（车辆工程专业论文）液压胀形汽车桥壳的试验研究与有限元模拟.pdf

摘要 摘要 利用液压胀形工艺生产的桥壳，不但可以满足车辆制造轻量化的要求， 而且制件壁厚分布合理、强度刚度高，因此具有较好的经济效益和应用前 景。但是对其理论及工艺方面的研究仍然比较缺乏，有必要对该领域进行 更加深入的研究。 本文设计了载重o 7 5 吨汽车桥壳的试验样件，制定了液压胀形的工艺 方案，设计制造了普通液压机进行超高压胀形的集成装置，将增压器、充 液器与滑动胀形模具集于一体，克服了传统液压系统的弊端；简化了胀形 装置，降低成本；同时解决了高压源的问题，提高了安全系数；采用过盈 配合方法及组合密封技术将高压动密封转化为静密封，解决了超高压动密 封难题。 对桥壳的胀形过程进行了大量的试验研究，根据试验的需要制定了胀 形的试验方案。在第一次胀形和第二次胀形阶段，通过常应力系数、常压 胀形以及多线性加载路径进行加载，试制出比较理想的试件。根据试验结 果，分析了不同加载路径对成形过程的影响，摸索出轴向进给量与胀形压 力的匹配关系，总结出了比较合理的加载路径，并且针对典型试件分析了 试件壁厚的分布规律。 以a n s y s 为平台，根据试验的实际情况，对胀形过程的各种加载路 径进行了数值模拟。确定模拟过程的边界条件以及加载方式，分析了不同 的加载路径对成形过程的影响，以及应力应变的变化规律，绘制成形极限 应力图。并且与试验结果进行比较分析验证了模拟的可靠性。 本论文对液压胀形汽车桥壳进行了深入的试验研究，利用有限元软件 对其成形的规律进行了分析，为液压胀形桥壳应用于实际生产提供了非常 有价值的参考依据。 关键词液压胀形；汽车桥壳；有限元模拟；超高压胀形装置；加载路径 成形极限应力图 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed r i v i n ga x l e p r o d u c e db yh y d r o b u l g i n g ，w h i c h c a n s a t i s f yt h e l i g h t w e i g h tf o rm a n u f a c t u r i n go fv e h i c l e ，h a v i n gr e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no f t h i c k n e s sa n dh i g h e rs t i f f n e s sa n di n t e n s i t y ，r e d u c i n gt h ew o r k i n gp r o c e d u r e ， i m p r o v i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n ，s a v i n gm a t e r i a l s ，h a v ep r o s p e r o u se c o n o m i c s i t u a t i o na n de x t e n s i v e l ya p p l i e df o r e g r o u n d b u tt h er e s e a r c ho nt h e o r ya n d t e c h n i c si sm o r es k i n f u l ，i t sn e c e s s a r yt om a k ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h e s ef i e l d s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec l a s s i f ya n dt h ed i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t ，e r e c td i e i sm a d et oi m p r o v et h ef u n c t i o no f t r a d i t i o n a ld i e s u p e r c h a r g e ra n dc h a r g e ra r e m o u n t e di n s i d eo f t h ed i e ，t ol o wt h ec o s ta n dt h es e c u r eh i d d e nt r o u b l e i t sd o n el o t so fe x p e r i m e n tt or e s e a r c ht h ec o u r s eo fb u l g e ，m a d ep r o p e r s c h e m et om e e tt h en e e do f e x p e r i m e n t i t sg o tp e r f e c tp a r tf i n a l l yi nd i f f e r e n t l o a d i n gr o u t e a c c o r d i n gt o t h er e s u l t ，a n a l y z i n gt h