预制坯形状对扭力梁内高压成形的影响分析

韩 聪，张伟玮，苑世剑，赵福全，丁 勇，曹 伟

(1.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001，E-mail:conghan@hit.edu.cn; 2.浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江临海317000)

预制坯形状对扭力梁内高压成形的影响分析

韩 聪1，张伟玮1，苑世剑1，赵福全2，丁 勇2，曹 伟2

(1.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001，E-mail:conghan@hit.edu.cn; 2.浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江临海317000)

针对复杂截面扭力梁内高压成形容易出现咬边和开裂的问题，以轿车V型扭力梁为例，采用数值模拟和试验方法，分析了预制坯形状对扭力梁内高压成形的影响，重点研究了压下量(Y)和侧向宽度(B)对预制坯形状和内高压成形的影响.结果表明，当Y、B分别为0.83D(D为管材直径)、0.73D和0.78D、0.78D时，得到的预制坯形状在合模时出现咬边缺陷;当Y、B分别为0.73D、0.73D和0.78D、0.68D时，得到的预制坯形状能够顺利完成合模过程，但在内高压成形时出现了开裂缺陷;当Y、B为0.78D、0.73D时，得到的预制坯能顺利成形出合格的内高压成形零件.由此可知，预制坯形状是决定复杂截面扭力梁内高压能否顺利成形的重要因素，通过控制截面的高宽尺寸和形状，可以得到合理的预制坯形状，避免内高压成形过程中缺陷的产生.

内高压成形;液压成形;扭力梁;预成形

轿车后悬挂装置中的扭力梁零件［1］，是轿车后悬挂装置中一个重要的部件，其结构形式不但对零件的强度和刚度有着重要的影响，而且其质量也有所差异.

目前，应用于轿车的扭力梁主要有以下4种结构形式:1)采用V或U型扭力梁，用冲压板中间夹带一根实心稳定杆的结构(图1(a))，例如标致307车型;2)H型扭力梁，并在凹槽内置一根稳定杆(图1(b))，如本田飞度车型;3)半圆弧型的扭力梁(图1(c))，该扭力梁凹槽内不再含有稳定杆，而是采用厚度到10 mm的锻造槽钢，如上海大众晶锐车型.最新的结构形式是采用管件通过机械挤压的方法成形为封闭截面的扭力梁，为了适应空间和承载的需要，扭力梁被设计成空心变截面形式，在提高零件整体强度、刚度和抗弯模量的同时大大降低了质量.如采用截面形式如图2所示扭力梁结构，相对图1的3种结构，质量分别减轻39.4%、39.9%和10.8%.

图1 传统扭力梁截面结构示意图

图2 封闭扭力梁截面结构示意图

但采用机械挤压方法成形的扭力梁，对于模具内凹部分很难达到贴模要求，零件精度差.为了有效控制形状尺寸，克服零件精度低的缺点，韩国学者尝试在成形过程通过在管材端部插入芯棒，起到支撑作用从而保证该区域的尺寸精度的方法［2］，而其他区域仍采取机械挤压的方式成形.这种方法只适用于截面形状简单的零件，而对于截面形式复杂的结构，很难实现成形.

国外学者使用高强钢，通过加热成形，然后在模具内通水冷却淬火，得到马氏体组织来提高零件的强度和刚度［3］，但其工艺控制复杂，设备投资大.

随着内高压成形技术的不断发展和在汽车零部件制造方面的应用［4－5］，许多学者开始尝试采用内高压成形工艺制造扭力梁.台湾学者采用直径为 113 mm，壁厚 4.2 mm的管材，材料为SPFH590Y，通过内高压成形得到U型截面的扭力梁，没有预成形过程和轴向补料过程［6］.德国学者尝试采用DP780内高压成形复杂截面扭力梁，得到了合格的扭力梁试件，与机械成形相比零件贴模精度大大提高［7］.采用内高压成形扭力梁，不但使扭力梁截面形式可以变化复杂，而且使截面连续性也可以变化多样，适应因载荷不同而提出的截面尺寸变化要求［8］.

采用内高压工艺成形复杂截面扭力梁时，除内高压成形过程外，通常还包括预成形过程和合模过程［9］.尤其是预成形过程，是成形的关键工序［10］.预制坯形状不但决定后续合模过程能否顺利进行，还对变形均匀性和成形后的壁厚分布有着重要的影响.因此，本文将采用数值模拟和试验方法研究预制坯形状对复杂截面扭力梁内高压成形的影响，重点研究预制坯形状对缺陷的产生的影响规律.

