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汽车桥壳机械式整体成形关键技术研究 摘要 随着汽车工业的迅猛发展，驱动车桥被大量使用，甚至出现了供不应求现 象。汽车桥壳作为驱动车桥的重要组成部分，对其机械强度、刚度和耐疲劳性 能等有较高要求，同时对加工成本及生产效率需合理控制。当前，汽车桥壳的 铸造式及冲焊式生产工艺存在生产效率低及生产成本高等缺陷，而汽车桥壳的 扩张式生产工艺相比于冲焊式工艺，焊接区域大量减小，但依然存在半轴套管 焊接后强度问题，已无法满足汽车工业的需求及节能减排的推进。 针对汽车桥壳传统生产工艺的不足，本文提出了汽车桥壳机械式整体成形 新工艺，包括三次缩径、推方及机械式胀形三道工序。本文首先对缩径工艺进 行了理论推导，采用a b a q u s 软件建立符合实际生产的三道次缩径有限元模 型，分析了材料流动规律及三次缩径工艺特点，得出了应力场及应变场分布， 并对管端缩径的工艺特征进行了系统探讨。模拟结果表明：随着缩径道次的递 增，管坯翘曲量减小，壁厚增加，壁厚增加量呈指数递减，轴向长度呈线性增 加，管坯不圆度减小，最大载荷增加。 其次，本文对推方工艺进行了数学推导，采用有限元二次导入技术对推方 工艺进行模拟研究，分析了管坯的应力应变分布，并对圆管推方的工艺特征进 行了系统探讨，提出合理的改进方案，对推方工艺的模具设计及实验开展有着 很好的理论指导意义。 最后，本文对机械式胀形工艺理论进行了数学推导，采用有限元软件 d e f o r m 3 d 对成形过程进行了数值模拟，研究了管坯的应力应变分布，并对 管坯机械式胀形的工艺特征进行了探讨及修正。针对实际尺寸桥壳及现有设 备，设计了机械式胀形简易实验，对该工艺的可行性及数值模拟的准确性进行 验证。 通过对以上三次缩径、推方及机械式胀形三道工序的研究，本文总结了汽 车桥壳机械式整体成形方法，通过理论分析与实验研究相结合，对工艺特征进 行了系统分析，提出合理的工艺改进方案，为汽车桥壳成形新工艺实用化奠定 了基础。 关键词：汽车桥壳；机械式整体成形；三次缩径；推方；机械式胀形；数值模 拟；实验研究 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fm e c h a n i c a l i n t e g r a lf o r m i n go f a u t oa x l eh o u s i n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，d r i v ea x l ei su s e di n g r e a tq u a n t i t i e s ，a p p e a re v e ns u p p l yp h e n o m e n o n a sa ni m p o r t a n t r o l eo ft h e d r i v ea x l e ，a u t o m o b i l ea x l eh o u s i n gd e m a n d sh i g hm e c h a n i c a ls t r e n g t h ，s t i f f n e s s a n df a t i g u er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ，w h i l et h ep r o c e s s i n gc o s ta n dt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yn e e dt ob er e a s o n a b l ec o n t r 0 1 c u r r e n t l y ，a u t oa x l eh o u s i n gt r a d i t i o n a l p r o d u c t i o np r o c e s ss u c ha sc a s t i n ga n di m p u l s ew e l d i n gh a sd i s a d v a n t a g e so fl o w p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dh i g hp r o d u c t i o nc o s t f u r t h e r m o r e ，t h ee x p a n s i o n f o r m i n gt e c h n o l o g y o fa x l e h o u s i n gn e e d sm u c hl e s sw e l d i n g z o n et h a n s t a m p i n g - w e l d i n gt e c h n o l o g y ，b u t