ee f f e c t e df a c t o rf o r d e f o r m a t i o n ，t r y i n go u tt h ec o r r e c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f e e di na x i a l d i r e c t i o na n dt h ep r e s s u r e f i n a l l y ，i t sg o tp r o p e rl o a d i n gr o u t e ，a n da n a l y z i n g t h ed i s t r i b u t e dl a wo f t h i c k n e s s f i n a l l y ，n u m e r i c a ls t i m u l a t i o nf o rt h ec o u r s eo f b u l g eh a v eb e e nd o n eb a s e d o na n s y s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，w ed e c i d et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n a n dl o a d i n gs t y l e ，a n a l y s et h ee f f e c ti nd i f f e r e n tl o a d i n gr o u t ea n dt h e d i s t r i b u t e dl a wo f s t r e s sa n ds t r a i n ，d r a wt h ed e f o r m e dl i m i to f s t r e s s ，v a l i d a t e t h er e l i a b i l i t yo f t h es t i m u l a t i o n t h i sp a p e rd od e e p l yt e s tr e s e a r c ho nt h eh y d r o b u l g i n gd r i v i n ga x l e ，a n d a n a l y s et h ef o r m i n gl a wb a s e do na n s y s i tp r o v i d e sr e f e r e n c ef o ra c t u a l p r o d u c t i o n k e y w o r d sh y d r o - b u l g i n g ；d r i v i n ga x l e ；f e m ；u l t r a - p r e s s u r eb u l g ed e v i c e ； l o a d i n gr o u t e ；d e f o r m e dl i m i to f s t r e s s i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文液压胀形汽车桥壳的试 验研究与有限元模拟，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期 间独立进行研究： 作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签字麓乞浯 同期：捌年髟序珀 燕山大学硕士学位论文使用授权书 液压胀形汽车桥壳的试验研究与有限元模拟系本人在燕山大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 年解密后适用本授权书。 ) 作者繇考办塘 r 期溯嘞z 珀 颠虢纱铲葫、 日期：护7 钎月细 吨影吖 口 密打 密 保内 保 不框、万 于 应 属 相 丈 上 论 以 位 在 学 请 本 0 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 1 1 1 液压成形的应用和特点 减轻结构重量以节约材料和运行中的能量消耗是现代先进汽车制造技 术的趋势之一。进入新世纪，面对资源与环境问题的严峻挑战，继续推进 轻量化以降低油耗依然是汽车工业的重要研究课题。虽然在上世纪，汽车 工业在应用工程塑料与高强度钢板等方面为实现汽车轻量化已取得可喜的 成绩，但汽车轻量化的进程仍需继续推进。实现汽车轻量化，除设计尺寸 紧凑的汽车结构件外，更重要的途径是采用新型的材料和先进的技术。其 中重要构件，如桥壳、副车架、门框等的发展趋势是利用液压工艺进行生 产，非重要构件利用塑料或轻金属材料来降低结构重量【n 。 液压胀形技术，适用于异厚异形的中空结构管件，先将管材置于具有 一定形状的模具中，管件内部加入高压液体( 目前主要以水、乳化液或油为 主) ，同时轴向施加压力补偿管料，把管料压入到模具腔体内成形【2 一l 。液 压成形产品重量轻而性能高的优点尤其符合汽车和飞机零部件的要求，因 此管件液压成形技术目前己广泛应用在汽车工业和航空工业。任何新技术 都需要相应的应用来推动和带动其发展，而汽车工业对液压成形产品的需 求则成为液压成形技术发展的驱动力。