1 零件形状及特点

图3为本文所研制的扭力梁零件，截面形状以V型截面为主，还包括椭圆形及异型截面.截面周长有一定的变化，最大的C－C截面和最小的E－E截面，周长相差7%.

图3 扭力梁零件图

根据扭力梁零件特点，在机械挤压过程中，管材从外凸的圆弧形面变成内凹的V型面，很容易挤出模具型腔之外，发生咬边现象.为了能够使管坯顺利放到内高压成形模具，需要进行预成形工序，通过机械挤压的方式使管坯预先发生变形.其主要成形工序如图4所示，包括预成形，合模和内高压成形3个主要步骤.

图4 扭力梁内高压成形工序

2 数值模拟

2.1 有限元模型

采用有限元分析软件LS－DYNA，对扭力梁预成形和内高压成形过程进行数值模拟，模拟过程采用多步法，考虑了上一步成形过程对后续成形的影响.有限元模型如图5所示，图5(a)为预成形有限元模型，包括上模、下模、左滑块、右滑块和管坯.管坯选用 Belytschko－Tsay壳元，共10848个节点，10816个单元.图5(b)为内高压成形有限元模型，由上模、下模、左右冲头和预成形后的管坯组成.管坯的材料为低合金钢，屈服强度为252 MPa，抗拉强度428 MPa，均匀延伸率28%，硬化指数(n)为0.151，厚向异性系数(r)为0.927，材料强度系数(K)为661 MPa.

图5 有限元模型

2.2 研究方案

预成形管坯采用上下模块挤压和侧向滑块挤压的方式，以D－D截面为例，采用不同的高、宽尺寸来实现不同的预制坯截面形状，竖直方向的压下量定义为Y，侧向的宽度定义为B，如图6所示.其中，Y的取值是确保管件在竖直压下时不咬边，分别取0.73 D，0.78D和0.83D(D为管材直径)，而B的取值是确保内高压模具闭合前不再有金属流向分模面，分别取0.68 D，0.73 D和0.78 D.

图6 Y、B尺寸示意图

研究方案如表1所示，在模拟的过程中，为了研究各参数对成形过程的影响，当研究某一参数的影响时，仅改变该参数数值，其他参数值保持不变.

表1 数值模拟方案

内高压成形是预成形后的管坯经过上下模具合模以及轴向冲头密封加压完成，最终内压分别为70、80、90和110 MPa.

2.3 结果及分析

当压下量Y为0.83 D，B为0.73D时，此时在合模挤压的过程中就已经出现咬边缺陷，而侧向挤压无法消除已经出现的咬边缺陷.D－D截面如图7所示，出现咬边缺陷.

图7 D-D截面出现的咬边(Y=0.83D，B=0.73D)

当压下量Y为0.73D，侧向宽度B为0.73 D时，出现开裂缺陷，如图8(a)所示;成形整个过程如图8(b)所示，合模时，只有管坯下部贴模，当内压为45 MPa，除了圆角区域，其余大部分贴模，当内压为60 MPa时，产生开裂.开裂原因主要是由于材料在变形后期产生过度减薄，此时除圆角部分外，其余大部分贴模，随内压增加，圆角区域摩擦增大，材料流动困难，在内压作用下圆角区域发生类似纯胀形变形而过度减薄，进而导致开裂.

图8 开裂缺陷(Y=0.73D，B=0.73D)

当压下量Y为0.78D，侧向宽度B为0.78D时，出现咬边缺陷，如图9所示.此缺陷是由于侧向挤压不足造成.

图9 咬边缺陷(Y=0.78D，B=0.78D)

当压下量Y为0.78D，侧向宽度B为0.68D时，出现开裂缺陷，如图10(a)所示;成形过程如图10(b)所示.开裂原因同 Y为0.73D，B为0.73D时基本相同，只是开裂位置有所差异.

图10 开裂缺陷(Y=0.78D，B=0.68D)

当压下量Y为0.78 D，侧向宽度B为0.73 D时，此时能顺利完成合模过程，当压力达到90 MPa时，除个别圆角位置，其余部分基本贴模，当压力达到110 MPa时，基本实现了完全贴模，如图11所示.

