1 引言
內高壓成形技術加工的零件具有減輕質量、節約材料、提高強度與剛度、減少零件和模具數量、降低生產成本等優點[1-3]，可用于制造沿零件軸線變化的圓形、矩形截面或異型截面構件[4]，在汽車、航空、航天等領域的應用越來越多。
曲軸是發動機的關鍵部件，對發動機整機性能發揮有較大影響,其性能的好壞直接影響飛機、汽車的壽命。曲軸在發動機中承受著大負荷和不斷變化的彎矩及扭矩作用，它既要求高的強度、韌性，又要求好的耐疲勞性和耐磨性，對成形零件的幾何尺寸要求非常嚴格[5-6]。傳統生產曲軸的方法是采用鍛造工藝或鑄造工藝成形毛坯，然后在機床上進行精加工。這種方法存在加工余量大且不均勻、工序多、成本高、鍛件熱成形充不滿、鍛件及模具結構設計困難；鑄件生產效率低、工藝裝備落后、毛坯機械性能不穩定、精度低、廢品率高等問題[7]，使得曲軸的生產質量受到很大的影響。內高壓成形技術在結構采用“以空代實”，即對于承受以彎曲或扭轉載荷為主的構件，采用空心結構取代實心結構，這樣既可以減輕重量節約材料又可以充分利用材料的強度和剛度[8-10]。例如采用空心雙拐曲軸代替實心雙拐曲軸, 在同樣抗扭能力下，質量減輕近55％。另外內高壓成形件壁厚分布均勻、脹形量大。故可采用內高壓成形技術來成形此類復雜空心零件。
內高壓成形中軸向進給量與內壓的關系稱為加載路徑，內高壓成形是在內壓和軸向補料聯合作用的復雜成形過程。只有給出內壓力與軸向進給的合理匹配關系，才能獲得合格的零件。
本文用數值模擬方法研究了不同加載路徑對空心雙拐曲軸內高壓成形結果的影響，探討了如何確定內高壓成形工藝中最佳加載路徑以及材料在成形過程中的流動規律。
2 零件尺寸和模型
2.1 零件幾何尺寸
圖1為空心雙拐曲軸的幾何尺寸，曲軸長度220mm，拐部管徑從63mm變化到86mm,最大膨脹量為36%，內高壓成形采用直徑63mm的管坯，壁厚為2.5mm，材料為20＃鋼。由于該零件具有非對稱的復雜外形，在成形中保持壁厚的均勻性難度很大，所以有效地利用有限元這一工具，在計算機進行大量模擬的基礎加上少量的實驗，是探索其成形規律的捷徑。
圖 1 空心雙拐曲軸的幾何尺寸
Fig.1Dimensions of the part
2.2 數值模擬分析模型
圖2所示為曲軸內高壓成形模擬模型，管坯采用中性層進行造型，劃分為9656個四邊形單元，為Belytschko-Tsay殼單元，模具劃分為剛性單元，共10112個四邊形單元。假設管坯材料模型為各向同性彈塑性，符合Mises屈服準則，材料硬化規律為σ=Kεn,通過拉伸試驗得到K=565MPa, n= 0.25。
圖2數值模擬分析模型
Fig.2 Finite element model
3 模擬結果分析
圖1所示空心雙拐曲軸零件形狀為非對稱，既要有較均勻的壁厚，并且還有較大的膨脹量，故成形較困難，需要最佳的內壓和位移的匹配。因此選擇合適的加載路徑是內高壓成形技術的關鍵之一。模擬方案如圖3所示，采用4條線性加載路徑進行模擬。線性加載方式，即當沖頭軸向進給時，內壓也隨之線性增加，當增加到要求的進給量時用80MPa高壓進行整形。
加載路徑1與加載路徑2整形前的內壓都為32.5MPa, 但壓力增加的頻率不一樣，目的是為了考察壓力上升的斜率對成形結果的影響，當補料量達到6mm時，加載路徑1的壓力為20MPa, 加載路徑2的壓力為14MPa。加載路徑3整形前的內壓為26MPa, 加載路徑4整形前的內壓為20MPa, 當補料量達到6mm時，加載路徑3的壓力為10MPa, 加載路徑4的壓力為6MPa，軸向補料量都是15m。#p#分頁標題#e#
圖3模擬時采用的4條加載路徑
Fig.3 Four loading paths
3.1 破裂