表1 1 和图1 1 所示给出了可使用 液压成形技术生产的汽车零部件 4 - 7 ，可见液压胀形技术在汽车制造业中有 着巨大的应用潜力和广阔的市场前景。 液压成形工艺与传统的冲压焊接工艺相比，具有以下优点【8 以o 】： ( 1 ) 减轻质量，节约材料对于汽车上的副车架、散热器支架等典型产 品，内高压成形零件比冲压件减轻2 0 4 0 ，对于空心轴类重件可以减轻 4 0 ，5 0 。 ( 2 ) 减少零件和模具数量，降低模具费用内高压成形件通常仅需要一 两套模具，而冲压件大多需要多套模具。 燕山大学工学硕士学位论文 表1 1 可使用液压成形技术生产的汽车零部件 t a b l e1 - 1t h es p a r ep a r t sp r o d u c e db yt h e h n i co f h y d r o f o r m 车身底盘转向系与悬架发动机 仪表板支架前置发动机支架控制臂排气管 散熟器支架后置发动机支架从动连杆凸轮轴 座椅骨架梯形臂转向柱曲轴 车项侧围横粱牵引杆 车顶纵粱保险杠 车身纵粱 前桥、后桥 副车架 图1 - 1 液压成形技术在汽车轻量化中的应用 f i g 1 - 1t h e t e c h n i co f h y d r o d e f o r mu s e di nl i g h t e dv e h i c l e ( 3 ) 可减少后续机械加工和组装焊接量以散热器支架为例，散热面积 增加4 3 ，焊点由1 7 4 个减少到2 0 个，工序由1 3 道减少到6 道，生产效 率提高6 6 。 ( 4 ) 提高强度与刚度，尤其疲劳强度散热器支架刚度垂直方向提高 3 9 ，水平方向提高5 0 。 ( 5 ) 降低生产成本根据德国某公司对已应用零件统计分析，内高压成 形件比冲压件平均降低1 5 2 0 ，模具费用降低2 0 3 0 。 2 第1 章绪论 ( 6 ) 设计灵活特殊的成形能力使液压成形产品的设计更灵活。 例如福特m o n d e o 车型的发动机架采用液压成形技术，与传统的加工 技术相比，具有明显的优越性： a 组件的数目由6 个减少为1 个； b 加工程序的步骤由3 2 步减少为3 步； c 成形件的重量由1 2 蝇降低为8k g ； d 平均每个成形件的成本由2 0 英镑降低为1 0 英磅。 尽管液压成形技术具有许多优势，但它也有循环周期长、设备昂贵、 缺乏过程设计和设备设计的知识等劣势。因此，工程人员必须从经济性和 技术性综合对比液压成形技术和冲压与焊接技术的优劣，来确定某一产品 使用液压成形技术的可行性( 1 1 1 。 1 1 2 汽车桥壳的液压胀形 汽车后桥壳的作用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等部件，并 与从动桥一起支承车架及其上的各总成重量。它应该有足够的强度和刚度， 质量小，便于拆装调整。 目前生产汽车桥壳的方法主要有铸造( 由铸造的轴壳及两端压入的半 轴套管组成) 、冲压一焊接( 由板料冲压成形后焊接而成) 和扩张成形( 由中 间部分切出纵向开口的无缝钢管用橡胶扩张成形) 【1 2 - 1 5 1 。不同生产工艺的优 缺点如表1 2 所示。 桥壳的液压胀形工裂1 6 】具体是指选择适当尺寸的管坯，首先进行推压 缩径将其端部直径减至零件图要求，然后进行轴向压缩，与此同时内部充 以高压液体进行复合液压胀形将中间部分扩张成形。 用液压胀形工艺生产出的桥壳，可以满足车辆制造轻量化的要求，而 且制件壁厚分布合理、强度刚度高，生产工序少、改善劳动条件、节约材 料，因此具有较好的经济效益，前景十分广阔旧。但是液压胀形工艺在汽 车制造业中获得应用的历史并不长，其理论及工艺方面的研究仍然比较缺 乏，尤其是像制造汽车桥壳这样几何形状比较复杂的非轴对称零件，关于 其变形规律的经验和试验数据积累十分有限，给工艺设计带来了一定的困 燕山大学工学硕士学位论文 难。为了有效地开发新产品，必须进行桥壳液压胀形的大量试验，确定合 理的加载路径，揭示汽车桥壳液压胀形的成形规律以及汽车桥壳的强度剐 度特性等，从而形成比较完整、系统的理论和技术，进而为推广液压胀形 技术提供经验，有助于加快其它汽车零部件的轻量化。 表1 - 2 各种生产工艺的优缺点 t a b l e1 - 2t h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f v a r i o u st e c h n i c s 生产工艺优点缺点应用范围 易制造形状复杂和壁厚不均的 重量大，浪费材料和 中、重型载重汽 铸造零件，刚度、强度较大，工作可能量，控制成形流动 奎 靠困难，工序复杂 工艺性好，废品率较低，可靠性工序繁多，浪费材料目前在轻型车、 高容易制造，质量轻，价格较和能源，仅适合简单农用车行业中占 冲压焊接 低，易实现生产自动化的几何形状，难以调主要地位，适用 整范围广 是冲压一焊接的派生。省去了剪 纵向开缝处存在横小轿车，轻、中 板和落料的工序，使工作量减向裂纹，琵琶包处翻型载重汽车 扩张成形 少，加工效率高，密封性好，刚边宽度不均匀，侧面 度、强度高，重量轻 易起皱拉伤 节省材料和能量，工序少，生产工艺仍不太成熟，易轿车、轻型和中 液压胀形效率高，易实现生产机械化和自漏油和污染环境型载重汽车 动化，强度、刚度高 目前，本人的导师王连东教授一直在进行汽车桥壳液压胀形工艺的理 论和实验研究，并且受到河北省自然科学基金的资助 1 9 - 2 1 】。 