i th a sas t r e n g t hp r o b l e ma b o u th a l fs h a f t b u s h i n ga f t e rw e l d i n ga n dc a n n o ts a t i s f yh en e e d so ft h ea u t oi n d u s t r ya n dt h e p r o m o t i o no ft h ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n w i t hr e s p e c tt ot h ed e f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s so fa u t o a x l eh o u s i n g ，t h ed e f o r m a t i o nt h e o r yo ft h r e et i m e sn e c k i n gi sd e r i v e d f i n i t e e l e m e n tw a su s e dw i t ha b a q u ss o f t w a r et os t u d yt h i sp r o c e s s ，t h es t r e s sa n d s t r a i nd i s t r i b u t i o no ft u b eb i l l e tw e r eo b t a i n e d ，a l s ow ea n a l y z e dt h e p r o c e s s f e a t u r es u c ha sw a r p i n gp h e n o m e n o n ，w a l lt h i c k n e s s ，a x i a le l o n g a t i o na n ds oo n r e a s o n a b l ei m p r o v e m e n tw a sp u tf o r w a r d ，o nt h eg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo fd i e d e s i g na n de x p e r i m e n to ft h r e et i m e sn e c k i n g f i n i t ee l e m e n tw a su s e dw i t ht h e f i n i t ee l e m e n ti m p o r tt e c h n o l o g yt os t u d yt h i s p r o c e s s ，t h e s t r e s sa n ds t r a i n d i s t r i b u t i o no ft u b eb i l l e tw e r eo b t a i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u b ee n dn e c k i n g p r o c e s sw e r ed i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f n e c k i n gp a t h s ，w a r p i n gv a l u ea n do u t - o f - r o u n d n e s sd e c r e a s e ，w h i l ew a l lt h i c k n e s s ， a x i a ll e n g t ha n dm a x i m u ml o a di n c r e a s e s e c o n d l y ，t h ep u s h i n gp r o c e s sw a st h e o r e t i c a ld e r i v e da n ds i m u l a t e db yf e a t w i c ei m p o r tt e c h n o l o g y t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n so ft u b ew e r ea n a l y z e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u s h i n gp r o c e s sw e r ed i s c u s s e d f e a s i b l es c h e m e w e r ep r o m o t e dt og u i d et h ed e s i g no fd i e sa n de x p e r i m e n t so ft h ep