异形变截面空心弯管的内高压成形工艺研究

　　★项目支持：天津市科技计划项目（航空发动机薄壁件柔性精密成形，18YFCZZC00240）

　　随着航空航天及汽车产业的日益发展，轻量化成为发展的新趋势。航空航天器及汽车均有许多异形管件，传统成形方法为先冲压成形出半管后进行拼焊，由于焊缝的存在，降低了零件的整体强度和刚度。内高压成形是一种新兴的成形技术，它是以管材为原始坯料，在管材中加入液体并施加高压，成形出轴线为二维或三维曲线的异形截面空心零件。由于可以成形出异形截面的空心管件，减少了焊接工序，且可以成形出较传统工艺更为复杂的截面形状，从而大幅度的提升了零件的整体强度和刚度，使得在同等强度和刚度的情况下内高压成形出的零件壁厚更薄，质量更轻。因此内高压成形成为航空航天及汽车轻量化的重要技术手段。

　　空心变截面零件在航空航天及汽车领域应用很广，由于截面的复杂和多样性，不可避免的带来零件截面周长变化大的特点。通常坯料是等截面周长的管件，这就导致有些截面膨胀率较大，需要运用一些方法来提高零件的极限膨胀率。

　　本文研究的零件是某汽车的拖曳臂，其外形如图1 所示，整体是轴线为空间曲线、截面为不规则形状且变化的管状零件。零件的技术方面的要求是最终减薄率不超过15%，配合型面轮廓度0.5mm，非配合型面轮廓度3mm。零件壁厚4.5mm，材料是QSTE420tm，属于冷成形热轧汽车结构钢，其材料力学性能参数如表1 所示。图2 所示是零件截面周长趋势图，由图2 能够准确的看出，除去截面不是封闭曲线的部分零件，零件截面积最小等效周长约192mm，最大等效周长约211.58mm。考虑管径公差，选取外径为φ62mm 的圆管作为成形坯料，最小变形-1.38%，最大变形8.68%。

　　分析零件特征及技术方面的要求，该零件明显是弯曲管件，初始毛坯是圆管，需要弯管工序。因零件的一个方向上高度差较大，成形过程中偏载力大，可采用一模两件的方法成形，使两个零件的偏载力互相抵消，同时提高生产效率。零件的横截面由圆形过渡为矩形，周长变化较大，需要胀管工序(管端补料）。工艺路线制定为弯管刚性模压弯管端补料胀管。

　　利用有限元分析软件建模，对管坯进行弯曲成形模拟，设置弯管成形参数时，轴线尽量与最终所需零件的轴线相近，确保能顺利放到后序成形模具型腔中，避免啃模现象的出现。图3 所示为弯管成形时设置的参数，图4 所示为弯管工艺分析模型，图5 所示为弯管后的零件减薄云图。

　　零件的横截面由两端的圆形慢慢过渡为中间的矩形，因为矩形横截面的高度小于圆形毛坯的直径，故需要采用压弯预成形工序，将坯料压扁，同时调整零件的轴线，使零件轴线基本与最终轴线 所示为压弯成形工艺分析模型，图7 所示为压弯成形后的零件减薄云图。

　　压弯成形完成后，利用内高压胀形工艺成形零件最终形状及尺寸。将零件放入胀形模具中，在无合模力的情况下，凸模下行至完全合模。施加合模力和管内液体压力，两端推头推料，最大合模力1500t，最大液体压力180MPa，最大推料量20mm。图8 所示为管内压力加载曲线 所示为胀形工艺分析模型，图10 所示为胀形后的零件减薄云图。

　　由图10 能够准确的看出胀形后零件的最大减薄率为24.3%，位于矩形截面的圆角处，大于零件技术方面的要求中的减薄率(15%）。截面为圆管的毛坯胀形成为截面为矩形的毛坯时，胀形量最大为8.68%，圆角处最后贴模，因此减薄危险区大多分布在在四个圆角及短边处。由于减薄危险区距离管端较远，增加侧推进给量对中间减薄作用并不明显。本文采用修改胀形零件的初始形状（即压弯成形后的零件形状）的方法，提高零件的极限膨胀率，进而成形大周长矩形。在横截面为矩形的压弯模具的凸、凹模上增加两个“凸包”，修改后的压弯模具型面如图11 所示。

　　修改型面后，零件最大减薄处在压弯过程中的截面变化如图12 所示，在胀管成形过程中的截面变化如图13 所示。由图12 能够准确的看出压弯成形时，利用刚性模将圆管成形为两长边内凹、两短边外凸的形状。尽量使短边外凸处与模具接触，以减小内高压成形的胀形量。长边内凹深度在保证内压能够胀起的情况下尽量大，以便在内高压胀形时为圆角处充分补料，进而减小圆角处的减薄。

　　由图13 能够准确的看出胀管成形时，将压弯成形后的零件放在内高压成形模中，在管内加高压液体使得长边凹陷胀起贴模，同时给四周圆角补料，最后四周圆角贴模成形出矩形形状。

　　图14 所示为修改压弯模具型面后，零件最终的减薄云图，由图14 能够准确的看出零件的最大减薄率是13.9%，符合技术方面的要求中的减薄率要求，零件表面无显著的起皱和破裂，此工艺方案可行。

　　参考模拟成形的参数进行实际零件试制，利用弯管机制作弯管，将弯管后的零件放入型面修改后的压弯凹模中，凹模不动，凸模合模下压，加压300t，保压3s。成形后零件如图15 所示。

　　将压弯成形后的零件放入胀管模具的凹模中，凹模不动，凸模合模下压，加压1500t，保压同时向管内充入高压乳化液，乳化液加压到180MPa 后，保压3s 后卸压。成形后的零件如图16 所示，最终零件没有起皱和破裂缺陷，贴模度也满足零件的成形要求，表面上的质量良好。

　　采用内高压成形异形截面的空心管件，减少了传统成形工艺中的焊接工序，可以成形出较传统工艺更为复杂的截面形状，大幅度的提升了零件的整体强度和刚度。

　　内高压成形异形截面的空心管件时，改善中间预成形模具的型面能控制终成形过程中坯料的流动方向。

　　通过改善压弯模具型面，提高了零件的极限膨胀率，与传统方法相比，可以成形出大截面周长的矩形零件，使得零件的形状设计能更加多样化；提高了零件的变形均匀性。