内高压全过程工艺仿真报告

1、高强度钢先进成形技术开发及其在目标车型上集成应用之一一汽轿车股份有限公司高强度钢先进成形技术开发及其在目标车型上集成应用工艺仿真优化报告撰写：韩聪副教授审核：苑世剑教授哈尔滨工业大学2013年12月M8副车架零件特点M8后副车架作为汽车底盘类的典型的内高压件，具有以下成形难点：该零件的轴线很长，且为三维空间曲线，弯曲半径小，数控弯曲难度大；截面沿轴线变化复杂，会造成变形过程中的变形不均匀，容易引起开裂等缺陷；沿环向截面形状不对称，容易导致材料在变形的过程中沿周向的变形不均匀，引起开裂缺陷。本仿真以M8后副车架为例，采用多步法实现全过程工艺仿真和优化。如图1-1所示，为M8后副车架主管零件，根据

2、零件的特点，考虑其对称性，采用一模两件的工艺方案，设计的内高压成形产品件如图1-2所示。图1-1后副车架主管图1-2后副车架内高压成形工艺方案（一模两件）二、M8副车架主要成形工序后副车架成形工序包括：数控弯曲、预成形和内高压成形，如图1-3所示。由于零件是一个三维的空间曲线，因此需要弯曲工序，采用数控弯曲的工艺将管材首先弯曲成和零件的轴线相同或者相近的形状，其次进行截面预成形，预成形的主要目的有三个：保证管材能够顺利放到内高压成形模具中去，避免在合模的过程中出现咬边缺陷；通过预成形工序，预先分配材料，控制壁厚分布，避免在后续的内高压成形工序中局部减薄严重，造成开裂缺陷；通过合理的预成形工序，

3、使管材预先发生变形，减少后续的成形时间，提高效率。内高压成形就是将预成形后的零件放到内高压成形模具中，闭合模具，通过管材两端的密封冲头引入高压液体，同时对模具施加一定的合模力，在内压、合模力和轴向力的共同作用下，管坯发生塑形变形，和模具贴合，成形为所需的零件。(a)数控弯曲(b)预成形(c)内高压成形图1-3后副车架主要成形工序三、多步法数控弯曲工艺仿真和优化采用的有限元前后处理软件是美国ETA公司的有限元分析程序DYNAFORM5.7,它采用LIVERMORE软件技术公司（LSTC）开发提供的LS-DYNA971作为核心求解器。LS-DYNA作为世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟出

4、各种复杂问题。弯管有限元模型包括弯管模、夹块、压块、防皱块、管坯、助推块、芯棒七部分。造型时管坯按中性层尺寸，其它模具按接触层尺寸造型，并给予一定间隙，如图1-4所示。图1-4弯曲有限元模型弯曲模管坯初始直径76.2mm,壁厚2.6mm,长600mm。单元类型采用Belytschko-Tsay壳元，管坯共离散成25165个单元。弯曲过程中采用Coulomb摩擦，摩擦系数为0.125。造型时，管坯直径为73.6mm（中性层尺寸），夹块、压块、防皱块的直径为76.8mm（二管坯中性层直径73.6+厚度2.6+间隙0.3x2）,即管坯与模具间有0.3mm间隙，采用连杆式芯棒，芯棒的球组采用三组，球直

5、径为70mm,即与内壁（内壁直径=管坯中性层直径73.6-厚度2.6=71）有0.5mm间隙，球厚度为10mm,球与球之间间隙为5mm,球与球之间通过焊接的方式相连，推杆的长度小于管坯和压块，本次数值模拟没有采用助推快，内直径为229.8mm,导向梢半径38.1mm（直径76.2=管坯中性层直径73.6+厚度2.6）,即保证弯曲模外直径为306mm,从而实现弯曲管弯曲半径153mm的要求。由于CNC弯曲共需要6个道次，在数值模拟中，采用多步法实现每个道次的数值模拟。弯曲各个步骤示意图如图1-5所示，本t牛需要6个弯曲步，每个弯曲步之前的形状分别如图6a,6c,6e,6g,6i,6k所示，每个弯

6、曲步之后的形状分别如图6b,6d,6f,6h,6l所示。从图中可以看出，数控弯曲过程可以顺利实现，没有出现起皱缺陷。a）第1步数控弯曲前b）第1步数控弯曲后c）第2步数控弯曲前d）第2步数控弯曲后e）第3步数控弯曲前f）第3步数控弯曲后g）第4步数控弯曲前h）第4步数控弯曲后i）第5步数控弯曲前j）第5步数控弯曲后k）第6步数控弯曲前1）第6步数控弯曲后图1-5数控弯曲各个步骤图弯曲各个道次的壁厚减薄率如图1-6所示，其中每个道次结束后的最大壁厚减薄均发生在弯曲管的外，且最大减薄率基本相同，均在15.0%;增厚都在弯曲管内侧，弯曲第二道次和第三道次的增厚率要比第一道次大一些，弯曲工艺结束后的最

7、大增厚率在16.0%。a)第1步b)第2步c)第3步第4步e)第5步f)第6步图1-6弯曲各个步骤的壁厚变化率图1-7所示为弯曲工艺结束的成形极限图，从图中可以看出，管坯弯曲效果良好，不存在破裂及其破裂危险区，也不存在严重起皱区,但是在第一道次弯曲后的内侧有凹陷出现。图1-8所示等效应变分布图，从图中可以看出，第一道次弯曲后内侧的等效应变明显高于其它位置，该位置变形量大，有畸变，也说明成形极限图中凹陷的存在。PMlhRHUMJVip.ownWEHLIIHL4M.TWKlt4fWWmmEsufflIEnT&1WIOI图1-7弯曲后成形极限图四、预成形工序的形状优化管材内高压成形过程包括合

8、模和内高压成形两步，由图1-8可知,管坯在合模过程发生咬边现象，部分管坯仍旧留着分模面，没有完全进入模腔，对于咬边的试件，无法继续进行内高压成形。因此，需要预成形过程。预成形过程的主要目的是避免在合模过程中出现咬边缺陷，同时使管坯预先发生变形，保证后续成形过程中壁厚均匀性分布。经过预成形后的管坯如图1-9所示，图1-10所示为后副车架预成形阶段成形极限图，成形效果均良好。a）内高压成形合模前b）合模过程中出现咬边图1-8管坯在内高压成形模具合模情况图1-9预成形后的管坯形状图1-10预成形工序的成形极限图五、内身压成形关键工艺参数优化经过预成形后的管坯放到内高压成形模具中去，闭合模具，通过冲头的一端引入高压液体，在高压液体的作用下，管材发生塑形变形，最大压力为180MPa,压力随时间呈线性变化，最后保压一定时间，最终成形的零件如图1-13所示。图1-13内高压成形图1-14是后副车架内高压成形合格件等效应变分布图。管坯数控弯曲后，等效应变分布相对较均匀，最大值为0.69;预成形后，在弯曲管内侧等效应变值明显偏高，最大值为0.73,说明此处壁厚增厚出现在弯管内侧a）弯曲后较为严重；合模后等效应变值变化不大，最大值为0.74。内高压成形后，等效应变最大值0.76,盘第rll盟SEUS生，江曲&曲甲«。*b）预成形后制盘黑震££里c）内高压