1 引言

    內(nèi)高壓成形技術(shù)加工的零件具有減輕質(zhì)量、節(jié)約材料、提高強(qiáng)度與剛度、減少零件和模具數(shù)量、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)[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(gòu)件[4]，在汽車、航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。
    曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，對發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能發(fā)揮有較大影響,其性能的好壞直接影響飛機(jī)、汽車的壽命。曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中承受著大負(fù)荷和不斷變化的彎矩及扭矩作用，它既要求高的強(qiáng)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(yán)格[5-6]。傳統(tǒng)生產(chǎn)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(jī)床上進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難；鑄件生產(chǎn)效率低、工藝裝備落后、毛坯機(jī)械性能不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題[7]，使得曲軸的生產(chǎn)質(zhì)量受到很大的影響。內(nèi)高壓成形技術(shù)在結(jié)構(gòu)采用“以空代實(shí)”，即對于承受以彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構(gòu)件，采用空心結(jié)構(gòu)取代實(shí)心結(jié)構(gòu)，這樣既可以減輕重量節(jié)約材料又可以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度[8-10]。例如采用空心雙拐曲軸代替實(shí)心雙拐曲軸, 在同樣抗扭能力下，質(zhì)量減輕近55％。另外內(nèi)高壓成形件壁厚分布均勻、脹形量大。故可采用內(nèi)高壓成形技術(shù)來成形此類復(fù)雜空心零件。
    內(nèi)高壓成形中軸向進(jìn)給量與內(nèi)壓的關(guān)系稱為加載路徑，內(nèi)高壓成形是在內(nèi)壓和軸向補(bǔ)料聯(lián)合作用的復(fù)雜成形過程。只有給出內(nèi)壓力與軸向進(jìn)給的合理匹配關(guān)系，才能獲得合格的零件。
    本文用數(shù)值模擬方法研究了不同加載路徑對空心雙拐曲軸內(nèi)高壓成形結(jié)果的影響，探討了如何確定內(nèi)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(dòng)規(guī)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(nèi)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(fù)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(jì)算機(jī)進(jìn)行大量模擬的基礎(chǔ)加上少量的實(shí)驗(yàn)，是探索其成形規(guī)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(shù)值模擬分析模型
    圖2所示為曲軸內(nèi)高壓成形模擬模型，管坯采用中性層進(jìn)行造型，劃分為9656個(gè)四邊形單元，為Belytschko-Tsay殼單元，模具劃分為剛性單元，共10112個(gè)四邊形單元。假設(shè)管坯材料模型為各向同性彈塑性，符合Mises屈服準(zhǔn)則，材料硬化規(guī)律為σ=Kεⁿ,通過拉伸試驗(yàn)得到K=565MPa, n= 0.25。