1 2 国内外研究现状 内高压成形是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体和轴向进 给补料把管坯压入到模具型腔内使其成形。而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，经过预成形后再放到模具内加压成形， 4 第1 章绪论 这种工艺适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件，截面形状 可以为圆形、矩形或异型截面【2 2 】。由于所使用的压力高，在德国称为内高 压成形i h p f ( i n t e m a lh i g hp r e s s u r ef o r m i n g ) z 3 彩1 ；根据使用的坯料和成形 介质，在美国又称为管材液力成形t h f ( t u b eh y d r of o r m i n g ) 2 6 1 。 管件内高压成形适用于制造航空、航天和汽车领域的各种异形的空心 构件 2 7 - 2 9 i 。德国于2 0 世纪7 0 年代末开始进行内高压液力成形的基础研究， 并于9 0 年代初率先开始在工业生产中采用内高压成形技术制造汽车轻体 构件。德国奔驰汽车公司于1 9 9 3 年建立其内高压成形车间，宝马公司已在 其几个车型上应用了内高压成形的零件 3 0 - 3 3 1 。 美国有关大学，研究机构和公司十分重视内高压技术，已于几年前开 始着手研究开发。近年来加大研究开发的力度，加快内高压成形技术的产 业化。美国克莱斯勒汽车公司首先用内高压成形技术生产了仪表盘支梁， 美国的通用汽车公司制造副车架，散热器支架、下梁和车顶托梁等空心轻 体件。福特公司在底盘零件、车身框架、排气系统管件等应用了内高压成 形技术p 6 1 。 日本的内高压成形技术发展很快，不仅各大汽车公司( 丰田汽车公司、 日产汽车公司等) 开始使用内高压技术生产汽车零件，各大炼钢厂( 新日铁 钢厂、川崎制铁所、住友轻金属工业株式会社等) 也对该技术进行了非常细 致广泛的研究，日本学者对于汽车工业用管材的液压成形研究非常广泛， 包括各种直长轴类零件、带歧管的轴类零件、带中心弯曲线的不同截面的 管件、各种复合管、异型管都有研究论文发表。 近年来，内高压成形的学术会议也逐渐增多。第六、七届国际塑性加工 会议0 c t p ) 都设有专门的内高压成形分会场，在各种国际期刊上发表论文 数量也越来越多，德国斯图加特大学的s i e g e r t 教授于1 9 9 9 年开始每两年 主办一次专门有关内高压成形方面的国际会议，会议规模通常都在3 0 0 人4 0 0 人。日本塑性加工学会管材加工委员会于2 0 0 3 年9 月也召开了 次内高压成形的国际会议。 除了用液压胀形工艺生产汽车和飞机上使用的轻体件外，在2 0 世纪 8 0 9 0 年代，日本、美国及俄罗斯等工业发达国家都己研究应用液压胀形 燕山大学工学硕士学位论文 工艺生产自行车中轴及水暖件三通( 四通) 管接头、波纹管、旋转管接头等。 用胀形工艺制造的空心阶梯轴完全可以取代采用传统工艺生产的阶梯轴。 液压胀形工艺与弯曲工艺结合，还可加工轴线为曲线，截面为圆形、矩形 或其它形状的空心构件。将液压胀形工艺与其它工艺复合，可加工出轻体 凸轮轴。利用不同材料组成的复合管材，通过液压胀形成形，可以加工复 合管件，以满足不同场合的要求。 我国内高压成形技术研究虽然起步较晚，但是发展的很快。吉林大学 李初教授、燕山大学王连东教授等人正在研究液压胀形汽车桥壳，并已初 步试制出0 7 5t 微型汽车桥壳 7 1 ：哈尔滨工业大学进行了内高压成形机理、 工艺和设备关键技术研究以及样件研制，并已经研制出胀形压力为1 0 0 m p a 的国内首台内高压成形机1 3 7 , 3 8 1 ；清华大学和北京科技大学开展了内高 压成形过程数值模拟研究；西安交通大学机械学院对内补液增压式管材液 压成形工艺装置进行了试验研究【3 9 】。 另外，国内有些厂家利用机械胀形生产后桥壳。如：徐工集团工程机 械桥箱厂，引进法国索玛公司后桥壳机械胀形工艺来生产桥壳。其加工工 艺过程如下：下料、中间切口、两端冷缩口、切口处热撑胀、车加强环面、 焊加强环等。丹东轻型车桥厂利用局部机械胀形生产后桥壳：先中部局部 机械模具胀形，再焊接两侧管，然后两端冷缩径1 4 0 l 。 1 3 汽车桥壳液压胀形工艺的难点 液压胀形涉及到塑性加工理论、材料成形、超高压技术、计算机数值 模拟、模具等众多领域，影响因素多，技术难度大，工艺性强，要求具有 一定的经验积累。综合分析其存在以下几个技术难点d 1 a 2 i ： ( 1 ) 液压胀形成形机理不清楚比如管材液压胀形时的极限胀形系数 如何确定，其与加载路径有何关系，如何选择合适的加载路经，即如何匹 配液体胀形压力与管坯轴向进给量，以确保管坯胀形中既不胀裂，又不出 现失稳、褶皱等缺陷。 ( 2 1 高压源不易满足用内高压成形管件时，必须往管腔注入6 0m p a 以上高压液体。胀形汽车桥壳类横截面具有环向过渡小圆角的制件，最终 6 第1 苹绪论 成形时需要至少1 2 0m p a 的超高压。