u s h i n gp r o c e s s f i n a l l y ，t h et h e o r yo fm e c h a n i c a lb u l g i n gp r o c e s sw a sd e r i v e da n ds i m u l a t e d b yf e ms o f t w a r ed e f o r m 3 d t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n so ft u b ew e r e a n a l y z e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u s h i n gp r o c e s sw e r ed i s c u s s e d s i m p l i f i e d e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e da c c o r d i n ge x i s t i n ge q u i p m e n t s t h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r o c e s sa n dt h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o n sw e r ev e r i f i e d t h r o u g ht h es t u d y o f n e c k i n g ，p u s h i n ga n db u l g i n g ，t h em e t h o d so f m e c h a n i c a l i n t e g r a lf o r m i n go fa u t oa x l eh o u s i n gw e r eo b t a i n e d c o m b i n e d e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p r o c e s sw e r ea n a l y z e d ： f e a s i b l ep r o c e s ss c h e m ew a sp u tf o r w a r d ，l a y i n gt h ef o u n d a t i o no f n e wp r o c e s sf o r a u t oa x l eh o u s i n g _ i_ k e y w o r d s ：a h t a x l eh o u s i n g ；m e c h a 血a li n t e g r a lf o r m i n g ；t h r e et i m e sn e c k i n g ； p u s f i i n g im e c h a n i c a lb u l g i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n le x p e r i m e n t a ls t u d y 。 致谢 本文的完成首先感谢我的导师薛克敏教授，在我攻读硕士期间，他将我带 入先进塑性成形工程中心，让我有机会进行塑性成形方向的研究。培养计划的 选定、课题的制定、研究过程的指导以及论文的撰写都倾注了导师的心血。他 丰富的专业知识、严谨的治学态度、开阔敏捷的思维和对学科前言准确的把握 和忘我的工作精神是我今后工作、学习的努力方向。在此论文完成之际，谨请 薛老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 在此，我还要感谢李萍教授在我课题研究中的对我的悉心指导与在生活上 给予的帮助。特别感谢许峰博士，在学习和生活中给予的热情指导与帮助。 在这里还要感谢我的师兄王刚、章凯、王成、朱广余、张宾、王岗超等， 师姐王晓溪、曹婷婷、张倩倩、李晓等对我的课题研究与软件学习的指导与帮 助；感谢我的同窗周结魁、李晓冬、刘为、张超、徐珂、张翔、钱陈豪、姜华 海、江政以及实验室的师弟师妹们所给予的帮助和支持。同时，感谢0 9 级8 班全体同学在生活上给予我的关心、帮助以及学业上的指点。 最后感谢我的父母、兄弟和女朋友，感谢他们对我生活无微不至的关怀， 对我工作不断的鼓励好无条件的支持，是他们关怀，促使我不断努力前进。 感谢所有关心和帮助我的老师、朋友和家人! 