圖2數(shù)值模擬分析模型
Fig.2  Finite element model

3 模擬結(jié)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(nèi)壓和位移的匹配。因此選擇合適的加載路徑是內(nèi)高壓成形技術(shù)的關(guān)鍵之一。模擬方案如圖3所示，采用4條線性加載路徑進(jìn)行模擬。線性加載方式，即當(dāng)沖頭軸向進(jìn)給時(shí)，內(nèi)壓也隨之線性增加，當(dāng)增加到要求的進(jìn)給量時(shí)用80MPa高壓進(jìn)行整形。
    加載路徑1與加載路徑2整形前的內(nèi)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(jié)果的影響，當(dāng)補(bǔ)料量達(dá)到6mm時(shí)，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(nèi)壓為26MPa, 加載路徑4整形前的內(nèi)壓為20MPa, 當(dāng)補(bǔ)料量達(dá)到6mm時(shí)，加載路徑3的壓力為10MPa, 加載路徑4的壓力為6MPa，軸向補(bǔ)料量都是15m。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖3模擬時(shí)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(jìn)給量較慢，即軸向進(jìn)給量不足以補(bǔ)償周向變形量，使得在成形過程中曲軸拐部頂端的壁厚發(fā)生減薄，后續(xù)補(bǔ)料無法繼續(xù)送入拐部變形區(qū)，這樣該處壁厚越來越薄，在管料未貼模時(shí)即發(fā)生破裂，這時(shí)壓力為30 MPa, 軸向補(bǔ)料量為13cm,此時(shí)距離貼模還差1.5cm, 圖4是發(fā)生破裂時(shí)的成形狀態(tài)及當(dāng)時(shí)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(bǔ)料量都相同，只是內(nèi)壓的增加和補(bǔ)料量增加的匹配關(guān)系不一樣，其計(jì)算結(jié)果是管料在最后貼模階段發(fā)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(shí)補(bǔ)料已經(jīng)完成，壓力已接近80MPa,發(fā)生開裂的主要原因是由于成形前期壓力和軸向補(bǔ)料量的關(guān)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(bǔ)料不及時(shí)而變得越來越薄，直至開裂。圖5是其成形狀態(tài)及當(dāng)時(shí)的FLD圖，可見加載路徑2的成形性要優(yōu)于加載路徑1，因此，在最終內(nèi)壓及沖頭位移相同的情況下，在高壓下增加補(bǔ)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(jié)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(shí)不發(fā)生破裂，加載路徑4將整形前的壓力降至20MPa，模擬結(jié)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(dòng)，其壁厚逐漸增厚，只好向內(nèi)產(chǎn)生起皺，出現(xiàn)折疊現(xiàn)象，后續(xù)高壓整形時(shí)也未將其脹開，形成死皺，原因是壓力上升速度較慢，軸向進(jìn)給速度較快，軸向變形來不及轉(zhuǎn)化為周向變形，而使材料在軸向聚集產(chǎn)生起皺。

圖6 加載路徑4有限元模擬結(jié)果
Fig.6 Thickness distribution from loading path 4

圖7加載路徑3有限元模擬結(jié)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(jié)果可知，合理的成形壓力應(yīng)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(jié)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(jié)果可知減薄率已控制在準(zhǔn)許的范圍之內(nèi)，可以成形出合格的零件。

圖8截面A-A壁厚測點(diǎn)
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(nèi)高壓成形件一個(gè)重要指標(biāo)。圖8是A-A截面的壁厚測點(diǎn)，壁厚分布見表1。從中可以看出，對于截面A-A，頂部11點(diǎn)（曲軸拐部）區(qū)域減薄率最大，沿圓周減薄率逐漸減少,底部區(qū)域（1點(diǎn)附近）減薄率最小，減薄率為負(fù)數(shù)。
    由以上模擬結(jié)果可知，在雙拐曲軸內(nèi)高壓成形過程的加載（軸向位移和壓力）關(guān)系曲線中，存在著一個(gè)不產(chǎn)生缺陷的最佳成形區(qū)間，如圖9，在加載路徑a以上，內(nèi)壓過高，軸向補(bǔ)料速度較慢，管坯就會(huì)減薄過度以致破裂；在加載路徑b以下，內(nèi)壓較小，軸向補(bǔ)料速度較快，管坯就會(huì)出現(xiàn)起皺；只有在加載路徑a與b之間，此時(shí)軸向進(jìn)給量可以正好補(bǔ)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(nèi)高壓成形區(qū)間圖
Fig.9 Formation zone of hydroforming

4 結(jié)論

    1 在空心雙拐曲軸內(nèi)高壓成形過程中，當(dāng)軸向進(jìn)給量15mm時(shí)，如果加載路徑設(shè)計(jì)的不合理，壓力上升速度較慢，小于20MPa,而軸向進(jìn)給速度較快，軸向變形來不及轉(zhuǎn)化為周向變形，材料就會(huì)在軸向聚集，使管坯產(chǎn)生起皺；
    2 當(dāng)壓力上升速度較快，成形壓力大于32 MPa，而軸向進(jìn)給速度較慢，即軸向進(jìn)給量不足以補(bǔ)償周向變形量，使厚度減薄，如果內(nèi)壓過高，就會(huì)出現(xiàn)減薄過度以致破裂。
    3 只有合理的應(yīng)用加載路徑，成形壓力介于20MPa與30MPa之間，使軸向進(jìn)給量可以正好補(bǔ)償徑向的變形量才能獲得壁厚較為均勻的合格零件。