这么高的压力，液压泵很难解决，一 般用增压液压缸来实现，但是单独的超高压增压缸费用昂贵。 ( 3 ) 高压密封难内高压成形时，需建立起1 2 0m p a 以上的压力，确保 密封是保持管坯内液体压力的关键。密封的好坏将直接影响液压胀形工艺 的成败。 ( 4 ) 模拟过程的边界条件处理难液压胀形的过程是一个复杂的过程， 其应力和应变的变化是非线性的。这就给模拟液压胀形的过程，带来很大 的难度，尤其是如何确定其边界条件是模拟正确与否的关键所在。 1 4 本文主要研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 本文在前期理论的基础上，通过大量试验，研究不同加载路径对成形 过程的影响，并基于试验所得数据，结合大型通用有限元分析软件a n s y s 对其成形的过程进行模拟分析。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 根据试验的需要设计胀形的模具、试验装置以及超高压自补偿系 统： ( 2 ) 在各种加载条件下试制桥壳，研究加载路径对成形过程的影响，并 且对试验结果进行分析比较，总结出比较合理的加载路径； ( 3 ) 针对典型试件，研究其壁厚的分布规律； ( 4 ) 利用a n s y s 进行模拟，确定合理的边界条件，通过不同的加载路 径下进行模拟，并且与试验结果相比较，验证模拟的可靠性； ( 5 ) 利用a n s y s 的后处理功能，分析在液压胀形过程中应力应变的变 化规律，总结出液压胀形汽车桥壳的成形极限应力图。 1 4 2 技术路线 本文在液压胀形成形机理的基础上，设计了桥壳样件、胀形装置和超 高压自补偿系统。通过不同加载路径，对汽车桥壳的成形试验、胀裂试验、 起皱试验进行了研究，分析不同的加载路径对成形过程的影响，总结出比 7 燕山大学工学硕士学位论文 较合理的成形加载路径以及胀裂和起皱的判据。利用有限元软件对汽车桥 壳液压胀形的成形过程，以及胀裂和褶皱的情况进行数值模拟，结合试验 结果验证模拟的真实性与可靠性，进而研究在胀形过程中应力和应变的变 化规律，总结出汽车桥壳的成形极限应力图，其技术路线如图1 - 2 所示。 图1 - 2 技术路线 f i g 1 - 2t e c h n i c a lp a t h 第2 章汽车桥壳的液压胀形工艺及试验装置 第2 章汽车桥壳的液压胀形工艺及试验装置 2 1引言 管材胀形的方法很多，若按使用的模具分类，可分为刚性模胀形和软 模胀形两类。采用刚性分块式凸模胀形【4 3 】时，常称为刚性模胀形；利用弹 性体或液体、气体的压力代替刚性凸模的作用对管坯进行胀形时，则称为 软模胀形。弹性体通常用聚氨酯橡胶m 舶1 或天然橡胶【1 5 m a t i ，以及近年来 刚开始使用的聚氯乙烯( p v c ) 塑料。液体通常用油、乳化液或水。另外， 由于石蜡具有易于里固态或液态的独特优点，将其作为软模胀形的传压介 质，己在生产中取得了良好效果。因此，根据传压介质的不同，软模胀形 又包括橡胶胀形、p v c 塑料胀形、石蜡胀形、液压胀形和气压胀形等。 若按胀形时的变形条件分类，管材胀形可分为自然胀形、轴向压缩胀 形和复合胀形三类。在胀形过程中，若零件的成形主要靠管坯壁厚的变薄 和轴向的自然收缩( 缩短) 来完成时，通常称为自然胀形。若在自然胀形的 同时，又对管坯轴向进行压缩，以补给胀形变形区材料的不足，则称为轴 向压缩胀形。复合胀形是在自然胀形和轴向压缩胀形的基础上发展起来的， 如内压一轴压一径向反压复合胀形【4 s 1 、轴压一缩口一胀形复合成形等工 艺，己在生产中得到成功的应用。 目前，胀形工艺研究的目的是通过降低开发成本、提高生产率、增加 材料利用率、消除胀形过程中的缺陷如壁厚的过度减薄等来增强胀形技术 在工业技术中的竞争力。为达到以上目的，以下几方面的研究已成为胀形 工艺的主要发展方向【4 9 】： ( 1 ) 利用计算机模拟技术，准确模拟出管材在胀形成形过程中的变形情 况，并精确预测壁厚过度减薄及屈曲、折皱、破裂等失效现象的发生。 ( 2 ) 将胀形工艺应用于各种复合管件的加工，以增加管件的强度并减轻 重量，满足某些场合的特殊要求。 ( 3 ) 将胀形工艺与其它工艺组合，胀形前管件经过不同方式的预成形。 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 2 液压胀形桥壳样件的设计与工艺简介 2 2 1 胀形桥壳样件的设计 本次试验采用o 7 5 吨载重车的1 2 缩小比例模型，并且参考该桥壳的 几何参数，结合试验设备的要求，设计出了液压胀形汽车桥壳实验样件， 如图2 1 所示。牙包部分的最大当量尺寸为9 0 i l r n ，两端直壁部分外径为 3 0t o n i ，两者比值为3 ；横截面过渡圆角半径设计为9i n n l 。由于受到 y a 3 2 3 1 5 普通液压机的动梁净空间距的限制，样件两端直壁部分长度设计 为5 0 l l l l n 。 a b 7 旺- j 厂一 刘 i l 一 f r 一 i i c de 哥 jb c - c 图2 一l 胀形桥壳几何尺寸 f i g 2 - 1t h ed i m e n s i o no f h y d r o f o r m i n ga x l e - h o u s i n g 本文采用大型三维造型软件u g 将以上工程图进行三维建模，制作好 的桥壳数模如图2 - 2 所示。 