作者：徐迎强 2 0 1 2 年3 月1 日 插图清单 图1 1 汽车驱动车桥1 图1 2 汽车桥壳机械式胀形整体成形过程3 图1 3 薄壁管无芯推压缩径成形过程5 图1 4 薄壁管网格变化情况6 图1 5 缩径实验装配图一6 图1 6 管材压方有限元模型7 图1 7 工装模具结构7 图1 8 汽车桥壳机械式胀形模具图7 图2 1 刚性滑入阶段1 0 图2 2 缩径变形阶段11 图2 3 反弯曲阶段1 1 图2 - 4 稳定流动阶段1 1 图2 5 缩径后的桥壳尺寸图1 2 图2 - 6a b a q u s 分析过程1 4 图2 7 第一道次缩径几何模型1 5 图2 8 第二道次缩径几何模型1 5 图2 - 9 第三次缩径几何模型1 5 图2 1 0 第一道次缩径过程中的等效应变分布1 7 图2 1 1 第一道次缩径过程中的等效应力分布1 7 图2 1 2 第二道次缩径过程中的等效应变分布1 8 图2 1 3 第二道次缩径过程中的等效应力分布1 8 图2 1 4 第三道次缩径过程中的等效应变分布1 9 图2 15 第三次缩径过程中的等效应力分布19 图2 1 6 不同道次缩径过程中的等效应变极大值比较2 0 图2 1 7 管端翘曲示意图2 0 图2 18 缩径比与壁厚差的关系图2 1 图2 - 1 9 三次缩径过程中的轴向伸长变化2 2 图2 2 0 管坯不圆度节点选择示意图2 2 图2 - 2 l 为三次缩径过程中的载荷变化2 3 图3 - 1 截面周长计算2 5 图3 2 变形区长度2 5 图3 - 3 推方后的桥壳尺寸2 6 图3 - 4 圆管推方的几何模型2 6 图3 - 5 推方过程中的法向应变分布2 7 图3 - 6 推方过程中的周向应变分布2 7 图3 7 推方过程中的轴向应变分布2 8 图3 8 推方过程中的法向应力分布一2 8 图3 - 9 推方过程中的周向应力分布2 9 图3 1 0 推方过程中的轴向应力分布2 9 图3 1 1 推方过程中的轴向伸长量变化3 0 图3 1 2 推方过程中的载荷变化3 1 图3 1 3 管坯轴向节点选择示意图3 1 图3 1 4 沿管坯轴向的不贴模度3 2 图4 1 管坯开口示意图3 3 图4 2 管坯长度计算3 7 图4 3 直接成形法3 4 图4 - 4 楔块成形法3 4 图4 - 5 整形成形工序一3 4 图4 - 6 疲劳试验示意图3 4 图4 7 机械式预成形过程中管坯轴向缩短量3 6 图4 8 机械式预成形过程中的载荷变化3 7 图4 - 9 不同摩擦系数下的载荷变化3 7 图4 - 1 0 不同成形温度下的载荷变化一3 7 图4 1 1 不同进给速度下的载荷变化3 7 插表清单 表1 1 几种桥壳制造方法比较2 表2 - 1q 2 3 5 管坯材料属性1 5 表2 2 三次缩径时的管端翘曲量2 1 表2 - 3 三次缩径时的壁厚增加量2 1 表2 4 三次缩径时的管坯不圆度2 3 第一章绪论 1 1 引言 汽车工业的发展是人类社会进步的重要标志之一，也是经济发展的强大动 力。汽车工业作为高新技术的最大载体，其发展与中国经济的发展息息相关， 已逐渐成为中国的支柱产业【1 。3 1 。近十年来，我国汽车领域得到了飞速发展，尤 其在二千年以后，已成世界汽车生产大国和世界最有潜力市场。汽车零件生产 业作为汽车工业的重要支撑行业之一，同样也发展迅速。 汽车驱动车桥作为汽车关键零部件之一，它既是传动系的组成部分，也是 行驶系的重要组成，汽车驱动车桥如图卜1 示。作为传动系，它的主要作用是 支撑并保护主减速器、差速器及半轴；而作为行驶系，其主要作用是使左右车 轮的轴向相对位置固定，与从动桥一起支撑车架及其上的各部分质量，同时， 在汽车行驶时，承受左右车轮传来的路面反作用力和力矩，并经悬架系统传给 汽车车架【4 - 7 1 。 图1 1 汽车驱动车桥 汽车传动桥壳作为驱动车桥的主体部分，是保证汽车正常运行和使用寿命 的关键部件，所以对其机械强度、刚度和耐疲劳性能等都有较高要求。对汽车 桥壳成形质量影响最重要的无疑是它的成形工艺，驱动桥壳生产成本约占驱动 桥总成本的百分之三十，因此如何开发新的成形技术，来改善传统的生产工艺 的缺点，最大限度地减少能耗、提高材料利用率、改善工作环境及提高产品质 量等，是目前我国汽车桥壳加工行业面临的重要课题。 目前汽车桥壳生产主要有三种工艺：铸造式工艺，冲压焊接式工艺，扩张 成形式工艺1 8 ，9 j 。铸造式工艺是汽车桥壳最早采用的生产工艺，采用球墨铸铁 ( 也有在球铁中加入适量的镍) 、可锻铸铁或铸钢等材料铸造位于中间的琵琶 形壳体部分，对其进行机械加工后，再在其两端压入较长的半轴套管，并用螺 栓或销轴固定，以达到较好的压配效果。铸造式桥壳有着可制成复杂而理想的 形状，能够在一定范围内调整壁厚变化，得到理想的应力分布，有着强度和刚 度较大及工作可靠等优点，不足之处是总重量偏大，加工面多，制造工艺较复 杂，在世界范围内的重型车上仍大量使用 1 0 - 1 2 。随着汽车工业的飞速发展，钢 质桥壳不断地被应用，冲压焊接式工艺大量用于桥壳的生产中，是由上下对焊 的一对桥壳主体( 采用钢板冲压而成) 、四块三角钢板、加强圈、两个半轴套 管及两个后盖等组件之间的接缝组焊而成。冲压焊接式桥壳主要优点是质量小 ( 仅为铸造整体式桥壳的百分之七十五左右) 、工作可靠、废品率低及制造成本 低，此外还具备足够的强度和刚度。