低碳鋼高壓成形起皺形成機制研究

這種后部懸臂式懸臂式懸臂式懸臂式懸臂式交通的性能更好。很多公車、比如雪晶和李毅的后懸架都采用了這種結(jié)構(gòu)。這不僅成本低，而且可以通過前束控制。這種車輛具有良好的平滑性能和配平性能。作為后臂梁的主要支撐，動態(tài)梁的綜合機械密度直接決定著后臂梁的穩(wěn)定性。后部梁的端部是連接后臂梁的重要區(qū)域，其形成效果對后續(xù)焊接過程有重大影響。如果形成精度不足，如折疊、去除后伸或腫脹變形率不足，將影響張力梁和焊接單元，增加焊接難度，增加焊接熱的影響區(qū)域，降低整體機械，顯著降低抗疲勞性能。在扭力梁的制造發(fā)展過程中，德國、日本、韓國都曾用機械擠壓管材的方法直接成形扭力梁試件，該方法在降低扭力梁質(zhì)量增加截面抗彎模量的同時，并沒有解決成形精度低的問題，只是適用于形狀簡單的扭力梁零件．但是隨著內(nèi)高壓成形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于異形截面的汽車零部件的制造過程(如圖1所示)，德國、日本以及臺灣學(xué)者相繼采用內(nèi)高壓成形方法成形扭力梁試件，使成形精度大大提高，此外為了克服壁厚局部減薄嚴(yán)重的問題，增加了軸向加載工序．但是隨著軸向加載的引入，不可避免的會出現(xiàn)起皺現(xiàn)象.對于沿軸線變截面的扭力梁零件，內(nèi)高壓成形通常是在內(nèi)壓和軸向進給聯(lián)合作用下的復(fù)雜成形，如果內(nèi)壓過高，減薄過大甚至開裂;如果軸向進給過大，會引起屈曲或起皺，只有給出內(nèi)壓力與軸向進給的合理匹配關(guān)系，才能獲得合格的試件．但在實際工藝控制過程中，由于摩擦等因素的影響，很難準(zhǔn)確控制軸向力，因此在生產(chǎn)中通常采用的是內(nèi)壓和軸向補料量之間的關(guān)系，即所謂的加載路徑．在任何一個內(nèi)高壓成形過程中，加載路徑都有很多種，內(nèi)壓力既可以時刻隨補料量變化而變化，也可以在某一段時間內(nèi)隨補料量變化而保持恒定，但是只有合理的加載路徑，才能成形出合格試件．對于扭力梁零件，合理的加載路徑可以有效的控制其端部區(qū)域起皺．哈爾濱工業(yè)大學(xué)在對扭力梁預(yù)制坯形狀和內(nèi)高壓成形過程的加載路徑等方面做了深入系統(tǒng)的研究，初步獲得了合理的預(yù)制坯形狀以及合理的加載路徑，從而改善扭力梁的壁厚分布和提高扭力梁的成形精度，并有效的避免端部起皺現(xiàn)象，但是對不同軸向加載過程扭力梁起皺的機理還缺乏詳細的分析．本文主要從數(shù)值模擬和實驗兩個方面探索不同加載路徑下端部區(qū)域的應(yīng)力分布軌跡圖以及受力狀態(tài)，利用數(shù)值模擬直觀分析變形過程起皺的產(chǎn)生機理，并通過實驗過程得以驗證．1響應(yīng)面試驗起撓工藝圖2所示為內(nèi)高壓成形后扭力梁零件形狀，從圖2中可以看出，扭力梁沿軸線方向，截面形狀變化比較復(fù)雜．圖3所示為端部區(qū)域切割后待裝配的扭力梁零件，圖3中圈出的區(qū)域就是容易起皺的區(qū)域，也是與后懸架裝配區(qū)域，該截面形狀呈橢圓形，內(nèi)高壓過程不恰當(dāng)?shù)妮S向加載即可引起起皺行為，不利于裝配．所以研究起皺形成機制，設(shè)計合理的加載路徑尤為重要．主要成形工序包括預(yù)成形、合模和內(nèi)高壓成形3個主要步驟．管坯的材料為低碳鋼，初始直徑為89mm，壁厚為2.5mm，材料屈服強度σs=272MPa，抗拉強度σb=428MPa，均勻延伸率為δ=28%，材料加工硬化指數(shù)n=0.156，厚向各向異性系數(shù)r=0.927，強度系數(shù)K=661MPa.2結(jié)果與分析2.1支撐壓力設(shè)計為了研究支撐壓力和補料量對起皺的影響規(guī)律，分別設(shè)計如下方案，即內(nèi)壓力與補料量的匹配關(guān)系，如圖4所示．研究過程采用單一變量原則，保證其中的一個參數(shù)不變，改變另一個參數(shù)，分析其變化規(guī)律．支撐壓力分別設(shè)計為10、20、30、40、50MPa，此時補料量固定為15mm不變，如圖4(a)所示;補料量分別設(shè)計為10、15、20mm，此時支撐壓力固定為30MPa不變，如圖4(b)所示．最終整形壓力均為100MPa.2.2補料至20mpa不同支撐壓力下，端部區(qū)域的起皺情況如圖5所示，試件的皺紋位于凸起的區(qū)域的根部，該處金屬流動困難，發(fā)生堆積而起皺．