制作好数模的桥壳模型在燕山大学汽车零部件有限公司v b 8 2 5 型数 控铣床上进行加工，得到本次胀形的模具。 1 0 第2 章汽车桥壳的液压胀形工艺及试验装置 图2 - 2 胀形桥壳数学模型 f i g 2 - 2t h e n u m e r i c a lm o l do f h y d r o f o r m i n ga x l e h o u s i n g 2 2 2 胀形工艺简介 试验中选用初始长度2 9 3 5t o n i ，壁厚为3n l n l 的0 4 2 冷拔1 0 号无缝 钢管，经过缩径工艺后，其平均长度变化为3 0 9 2i n n l ，缩径部分直径变化 为3 1 0 5n l n l ，缩径部分壁厚增加到3 6 41 1 1 1 1 1 。 材料的力学性能指标为：屈服极限盯。= 3 o x l 0 8p a 、强度极限 仃。= 4 1 1 0 8p a 、单向拉伸的均匀延伸率6 = 2 5 、弹性模量e = 2 1 1 0 “ p a 、泊松比x = 0 2 8 、材料密度p = 7 8 3 x 1 0 3k g m 3 。 液压胀形桥壳是在桥壳缩径工艺得到的管坯的基础上经过两次胀形最 终成形。第一次胀形时中间加装宽度为2 0 n l n ，内径为6 3n l n l 的控制模， 控制第一次胀形时的最大尺寸，轴向进给量为4 0m m 。第二次胀形时去掉 控制模，胀出中问鼓肚，最终成形。其工艺流程如图2 3 。 燕山大学工学硕士学位论文 一旁 图2 3 汽车桥壳液压胀形工艺图 f i g 2 - 3d e s c r i p t i o no f t h eh y d r o f o r m i n gp r o c e s sf o ra x l eh o u s i n g 2 3 试验装置的设计 2 3 1 超高压液压胀形装置的设计 超高压液压胀形集成装置模具系统由增压器、充液器、滑动胀形模具 三部分组成，如图2 - 4 所示。胀形模具采用滑动式，水平分模，由胀形上 模2 0 、胀形下模2 2 、导向筒2 3 、控制模4 组成。胀形上模2 0 与胀形下模 2 2 的型腔根据胀形制件的外形设计，两者靠下模上的导向柱1 9 与上模上 的导向柱1 8 保证安装的精度。导向筒2 3 保证胀形上模与胀形下模的导向， 并提供合模力。若胀形制件采用两次胀形工序，则第一次胀形时，胀形上 模与胀形下模之间需要加装控制模来控制第一次胀形管坯的外形。控制模 4 与导向筒2 3 导向，由胀形上模、胀形下模内的弹簧5 保证其在胀形过程 中始终处于胀形管坯的中间位置。 第2 章汽车桥壳的液压胀形工艺及试验装置 1 充液器f 端盖2 充液器框体3 充液器上端盖4 控制模5 弹簧6 增压器下端盖7 增压器框体、 8 组合密封9 增压器活塞l o 增压器上端盖1 1 增压管接头1 2 回程管接头1 3 高压管接头1 4 回 液管接头1 5 ，充液器阀芯1 6 充液器阀座1 7 充液器管接头1 8 鲁向孔1 9 导向柱2 0 胀形上模2 1 管坯2 2 胀形下模2 3 导向筒 图2 - 4 胀形装置结构图 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r eo f h y d r o f o r m i n ga x l e - h o m i n gd e v i c e 增压器采用单向式结构形式，由增压器框体7 、增压器活塞9 、增压器 下端盖6 、增压器上端盖l o 组成，低压端压力3 2 m p a ，高压端产生1 2 0 m p a 以上的超高压，采用组合密封8 。增压器与胀形上模2 0 连接在一起，增压 器下端盖6 为胀形上模2 0 的一部分，与胀形管坯2 1 之间靠过盈配合密封。 增压器通过增压器框体7 安装在液压机的活动横梁上。 充液器采用直通锥阀密封式结构形式，由充液器框体2 、充液器阀芯 燕山大学工学硕士学位论文 1 5 、充液器阀座1 6 、充液器上端盖3 、充液器下端盖l 组成。充液器与胀 形下模2 2 连接在一起，充液器上端盖3 亦为胀形下模2 2 的一部分，与胀 形管坯2 l 之间靠过盈配合密封。充液器通过充液器下端盖1 安装在液压机 的工作台上。 该超高压液压胀形集成装置模具系统的工作顺序为：首先升起液压机 的活动横梁，带动增压器及胀形上模升至一定的高度，将初始管坯放入胀 形下模部分，液压机压下至胀形初始位置时停下；然后，通过充液管接头 1 7 向初始管坯内快速填充液体，待充满后，管坯内液压升高，当压力达到 设定值时，充液器管接头停止充液；增压器管接头1 1 充液，增压器活塞按 照控制模式向下移动，同时液压机活动横梁带动增压器及胀形上模向下运 动，管坯胀形开始，直至胀形模具2 0 、控制模4 、胀形下模2 2 相接触时， 管坯胀形结束；胀形后，增压器回程管接头1 2 充液，增压器活塞回程：取 出胀形制件，管坯内液体由回液管接头1 4 流回油箱。高压管接头1 3 连接 超高压压力传感器，测量增压器高压端的压力，并反馈给控制系统，保证 胀形过程中胀形管坯内液体压力与液压机压下量的匹配关系。 