目前轻型及中型车大量采用此种工艺，逐 渐地取代了铸造式桥壳。但冲压焊接桥壳的缺点也在使用中也逐渐暴露出来， 工序多，费材耗能，不能制成复杂截面的制件，焊接质量要求高等。 随着汽车轻量化的不断推进，扩张成形式工艺作为一种汽车桥壳整体成形 工艺，在轻型和中型汽车上有着广泛的应用。汽车桥壳扩张成形技术是建立在 桥壳钢管的塑性变形理论基础上，针对传统桥壳制造中存在的不足，创新桥壳 制造方法，采用无焊接桥壳新工艺，实现驱动桥壳整体成形【i3 ，1 4 】。与重型桥壳 相比，轻型和中型汽车桥壳壁厚一般不超过8 m m ，且壁厚均匀，常使用1 6 m n 、l o t i 和0 9 s i v 等材料，塑性较好，因而可实现桥壳的常温或温热下成形。 汽车桥壳扩张成形式工艺是采用截面形状为方形的管材，经过制坯工序、 劈开预成形、整形成形、两端缩径及补焊三角板等而成形桥壳的方法l l 5 。17 1 。由 于减少了四条很长的纵向焊缝，使其在相同强度和刚度的条件下，重量减轻， 更能满足汽车轻量化的要求，同时，生产成本降低，生产率得到提高。但桥壳 两端仍需要焊接半轴套管，在焊缝部位不可避免的出现各种焊接缺陷，影响汽 车桥壳的整体强度；同时半轴套管的成形及焊接工序的存在，加工效率下降， 加工成本增加。几种桥壳制造方法比较如表卜1 所示。 表1 1 几种桥壳制造方法比较 制造方法 优点缺点适用范围发展前景 可制成形状复杂 耗能、费材、 而理想的制件， 工艺较难、工中型汽车、重 渐渐减少在中 铸造式桥壳刚度、强度较大， 型汽车上的使 工作可靠，制件 序复杂；制件型汽车 重量大 用 壁厚可变化。 工艺性好、废品工序多，费材 率低，制件重量 耗能，不能制 适用范围广，在一段时间内 冲压焊接式轻，强度高，便成复杂截面的 目前在汽车行将在汽车桥壳 于实现机械化，制件，焊接质 业中占主导地市场中占主导 位地位 自动化。量高。 制件纵向开缝 材料利用率高，端口处存在横 加工效率高，重向裂纹，翻边 轻型汽车、中 在中轻型汽车 扩张成形式上占据一定市 量轻，制件密封宽度不均匀，型汽车 性能好。侧面容易起皱 场 拉伤，强度低。 1 2 桥壳机械式整体成形工艺分析 由于汽车桥壳具有细长、中空和外形复杂等特点，使得成形工艺比较困难。 根据汽车桥壳的左右对称性，传统成形方法是先将半轴套管成形出来，再通过 焊接工艺联接成产品【l 引。采用分段成形的汽车桥壳在联接位置不可避免的出 现各种焊接缺陷，从而使该位置成为桥壳的强度和性能最低点。为保证整个桥 壳的承载能力，采用增加各部分壁厚，不可避免使得整个桥壳重量大大增加。 因此采用传统桥壳工艺生产的汽车桥壳的重量一般比较大，既壁厚过富浪费材 料，又不符合现代汽车减重减排的发展趋势。在此背景下，该领域的专家和科 研人员纷纷投入到整体成形汽车桥壳新工艺的研究中。 本文提出的机械式整体成形工艺是成形汽车桥壳的一种新工艺，成形过程 如图卜2 所示。第一道工序为下料，选用一定直径、厚度的无缝钢管，按桥壳 长度及工艺参数截管下料形成所需的管坯；第二道工序为缩径，在液压机上将 管坯压制成中间大、两头小的管坯；第三道工序为推方，在液压机上实现由圆 管变方管的成形；第四道工序为开工艺孔，在矩形管坯中间的一对相对平面上 沿其轴向中心线相对切制长形工艺通孔；第五道工序为机械式胀形，在液压机 上实现桥壳中间部位的成形，第六道工序为校正，对整形后的坯件进行校正成 形；最后焊上四块三角板、加强圈及后盖等组件，完成桥壳加工。 机械式胀形 镧瀚黼 鬟募 图1 2 汽车桥壳机械式胀形整体成形过程 由上述成形过程分析可得，该工艺的技术难点在于如果设计合理的工艺参 数及模具结构以保证管坯经三次缩径、推方及机械式胀形后满足尺寸和形状要 求，同时在成形过程中防止管坯拉伤、过度减薄等缺陷的产生，以保证桥壳产 品的使用性能。与传统成形方法相同，利用汽车桥壳左右两端对称的特点，只 考虑管坯一端进行分析。 随着计算机仿真技术及数控制造技术的飞速发展，对于如何缩短模具工装 设计与加工周期及提高产品设计质量等问题越来越引起关注。将金属塑性成形 过程的有限元数值模拟技术与模具c a d c a m 技术相结合，形成c a d c a m c a e 一体 化技术，并与可视化技术相结合，开展桥壳机械式整体成形工艺的研究工作【l 引。 采用模具c a d 建立符合实际尺寸要求的产品模型，通过模具c a e 完成产品的有限 元分析，掌握各工艺过程中的金属变形流动规律以及各种工艺参数对产品质量、 模具寿命的影响，系统分析工艺特征产生的机理，从而对变形过程进行科学预 测、改进工艺参数、优化模具结构、提高模具寿命和产品质量。最后导入模具 c a m 实现模具的加工制造。模具c a d c a m c a e 一体化技术，实现从产品设计到模具 制造，是当前汽车桥壳机械式整体成形工艺开发的发展趋势。 