加載路徑1由于整形前壓力過高，壓力上升速度較快，而軸向進給量較慢，即軸向進給量不足以補償周向變形量，使得在成形過程中曲軸拐部頂端的壁厚發生減薄，后續補料無法繼續送入拐部變形區，這樣該處壁厚越來越薄，在管料未貼模時即發生破裂，這時壓力為30 MPa, 軸向補料量為13cm,此時距離貼模還差1.5cm, 圖4是發生破裂時的成形狀態及當時的FLD圖。
圖4加載路徑1的FLD圖
Fig.4 FLD from loading path 1
圖5加載路徑2的FLD圖
Fig.5 FLD from loading path 2
加載路徑2與加載路徑1相比，施加的壓力和補料量都相同，只是內壓的增加和補料量增加的匹配關系不一樣，其計算結果是管料在最后貼模階段發生開裂，屬于晚期開裂，開裂的部位位于曲軸拐部的頂端，此時補料已經完成，壓力已接近80MPa,發生開裂的主要原因是由于成形前期壓力和軸向補料量的關系匹配不合理，使得在后期整形階段過程中由于壓力過大而拐部金屬的壁厚補料不及時而變得越來越薄，直至開裂。圖5是其成形狀態及當時的FLD圖，可見加載路徑2的成形性要優于加載路徑1，因此，在最終內壓及沖頭位移相同的情況下，在高壓下增加補料量有助于提高零件壁厚分布的均勻性。
3.2 起皺
由加載路徑2的模擬結果可知，必須在高壓整形前使曲軸拐部聚集更多的材料，才能保證在高壓整形時不發生破裂，加載路徑4將整形前的壓力降至20MPa，模擬結果如圖6所示，由于成形壓力較低，使得曲拐部對面的管坯材料由于模具的限制無處流動，其壁厚逐漸增厚，只好向內產生起皺，出現折疊現象，后續高壓整形時也未將其脹開，形成死皺，原因是壓力上升速度較慢，軸向進給速度較快，軸向變形來不及轉化為周向變形，而使材料在軸向聚集產生起皺。
圖6 加載路徑4有限元模擬結果
Fig.6 Thickness distribution from loading path 4
圖7加載路徑3有限元模擬結果
Fig.7 Thickness distribution from loading path 3
3.3 合格零件
由加載路徑2和4的模擬結果可知，合理的成形壓力應該在20MPa和32.5MPa之間，因此將加載路徑3的成形壓力定為26MPa，圖7是其最終的成形結果，曲軸拐部中央壁厚最薄，似花瓣形向周圍伸展，壁厚逐漸增加，而其對面的壁厚分布則正好相反，由結果可知減薄率已控制在準許的范圍之內，可以成形出合格的零件。
圖8截面A-A壁厚測點
Fig.8 Section A-A testing point
表1 截面A-A壁厚分布
Table1 Section A-Athickness distribution
零件壁厚分布是內高壓成形件一個重要指標。圖8是A-A截面的壁厚測點，壁厚分布見表1。從中可以看出，對于截面A-A，頂部11點（曲軸拐部）區域減薄率最大，沿圓周減薄率逐漸減少,底部區域（1點附近）減薄率最小，減薄率為負數。
由以上模擬結果可知，在雙拐曲軸內高壓成形過程的加載（軸向位移和壓力）關系曲線中，存在著一個不產生缺陷的最佳成形區間，如圖9，在加載路徑a以上，內壓過高，軸向補料速度較慢，管坯就會減薄過度以致破裂；在加載路徑b以下，內壓較小，軸向補料速度較快，管坯就會出現起皺；只有在加載路徑a與b之間，此時軸向進給量可以正好補償徑向的變形量，才可以成形壁厚分布較均勻的合格零件。
圖9空心雙拐曲軸內高壓成形區間圖
Fig.9 Formation zone of hydroforming
4 結論
1 在空心雙拐曲軸內高壓成形過程中，當軸向進給量15mm時，如果加載路徑設計的不合理，壓力上升速度較慢，小于20MPa,而軸向進給速度較快，軸向變形來不及轉化為周向變形，材料就會在軸向聚集，使管坯產生起皺；
2 當壓力上升速度較快，成形壓力大于32 MPa，而軸向進給速度較慢，即軸向進給量不足以補償周向變形量，使厚度減薄，如果內壓過高，就會出現減薄過度以致破裂。
3 只有合理的應用加載路徑，成形壓力介于20MPa與30MPa之間，使軸向進給量可以正好補償徑向的變形量才能獲得壁厚較為均勻的合格零件。