2 _ 3 2 超高压自补偿系统的设计 2 3 2 1设计思想本次超高压液压胀形桥壳试验采用立式模具设计方 案，其设计思想见图2 5 。立式模具设计方案将胀形模具范围扩大，把高 压增压设备纳入胀形模具范围之内，形成超高压自补偿系统，这样不但使 液压系统变得简单，而且不需要昂贵的超高压增压设备，同时模具变为一 体，不再需要压力机提供合模压力或者螺栓紧固。 相对于传统卧式液压胀形模具，此方案解决了以下几点问题： ( 1 ) 只需要普通单向压力机，无需合模力，只需要补料推力，使得压力 机吨位大大降低； ( 2 ) 普通中高压液压系统即可满足液压源要求，由模具集成超高压增压 器，无需外带高压增压器，降低了成本； ( 3 1 此系统的超高压密封点基本上为静密封，超高压动密封问题可以得 以解决； 1 4 茎! 兰垒主堑查塑望墨些兰三苎墨鎏丝茎茎 ( 4 ) 系统的外路管路都是控制管路，增压后的工作高压油全部密封于模 具之内，提高了安全系数。 i 低压 i低压 l + 一一一一j 二玉二 图2 - 5 立式液压模具系统 f i g 2 - 5v e r t i c a lh y d r o f o r m i n gd i es y s t e m 2 3 2 2 液压系统及其工作原理本超高压液压胀形桥壳试验的液压系统 实现两个功能： ( 1 ) 由中低压液压泵站提供胀形所需要的油液。 ( 2 ) 具备两个工位，即胀形工位和增压器回程工位。 设计出的超高压液压胀形桥壳自补偿系统如图2 - 6 。 系统图中，由l 油箱，2 电机，3 进油滤清器，4 泵，1 0 回油滤清器， 1 1 回油单向阀共同组成泵站；三位四通换向阀6 提供左位工作，中位保压， 右位回油三个工位；比例溢流阀通过计算机程序可以调定溢流压力从而控 制胀形压力：油压表8 为试验时读取增压器高压端压力亦即胀形压力。 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 1 油箱2 电机3 进油滤清器4 泵5 单向网6 三位四通换向闽7 顺序罔 8 油压袭9 比例溢流阀l o 回油滤清器“回油单向阀 图2 - 6 超高压液压胀形桥壳自补偿系统 f i g 2 6s e l f - c o m p e n s a t es y s t e mo f s u p e x - p r e s s u r eh y d r o f o r m i n g 系统开始工作，当三位四通换向阀6 处于中位时，泵从油箱抽取液压 油，项开单向阀5 ，由于中位p 口与t 口相通，液压油直接从p 口通过回 油滤清器1 0 流回油箱，若因为液压油杂质过多，回油滤清器1 0 被堵塞， 则液压油通过与回油滤清器1 0 并联的回油单向阀1 1 流回油箱。 胀形开始，将三位四通换向阀6 切换到左位，即p 口与a 口相连，t 口与b 口相连。这时通过单向阀5 的液压油从a 口分为两路，一路流向补 液器，一路流向顺序阀7 ，由于顺序阀7 调定压力在2 0 m p a 左右，远高于 补液器的开启压力，所以液压油经过补液器阀芯迅速将胀形管坯内充满液 压油，随着液压油的充满，管坯内油压很快上升，当大于顺序阀7 的调定 1 6 第2 章汽车桥壳的液压胀形工艺及试验装置 压力时，顺序阀被打开，补液器的阀芯关闭，液压油进入增压器原动缸， 胀形开始，增压器活塞下行，产生与压下量匹配的内高压，直至胀形结束。 在此过程中，单向阀5 可以保证避免液压油回流而损坏泵。 胀形结束，将三位四通换向阀6 切换到右位，即p 口与b 口相连，t 口与a 口相连。这时泵出的液压油通过b 口进入增压器回程端，使增压器 活塞回程，增压器原动缸的油液则通过顺序阀中的单向阀，经连通的a 口、 p 口，由回油滤清器流回油箱。残存的液压油则在卸料后由模具下方的回 油口直接返回油箱。 2 4 本章小结 本章设计了载重o 7 5 吨汽车桥壳的试验样件，制定了液压胀形的工艺 方案，设计制造了普通液压机进行超高压胀形的集成装置，将增压器、充 液器与滑动胀形模具集成在一体，该装置具有以下优点： ( 1 ) 用普通单向液压机替代三向专用设备，简化成形装置，减少能耗， 降低制造成本。 ( 2 ) 普通液压系统即可满足液压源要求，由模具系统自身产生高压液 体，无需外带增压器，降低成本，提高工作的安全性。 ( 3 ) 采用过盈配合方法及组合密封技术将高压动密封转化为静密封，解 决超高压动密封难题。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章液压胀形汽车桥壳的试验研究 3 1 胀形试验方案 本试验在前期理论的基础上9 0 4 3 l 进行的，缩径试验完成后，进行汽车 桥壳液压胀形试验。本次试验将对已缩径管坯进行第一次胀形和第二次胀 形两次液压胀形过程，具体试验方案安排如下： ( 1 ) 第一次胀形本次试验共分三种情况进行： a 应力系数九为常数。 b 胀形压力p 为常数。 c 胀形压力采用多线性分段加载。 试验目的是在压缩量相同的情况下，研究应力系数n 为常数，胀形压 力p 为常数以及多线性分段加载下的胀形情况，分析不同加载路径对第一 次胀形过程的影响，找出第一次胀形过程中比较合理的一条加载路径。 ( 2 ) 第二次胀形本试验把第一次胀形得到的管件分别进行退火和不 退火两种工艺处理，然后再进行第二次胀形试验。试验目的是分析不同加 载路径对成形的影响，摸索出第二次胀形阶段比较合理的加载路径。 3 2 第一次胀形的试验研究 3 2 1 应力系数以为常数的第一次胀形试验 应力系数以是经向应力与纬向应力的比值，取决于复合胀形时液体胀 形压力与轴向推力的匹配关系。它的表达式如式3 - 1 所示。 九= 二2 ( 3 1 ) d 口 式中仃，一最大胀形处的经向应力 一最大胀形处的纬向应力 本次试验分别选择用以等于0 2 、0 3 、0 4 进行试验，它们的理论胀 1 8 第3 章液压胀形汽车桥壳的试验研究 形压力和压力机轴向进给量匹配关系如表3 1 。 表3 - 1 丸为常数时理论胀形压力和轴向进给量的匹配关系 t a b l e3 - 1t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n p r e s s u r ea n d f e e d i n g w h e n 九a sc o n s t a m 胀形压力h 仇 轴向进给量m 屯= o 20 = - 0 3l = - 0 4 54 5 34 3 14 1 1 1 05 0 ，54 8 34 6 3 1 55 2 15 0 14 8 1 2 05 1 24 9 44 7 6 2 54 9 44 7 84 6 3 3 04 7 34 6 04 4 6 3 54 5 24 4 14 2 ，9 4 04 3 1 4 2 2 4 1 2 通过试验得到的试件如图3 1 所示，试件呈现对称形状，只取其图片 的一半进行分析。 ( a ) 九= 0 2 1 9 ( ”九= - 0 3 燕山大学工学硕士学位论文 ( c ) 九= 一0 4 图3 - 1 丸为常数时的胀形试件 f i g 3 - 1t h es p e c i m e nw h e n 丸a sac o n s t a n t 图3 2 展示了管件第一次胀形后的外形示意图，具体的尺寸如表3 2 。 图3 - 2 第一次胀形后管件变形尺寸 f i g 3 - 2t h ed i m e n s i o no f p i p ea f 【c rt h ef i r s th y d r o f o r m 表3 - 2 2 0 为常数时试件的尺寸 t a b l e3 - 2t h ed i m e n s i o no f t h ep i p ew h e n 九a sc o n s t a n t 应力系数t总长度l m m 最大胀形高度o a ，r a m中间胀形高度q a m 0 23 0 3 8 66 9 0 46 1 6 0 o 33 0 4 2 06 5 8 26 0 2 4 - 0 43 0 26 4 0 24 5 2 8 根据试验结果可以看出，胀形系数九值即经向应力与纬向应力的比值 对成形过程的有明显的影响。当砧= - 0 2 时，胀形后的试件呈现出中间凹 两端凸的马鞍状，并且见和d b 的值也是比较大的，分别到达6 9 0 4 m i l l 和 6 1 6 0n l l n 。随着丸值的减小，试件的马鞍状越来越明显，并且见和眈的 2 0 第3 章液压胀形汽车桥壳的试验研究 值也越来越小。当3 o = 0 4 时，试件的形状已经呈现出三段鼓肚，趋进褶 皱的失效形式。由此可以推断当九 0 4 时，试件的三段鼓肚越来越明显， 褶皱越严重。 根据上面的总结可以得出，在九为常数的试验过程中，为了得到比较 合理的试件形状，应该选择合适的九值来控制经向应力和纬向应力，在胀 形过程中等效应力的具体变化规律将在下一章中进行详细的说明。 3 2 2 胀形压力p 为常数 为了试验在常压力下胀形时，试件是否可以取得良好的胀形结果，以 及在多大压力下试件会发生轴向起皱和胀裂的极限情况，本次试验选用了 在胀形压力分别为3 0m p a 、3 5m p a 、5 0m p a 、5 3 m p a 、5 5m p a 和6 0m p a 这几种情况进行胀形。图3 3 显示了它们胀形后的情况，表3 3 列出了胀 形后试件的具体尺寸。 ( a ) 常压3 5 m p a( b ) 常压5 0 m p a ( c ) 常压5 3 m p a( d ) 常压5 5 m p a 图3 - 3 胀形压力为常数时的试件 f i g 3 - 3t h es p e c i m e nw h e np r e s s u r ea sac o n s t a n t 2 l 燕山大学工学硕士学位论文 表3 - 3 试件的具体尺寸 t a b l e3 - 3t h ed i m e n s i o no f t h ep i p ew h e np r e s s u r ea sac o n s t a n t 胀形压力m p a总长度r a m见m m 岛n u n 3 52 6 53 65 7 5 02 6 75 26 1 8 5 3 2 6 4 6 1 9 8 6 1 8 5 52 6 26 5 8 6 1 3 6 随着胀形压力的增大，试件中间部分的变形量也越来越大。为了更加 有效的进行第二次胀形，希望试件的形状具有一定的马鞍状，也就是说中 间凹两端凸，使管胚中间形成一定程度的褶皱，使此部位的材料形成一定 程度的堆积，当胀形压力小于5 0m p