當(dāng)支撐壓力為10MPa時補料，端部區(qū)域存在很深的皺紋，當(dāng)整形壓力到達100MPa時仍舊不能展平，該皺紋為死皺;當(dāng)支撐壓力為20MPa時補料，仍舊在端部區(qū)域存在皺紋，隨內(nèi)壓的提高，皺紋深度和寬度減小，但是仍舊沒有消失;當(dāng)支撐壓力為30MPa時補料，隨著內(nèi)壓的提高100MPa，不再存在皺紋，獲得合格試件;當(dāng)支撐壓力為40、50MPa時補料，同樣不存在皺紋，獲得合格試件．可見，支撐壓力的提高，有助于皺紋的消失，但是支撐壓力從30MPa升高到50MPa，端部區(qū)域的增厚率分別為6.0%、4.4%、3.2%，呈遞減趨勢，因為受摩擦的影響，支撐壓力越大，金屬流動越困難，補料越集中于端口位置．從實驗結(jié)果看，綜合考慮各方面因素，支撐壓力并不是越大越好，支撐壓力為30MPa就是一個合理工藝參數(shù)．2.3補料量圖6所示為實驗得到的不同補料量下端部區(qū)域的起皺情況，此時支撐壓力均為30MPa．當(dāng)補料量為10mm時，端部區(qū)域不存在皺紋;當(dāng)補料量為15mm時，端部區(qū)域仍舊不存在皺紋;當(dāng)補料量為20mm時，端部區(qū)域存在皺紋，隨著內(nèi)壓提高到100MPa，皺紋不能消失，為死皺．補料量從10～15mm，試件最大減薄率(最大減薄位置位于凸起的區(qū)域)分別為15.2%和8.8%，減薄得到改善，由此可見補料對改善壁厚是有顯著效果的，但是補料過大也會引起端部區(qū)域的起皺，合理控制補料量是很必要的．3表面積和褶皺形成機制3.1有限元分析及模型建立扭力梁內(nèi)高壓成形過程，由于模具的閉合，皺紋的形成過程不可見，為深入分析起皺形成原因，采用數(shù)值模擬的方法，深入研究軸向應(yīng)力對起皺形成機制的影響規(guī)律．?dāng)?shù)值模擬過程采用通用有限元分析軟件DYNAFORM5.6，有限元分析模型如圖7所示．?dāng)?shù)值模擬方案與實驗完全相同．3.2支撐壓力對應(yīng)力的影響成形過程，內(nèi)壓力相對于環(huán)向拉應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力數(shù)值很小，應(yīng)力狀態(tài)接近于平面應(yīng)力狀態(tài)．首先將補料量固定為15mm，將支撐壓力分別為10、20、30、40、50MPa時，分析其過程，取端部區(qū)域同一節(jié)點，分析不同支撐壓力時，該節(jié)點同一時刻的應(yīng)力值．圖8所示為不同支撐壓力下起皺處的應(yīng)力狀態(tài)，圖9所示為不同支撐壓力下的變形過程的應(yīng)力軌跡．從圖8和圖9可以看出，該節(jié)點均環(huán)向受拉應(yīng)力作用，軸向受壓應(yīng)力作用，但應(yīng)力的數(shù)值有所差別．當(dāng)支撐內(nèi)壓分別為10、20、30、40、50MPa時，軸向壓應(yīng)力為-556、-531、-469、-474、-470MPa;隨著支撐壓力的升高，軸向壓應(yīng)力的絕對值降低，環(huán)向拉應(yīng)力的絕對值增大．但是當(dāng)支撐壓力超過30MPa時，環(huán)向拉應(yīng)力變化明顯，軸向壓應(yīng)力變化不大，從圖9中也可以看出，端部區(qū)域變形開始都是先脹形減薄，最終結(jié)果是壁厚均增厚，對于支撐壓力為30、40、50MPa時，隨著支撐壓力的增大，摩擦也增大，補料易受摩擦影響，容易在端口堆積，向端部區(qū)域補料逐漸減少．因此，提高支撐壓力能降低軸向壓應(yīng)力絕對值，減小失穩(wěn)起皺趨勢，但是支撐壓力也不能過高，30MPa比較合適．-469MPa固定支撐壓力為30MPa，將補料量分別為10、15、20mm時端部區(qū)域同一節(jié)點在同一時刻的應(yīng)力數(shù)值進行對比．圖10所示為不同補料量下起皺區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，圖11所示為不同補料量下的變形過程的應(yīng)力軌跡．該區(qū)同樣處于環(huán)向受拉、軸向受壓的狀態(tài)．當(dāng)補料量分別為10、15、20mm時，軸向壓應(yīng)力為-431、-469、-550MPa;隨著補料量的增大，軸向壓應(yīng)力的絕對值升高，環(huán)向拉應(yīng)力的絕對值增大，起皺趨勢增加．當(dāng)補料量為20mm，出現(xiàn)皺紋．4仿真結(jié)果分析1)支撐壓力對扭力梁內(nèi)高壓成形時皺紋的形成有著顯著影響，隨著支撐