1 3 国内外研究现状 从第一辆汽车诞生到现今已经有一百多年的历史了，汽车桥壳始终是汽车 举足轻重的部件之一。汽车桥壳的形式和成形工艺随着汽车工业的发展也在不 断进步【20 | 。第二次世界大战后，汽车工业迅速发展，各种新技术和新工艺不 断出现并应用到汽车领域内，汽车传统桥壳作为汽车车身的承载部分出现在汽 车地盘上。当时的汽车桥壳结构相对简单，生产工艺比较落后，对汽车桥壳的 成形原理和理论的研究相对较少。 进入二十世纪末，人们开始对汽车桥壳的成形理论进行大量研究，不断出 现了多种新的成形方法和专用设备工装，理论方面硕果累累。铸造桥壳虽具有 可制成形状复杂而理想的形状，壁厚可变化，刚度较好等优点，但重量大、费 材、耗能、设备投资大、铸造工艺复杂不易控制及后续机械加工量较多等缺点， 铸造桥壳属于第一代桥壳产品 2 1 - 2 7 1 。冲压一焊接成形是利用两块钢板成形后对 焊形成所需要的桥壳，目前在汽车行业中占主要地位，适用范围广，冲压焊接 桥壳属于第二代桥壳产品。但仍然存在工序多、焊缝长、费材耗能、焊接强度 和技术性能难以保证，其安全隐患在重型汽车上尤其明显【2 8 。32 1 。 随着我国轻型汽车工业的迅猛发展，以及汽车轻量化的迫切要求，我国轻 型汽车桥壳的机械式扩张成形技术逐渐发展起来。无焊接钢管扩张成形桥壳技 术是建立在桥壳的管状结构和钢材的塑性变形理论基础上，具有材料利用率 高、加工效率高、密封性好、力学性能高等优点，但由于桥壳两端焊缝强度的 限制，其加工成本及桥壳重量增加，属于第三代桥壳产品1 3 3 - 3 5 】。 4 汽车桥壳机械式整体成形是建立在扩张成形工艺基础之上，包括下料、三 次缩径、推方、机械式胀形及校正五道工序。该工艺实现桥壳本体与半轴套管 的整体成形，消除了扩张成形式桥壳两端焊缝强度的影响，具有节能、省料、 重量轻、力学性能高等众多优点，但三角区焊接问题限制了该工艺的大量推广， 属于第四代桥壳产品。 管坯的推压缩径是桥壳整体机械式成形的重要部分，缩径过程后产生的壁 厚变化，残余应力及加工硬化等特征对此后的胀形成形影响重大p 引。缩径是 指使回转筒形件通过锥形模以减小其外径的成形方法。根据工艺方法的不同， 缩径可分为冲压缩径、旋压缩径、冲击缩径和电磁成形缩径；根据变形方式的 不同，可分为拉拔缩径和推压缩径【3 7 j 。关于拉拔缩径的研究较多，美籍学者 艾维超等人给出了拉拔凹模最佳锥角、拉拔应力、最大允许缩径系数以及缩径 后壁厚变化的计算公式【3 引；李连诗、韩观昌等人给出了工程上计算管坯拉拔 应力的计算公式 3 9 , 4 0 j 。目前关于筒形件推压缩径的工程应用不多，相关的研究 文献较少。加拿大学者s l a t e r 等人系统分析了薄壁管坯拉拔成形过程的应力 应变规律h 。华中理工大学的丁永祥、夏巨谌等人用主应力法求解出缩径的 应力状态，并结合塑性本构关系分析了缩径后的壁厚变化规律，图卜3 为薄壁 管无芯推压缩径成形过程【4 2 45 1 。辽宁工学院的余载强、张广安等人通过对锥形 凹模缩口变形进行数学分析，建立了锥形凹模缩口的应力场模型和成形力计算 公式，通过实验验证了数学模型的正确性【4 6 1 。 f ( a ) 锥形模具结构示意图 ( b ) 任意微元体的应力状态 图1 3 薄壁管无芯推压缩径成形过程 在上述文献求解过程中，均未考虑缩径过程中的应变强化，随着计算机的 普及，数值模拟也越来越多的应用到缩径工艺研究过程中 47 1 。华中理工大学 的夏巨谌、王英等人采用刚塑性模型对缩径变形行为进行了有限元模拟，获得 管坯轴向剖面上网格变形情况和载荷曲线等，导出缩径的成形载荷和壁厚变化 规律，图卜4 为薄壁管网格变化情况【4 引。合肥工业大学的张宾宾、李萍等人 采用a b a q u s 软件研究了汽车桥壳的推压缩径工艺，提出二道次的缩径效果明 显优于一道次【4 9 1 。燕山大学的高鹏飞、王连东等人在普通液压机上实现了桥 壳双向等长缩径，完成小批量试制，并利用a n s y s 软件对物理实验进行了过程 模拟，图卜5 为缩径实验装配图，通过结果的对比，论证了模拟的正确性，并 揭示管坯缩径的长度变化规律【50 1 。 i 、7 w s a - 角螺钉 ?2 下凹模 5 3 导向筒 4 管坯 。 5 上凹模 6 顶块 3 8 压头 霉 - 图1 4 薄壁管网格变化情况图1 5 缩径实验装配图 圆管变方管作为桥壳扩张成形的另一重要部分，对产品的尺寸精度及后续 的扩口整形工序影响重大。国内外对圆管压方工艺研究较多，即管材在内部施 压液压及外部径向施加力共同作用成形出方管的工艺方法【5 1j 。爱尔兰学者 h w a n g 等人研究了管材压方的极限胀形直径及壁厚分布规律，探讨了内部液压 与加载路径的关系及对管坯填充性的影响 5 2 - 5 4 。日本学者水村正昭等人基于轴 压的成形性分析获得管坯压方的成形裕度结构【55 j ；哈尔滨工业大学的李洪洋 等人研究了加载方式对管材压方成形过程的影响【56 。