图11 合格工件(Y=0.78D，B=0.73D，P=110 MPa)

通过模拟分析可以预测，在试验过程中主要产生两种缺陷形式:咬边和开裂.产生咬边的原因主要是金属在变形过程中流向分模面，或侧向挤压量不足仍旧使部分金属留于分模面，在合模过程中产生咬边缺陷.产生开裂的原因(主要发生在C－C截面附近)主要是由于材料沿周向流动造成变形不均匀导致在局部产生过度减薄.具体分析如图12所示，在竖直挤压(图12(a))和侧向挤压(图12(b))后的合模过程中，h点和d点都会继续向下运动.d点的向下运动会带动bcd(fed)段金属向d点流动，h点的向下运动会带动ah(gh)段金属向h点流动，预制坯形状不同，bcd(fed)段和ah(gh)段贴模先后顺序也不同，一旦贴模，材料流动变得困难，ab(gf)段总是是相对减薄的区域(如图13所示)，在内压作用下，最容易开裂.

图12 管坯预成形过程中材料流动示意图

图13 材料减薄位置示意图

3 试验研究

试验在哈尔滨工业大学的10000 kN内高压成形机上进行，配有400 MPa内高压成形系统，该系统由增压器、2个水平推缸以及液压伺服系统、计算机控制系统组成.内高压成形模具主要包括密封冲头，上、下模块等部分.管坯规格:直径89 mm，壁厚2.5 mm，长度1200 mm.

当压下量Y为0.83 D，侧向宽度B为0.73 D时，试件在竖直挤压预成形步骤中就会出现咬边现象，如图14(a)所示，即使再进行侧向滑块挤压也不能消除.

当压下量Y为0.73 D，侧向宽度B为0.73 D时，在试件端部和中间区域相连的过渡区域(CC截面附近)产生开裂，如图14(b)所示.

当压下量Y为0.78 D，侧向宽度B为0.78D时，V型件的两边不能收拢到合适的尺寸，即再次放回模具后，仍旧有一部分金属处在分模面的位置试件产生明显的咬边现象，如图14(c)所示.

当压下量Y为0.78D，侧向宽度B为0.68D时，在试件端部和中间区域相连的过渡区域(CC截面附近)产生开裂，如图14(d)所示.

当压下量Y为0.78D，侧向宽度B为0.73D时，得到合理的预制坯形状.用合理的预制坯进行内高压成形试验，受到试验设备合模力限制，成形压力分别设为70、80和90 MPa.从试验结果看，随着成形压力的增加，成形后尺寸精确度越高，各个截面的过渡圆角越接近贴模状态，曲面过渡越光滑，如图14(e)所示.

图14 采用不同预制坯的试验结果

4 结论

1)对于复杂截面扭力梁内高压成形的主要缺陷是咬边和开裂，咬边产生的主要原因是由于在内高压合模过程中材料流向分模面最终导致挤出模具型腔;开裂产生的主要是由于在内高压成形过程中材料沿周向流动不均匀造成变形的不均匀导致局部产生过度减薄.

2)预制坯形状是决定复杂截面扭力梁内高压能否顺利成形的重要因素，通过合理控制预成形截面的高宽尺寸和形状，可以有效避免合模出现的咬边及控制内高压成形变形的均匀性，成形出合格的零件.

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The effect of preform shape on hydroforming of a torsion beam

HAN Cong1，ZHANG Wei-wei1，YUAN Shi-jian1，ZHAO Fu-quan2，DING Yong2，CAO Wei2
(1.State Key Laboratory of Advanced welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，E-mail: conghan@hit.edu.cn;2.Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co.Ltd.，Linhai 317000，China)

To solve the problem of wrinkling and bursting during hydroforming of a torsion beam with complicated sections，numerical simulations and experimental researches were conducted，and the effect of different combinations of pressing distance Y and lateral width B of preform shapes was studied.The results showed that the flanges occurred during dies closing when Y is 0.83 D and B is 0.73 D(D is the outer diameter of the tube)or Y is 0.78 D and B is 0.78 D，respectively.However，the bursting occurred during hydroforming when Y is 0.73 D and B is 0.73 D or Y is 0.78 D and B is 0.68 D，respectively.The hydroforming process can be successfully conducted and qualified parts can be obtained with the preform shape when Y is 0.78 D and B is 0.73D.The preform shape is the most important factor on hydroforming of a torsion beam with complicated sections，and the defects can be avoided by changing the dimensions and shapes of the preform.

internal high pressure forming;hydroforming;torsion beam;preform

TG394 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)04－0001－05

2010－11－22.

国家自然科学基金资助项目(51075097).

韩 聪(1973－)，男，博士，讲师;

苑世剑(1963－)，男，教授，博士生导师.

(编辑 吕雪梅)