度提高內(nèi)壓，實(shí)現(xiàn)小圓角及修復(fù)預(yù)成形所產(chǎn)生的初始缺陷等復(fù)雜的形狀的最終貼膜成形。
但是，實(shí)際生產(chǎn)中“液壓成形”階段受設(shè)備和生產(chǎn)節(jié)拍等條件限制，內(nèi)壓增加有限，所以產(chǎn)品設(shè)計盡量避免小R角和凹陷等要求高的特征。這需要前期做好分析工作。
為滿足批量生產(chǎn)要求，需要成熟穩(wěn)定的成形工藝和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。CAE 仿真模擬提供了強(qiáng)有力的工具，它可以提供成形過程中材料流動規(guī)律，預(yù)報成形缺陷，為產(chǎn)品設(shè)計提供參考，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計及工藝開發(fā)周期。本文通過有限元模擬對成形工藝分析，設(shè)計了合理穩(wěn)定的產(chǎn)品和工藝方法。
工藝分析
如圖1所示，是公司某款車型副車架前橫梁，材質(zhì)S420MC , 料厚2 mm，零件幾何形狀復(fù)雜，需液壓成形。
前橫梁為單件，但我們現(xiàn)有液壓成形生產(chǎn)設(shè)備是5000t，如單件生產(chǎn)，設(shè)備生產(chǎn)能力嚴(yán)重過剩，而且生產(chǎn)效率低，同時模具的受力不平衡。故為了提高設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)效率和考慮模具受力平衡等因素，采用一模雙腔對稱生產(chǎn)制造，生產(chǎn)方案如圖2所示。將直管利用數(shù)控彎管機(jī)彎出形狀，預(yù)成形壓扁，液壓成形后進(jìn)行激光切割。工藝路線: 彎管、預(yù)成形、液壓成形及激光切割。
液壓成形時，要對管內(nèi)充液體加壓，兩端頭必須有堵頭，為保證密封可靠，密封堵頭通常是圓形，這就要求零件端頭形狀規(guī)整便利于向圓形光順過渡，且過渡端盡量短，過渡端長，材料利用率就會降低。圖1中所示前橫梁兩端頭截面形狀，非常不利于向圓形過渡，如要過渡平緩光順，過渡段必然加長，不利于材料利用率的提升。液壓成形盡量避免小R角和凹陷等要求高的特征，小R角液壓漲形需要大的壓力且容易出現(xiàn)破裂。而凹陷特征材料是受擠壓，不利于液壓漲形。圖 1 中有凹陷特征并且是定位面重要特征，精度要求高，需要重點(diǎn)保證。這樣就需要對產(chǎn) 改進(jìn)設(shè)計。
改進(jìn)設(shè)計
由上述分析可知，若按照現(xiàn)有零件設(shè)計方案，不僅會造成材料的浪費(fèi)，還會極大地增加工藝 復(fù)雜程度，造成生產(chǎn)效率降低，廢品率提高，同時增加模具維護(hù)難度，產(chǎn)生浪費(fèi)。
因此，建議對前橫梁零件設(shè)計采取以下修改:將端頭截面簡化，同時加大端面R角。變凹陷 定位面為凸起，加大定位面及R角，使得更利于液壓成形，改進(jìn)后產(chǎn)品如圖 3 所示。
工藝模面設(shè)計及CAE分析
預(yù)成形工藝模面:預(yù)成形模 面按常規(guī)方法設(shè)計，即預(yù)成形相對終成形周邊向內(nèi)收小 1 mm 做預(yù)成形面工具體，保證預(yù)成形后工件能放入終成形模具里去。進(jìn)行了CAE分析，根據(jù)分析結(jié)果有如下缺陷。
1)內(nèi)彎起皺明顯，如圖4所示。這是不能接受的。但在CAE分析過程中我們不斷調(diào)整R角處彎管半徑和圓心位置，分析發(fā)現(xiàn)，彎管形狀越靠近預(yù)成形內(nèi)彎面，起皺現(xiàn)象越不明顯，也就是彎管和預(yù)成形時在內(nèi)彎處盡量接近終成形形狀使其變化最小，起皺狀態(tài)越好。
最后我們決定重新做預(yù)成形模面，將內(nèi)彎預(yù)成形向內(nèi)扣1mm，外彎向內(nèi)扣 5mm，模面如圖 5 所示，使終成形液壓成形材料只能往外側(cè)流動。
2)有咬邊現(xiàn)象，預(yù)成形到底和終成形模具閉合時CAE分析結(jié)果顯示有咬邊現(xiàn)象，如圖 6 所示，咬邊是上下模合模縫隙太大或不合理造成的，需要調(diào)整分模面。
3)外彎在預(yù)成形模具閉合時向內(nèi)凹陷的缺陷現(xiàn)象較嚴(yán)重，這樣會影響終成形時內(nèi)部壓力，并且產(chǎn)品會留下缺陷。
分析原因：上下模分型面過高，超過管中心線太多，模具閉合時管受力不均造成。
4)預(yù)成形時上下面出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，不利于終成形，增加終成形設(shè)備的壓力。
分析原因:上模同工件剛接觸時是管最高點(diǎn)，并且是點(diǎn)接觸，此時圓管自身張力很大，而管又要變形必然高點(diǎn)向內(nèi)凹陷。將上下型面都改為凸起，改變開始時接觸方式，變點(diǎn)接觸為線、面接觸，增加受力面，從而改變變形區(qū)。
根據(jù)以上缺陷和分析結(jié)果，對預(yù)成形模面進(jìn)行重新設(shè)計。
模擬分析
根據(jù)前橫梁預(yù)成形建模及分析結(jié)果及終成形建模分析可知，不考慮彎管減薄情況下，前橫梁最大減薄率低于15%，各截面貼膜率良好。最大成形應(yīng)力180MPa， 最大合模力13000kN。從以上分析結(jié)果來看，成形后的壁厚均勻且無明顯起皺。產(chǎn)品無風(fēng)險。
結(jié)語
利用有限元分析方法對零件進(jìn)行工藝和結(jié)構(gòu)分析，可節(jié)省試驗(yàn)次數(shù)并能獲得的各種工況結(jié)果，可減少大量人力、物力和財力?？s短產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)試周期，降低成本。
通過改變截面形狀可以提高材料利用率和成形性。通過預(yù)成形模面的不斷完善、合理的產(chǎn)品 造型和工藝補(bǔ)充能夠大大提高工藝性。
（轉(zhuǎn)載）