桂林电子工业学院的邓 洋等人通过对管材压方工艺进行数值模拟，对管材对角线长度变化及壁厚分布 进行系统的研究，分析了加载路径及摩擦系数等参数对管坯成形性和填充性的 影响，图1 6 为管材压方有限元模型1 5 。桂林电子科技大学的陈奉军等人开 发了一种管材压方成形装置，包括模具工装及控制系统，该装置可以对圆形管 材在不同约束条件、不同润滑条件及不同液压力条件下进行压方试验，并通过 实验验证了装置的可行性和科学性，图卜7 为工装模具结构【5 引。而国内外对 于管材推方工艺研究目前仍处于起步阶段，有关研究报道非常少。 汽车桥壳的“中间凸肚，两头细脖”的这种结构特点，引导人们开始研究 钢管的扩张成形。自从美国和法国成功研制出无焊接钢管整体成形工艺制造轻 型和中型桥壳以来，国内外纷纷对该工艺进行研究。国内徐州工程机械公司在 引进国外生产设备和技术的基础上，对工程车桥壳的无焊接整体成形工艺进行 了研究与开发。丹东轻型汽车配件厂的谢德润等人研究了钢管机械式胀形桥壳 外形尺寸设计、载荷大小的确定、强度刚度计算，分析了汽车桥壳机械式胀形、 6 ( a ) 模型轴侧视图( b ) 模型网格划分图 图1 6 管材压方有限元模型图卜7 工装模具结构 后续焊接和机加工工艺，论证了钢管机械式胀形工艺具有材料利用率高、成本 低、产品性能好等优点 5 9 , 6 0 1 。丹东大学的易素君等人对钢管机械式胀形工艺及 模具设计进行了研究，合理选择成形工艺参数，使管坯在变形过程中处于最佳 受力状态，可获得良好的成形效果，图卜8 为汽车桥壳机械式胀形模具图【6 1 】。 武汉汽车工业大学的刘杰等人分析了钢管整体成形汽车桥壳中的几个主要影响 因素【62 1 。武汉理工大学等人在该工艺方法上作了大量的研究工作，并在农用车、 轻型车上应用无焊接钢管整体成形工艺制造桥壳取得成功。然而，上述工作都 处于探索阶段，工艺尚未成熟。因此，深入研究汽车桥壳机械式胀形工艺，实 现工艺的最优化和产品的批量化，对促进桥壳成形技术发展，满足汽车工业对 高质量的零件需求有着十分重要的意义。 图1 8 汽车桥壳机械式胀形模具图 国内对于桥壳的成形工艺研究虽然做了很多的工作，但与国外相比较，还 存在相当大的差距。主要表现在：( 1 ) 用先进的设计理念指导实际设计生产的 意识淡薄；( 2 ) 桥壳轻量化多是按经验修改主要部件的参数尺寸，大多数只校 核一般静态工况。( 3 ) 先进设计理念的实际应用较少，导致新开发工艺对桥壳 轻量化的重要性没有体现出来；( 4 ) 国内设备落后，科研力量较弱 6 3 - 6 5 】。 从上述情况来看，无焊接钢管整体成形汽车桥壳研究具有较好社会和经济 效益，可以在节能、节材上产生巨大的效益，顺应未来汽车制造节能和环保的 发展趋势，在生产工艺上创新发展，可带动我国汽车零部件生产行业向前发展 【6 6 1 ，使我国汽车行业的制造水平上一个新台阶。鉴于该工艺的工艺特点，投入 实际生产后将使桥壳生产的性能质量、生产效率有很大的进展，同时降低了生 产成本，提高是市场竞争力，为汽车行业带来良好的经济效益。 1 4 课题来源、目的及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于安徽省二0 一一科技攻关计划面上项目一汽车桥壳机械式 胀形关键技术研究( 项目编号：11 0 1 0 2 0 2 16 0 ) ，该项目由合肥工业大学先进塑 性成形工程中心承担，与安徽省合肥车桥有限责任公司合作完成。 1 4 2 课题目的及研究内容 1 4 2 1 课题目的 近年来，由于汽车燃料和原材料的成本提高以及环保法规对汽车废气排放 的限制，使汽车结构的轻量化显得日益重要。汽车轻量化实际上就是零部件的 轻量化。驱动车桥是汽车上重要零件之一，不仅起着支撑汽车负荷的作用，还 是主减速器、参数器及半轴的保护外壳。在保证使用性能的前提下，如何实现 产品轻量化是汽车桥壳行业发展的重要方向1 6 7 1 。由于企业之间激烈竞争，降 低生产成本，提高生产效率，寻求先进的工艺方法制造汽车桥壳成为当今研究 和关注的热点。目前国内外主要采用铸造式或者冲压焊接式成形汽车桥壳，这 种传统工艺非常落后，已不适应高效率生产的研究，同时也不符合节能减排， 绿色生产的现代理念。汽车桥壳机械式胀形工艺具有重量轻、性能好、生产率 和材料利用率高和成本低等优点，这些有利的因素使这项技术成为人们竞相研 究的热点，对于推动汽车工业的发展，具有重要的社会和经济意义。 本课题采用机械式胀形工艺来成形汽车桥壳，采用理论分析、计算机模 拟和物理实验相结合方法，实现成形工艺和模具的优化设计，并研制开发一套 汽车桥壳机械式胀形专用工装，实现桥壳整体成形。满足汽车轻量化的时代要 求，以加强我国在汽车桥壳成形的研发和工业装备能力。随着汽车产业的发展， 桥壳的需求量不断增加，同时随着汽车轻量化的不断推进。汽车桥壳机械式胀 形工艺在汽车轻量化方面的突出优点，决定着它在汽车桥壳生产方面有着很大 的潜力，将会取得巨大的经济效益和社会效益。 1 4 2 2 研究内容 本课题的研究内容有以下几个方面： 1 、针对汽车桥壳传统生产工艺的不足，提出汽车桥壳机械式整体成形新 工艺，包括三次缩径、推方及机械式胀形三道工序；选择同时满足加工工艺和 使用性能要求的合适的钢管材料，制作同种材料的标准拉伸试样，获得材料的 应力应变曲线，提供数值模拟所需的基本数据。 2 、分别对三次缩径、推方及机械式胀形各工艺进行理论推导，采用有限 元模拟方法进行工艺方案研究，分析管坯的应力应变分布及材料在变形过程中 的力学变化规律。 3 、分别对三次缩径、推方及机械式胀形的工艺特征进行了系统探讨，预 测成形缺陷，提出合理的改进方案，为各工艺的模具设计及实验开展提供理论 指导。同时对各工艺的成形载荷变化进行分析，优化工艺参数，满足设备吨位 及模具强度的要求。 4 、针对汽车桥壳的实际受力状况及机械式整体成形工艺特点，选择同时 满足加工工艺和使用性能要求的钢管材料q 2 3 5 ，考虑实验室现有设备及工装 条件，设计了机械式胀形简易物理实验，实验管材为桥壳产品尺寸的缩比件 ( 1 ：2 ) ，对该工艺的可行性及数值模拟的准确性进行验证。 第二章汽车桥壳缩径工艺研究 汽车桥壳包括中间的牙包部分和两端的轴管部分，其轴管形状为同轴的变 直径管坯，传统成形工艺是采用分段加工，将成形后的轴管焊接到中间牙包部 分上，生产制造复杂，产品强度低。汽车桥壳机械式整体成形作为一种新工艺， 将中间的牙包部分与两端的轴管部分整体加工，具有材料利用率高、节能省材、 加工效率高、密封性好等特点，同时由于该产品焊缝很少，消除渗漏油液现象， 产品外观质量得到保证。本章基于a b a q u s 软件研究了管坯三次缩径时的材 料流动规律及应力应变分布，对缩径后管坯的管端翘曲、壁厚增加及轴向伸长 等工艺特征进行了探讨，分析成形载荷曲线，优化工艺参数及模具结构，为随 后的汽车桥壳推方工艺研究打下基础。 2 1 汽车桥壳缩径工艺分析 汽车桥壳推压缩径工艺是一种管坯缩径挤压工艺，其变形过程分为：刚性 滑入阶段、缩径变形阶段、反向弯曲阶段和最后的稳定流动阶段【6 8 1 。下面分 别对四个阶段的变形过程进行数学分析。 纫 够 k 。洒鬯。 援么_ _ - t - ， ” 一、 釜魏 ，h ， 鼋f ：- i l 模，2 - 管坯ir 凹模锥孔半角 图2 - 1 刚性滑入阶段 管坯接触凹模后，在锥形侧壁的引导下产生滑入，到管段外圆完全与锥形 孔壁接触，此阶段为刚性滑入阶段，如图2 1 所示。管坯能顺利进行刚性滑入 的动力学条件是： t g ( 9 0 ”一口) 辔缈 ( 2 1 ) 式中，a 凹模锥孔半角； 够一摩擦角。 由此可得，存在一个临界凹模锥孔半角a 临。由于轴向施加压力，管坯在 开始阶段要产生一定的弯曲变形和轴向压缩，增加管坯进行刚性滑入的难度， 1 0 故临界凹模锥孔半角a 临要比理论值小。如果a a 惦管坯无法滑入而产生失稳； 如果a - 0 5 ( 2 3 ) 文献通过主应力法计算获得： 嘲尼( 1 一当h 1 确) + f l ( 1 + m t g a o ) ( 1 + 旦) ( 一1 ) + 嬲旦l n 上 + 听名l o ( 2 4 ) o s a s o s队 当上式取等号时求出来的就是第一道次的极限缩径系数。即 铂k ( 1 一导h 1 ) + f l ( 1 + j u c t g a o ) ( 1 + 晏) ( 坼一1 ) + 旦l i l 土】+ 听肌：o ( 2 5 ) o so so s弧 式中b 一材料的强度极限( n m m 2 ) ； 吒一材料真实应力一应变曲线上塑性失稳点的应力( n m m 2 ) ； 一材料的均匀延伸率。 q 2 3 5 无缝钢管的力学性能为： g = 2 4 5 n m m 2 ，= 4 1 0 n m m 2 ，万= 2 5 第一道次缩径时，凹模锥角a o = 2 2 。，摩擦因数m k = 0 1 0 0 2 0 ，带入公式 解的第一道次缩径的极限成形系数铂血。= o 7 3 ，而实际一道次缩径系数为 m a 2 0 7 5 m l m i 。，因此满足成形条件。 依次类推，文献给出第二道次缩径的成形条件为： k ( 1 一。b - - b - i n ( m l m 2 ) ) m 2 + f l ( 1 + j c t g a o ) ( 1 + - - - g ) ( m 2 - 1 ) 一( 聊2 i n ( m l m 2 ) 一l n m l ) 】+ 听。圳聊；舵0 ( 2 - 6 ) 将第一道次缩径系数带入并取等号，求出来的就是第二道次的极限缩径系 数，即： k ( 1 一b - b - l n ( m l m 2 ) ) 聊2 + f l ( 1 + 2 c t g a o ) ( 1 + b ) ( m 2 - 1 ) 一( 聊2i n ( m l m 2 ) 一1 1 1 m ) 】+ 聊f o “”聊；舵= 0 ( 2 - 7 ) 求解出二道次缩径的极限成