本文描述了用三维建模和有限元仿真软件模拟横梁成形的过程，通过模拟现场参数，重现现场起皱问题，分析问题所在，再通过预成形型面和整体工艺的优化，模拟出合格的成形结果。最后在现实中用优化的工艺，试验做出了合格的零件。本文对复杂管式零件充液成形消除起皱现象具有一定的借鉴意义。

液压成形技术是塑性加工领域的一项成形新技术，其中管材内高压成形由于能提供结构轻量化的零件，是近年来塑性成形的一个亮点，所成形的材料已由低碳钢管扩展到不锈钢管和铝合金管及镁合金管，已经广泛应用于汽车零件和航空航天用零件的制造。内高压成形的基础理论、工艺和设备的研究，已经在轿车关键零件的批量生产和国防型号重要零件的研制中得到实际应用。随着汽车、航空、航天和机械行业对结构整体化和轻量化的需求越来越高。近十年来，液压成形技术尤其是内高压成形技术在我国得到迅速发展，逐渐成为工业生产中制造复杂异形截面轻体构件的一种先进成形技术。在汽车结构轻量化中，采用轻质材料减重的贡献大约为1/3，结构减重的贡献大约为2/3。当材料一定时，减重的主要方法是设计合理的轻体结构。对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面构件，既可以减轻质量又可以充分利用材料的强度。

汽车底盘车架一般由纵梁和横梁组成。横梁是汽车半独立悬挂中的一个重要组成部分，其结构简单，占用空间较小，多用于前驱轿车的后悬挂系统。其中横梁不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还可以支撑汽车上的主要部件。某汽车零部件厂在生产汽车横梁（图1）时，采用管材预压预成形，终压终成形的工艺方式（图2），但在预成形阶段，由于型面要从中间的深V凹陷过渡到上表面平面，预压时型面平面区域会被深V凹陷部分带料，也变成凹陷形状，而这凹陷在终成形内高压胀形中，多余的料无处可去，堆积形成皱褶，如图3所示。

根据现场情况制定出了优化方案：模拟现场情况→与现场实物对比→优化预成形型面→现场做零件验证优化工艺→对比总结。

按现场工艺用有限元软件模拟

首先利用三维建模软件提取出现场预成形、终成形模具的型面，导入有限元仿真软件，再把现场正在用的工艺参数设置导入到有限元仿真软件里，经过计算机模拟预成形、终成形，计算得出现场型面和工艺下的零件模拟结果如图4所示。

通过比较模拟结果和实际做出来零件，可以看出在零件端头V形面与平面过渡的地方都有起皱现象，模拟贴模度为2.2mm，实际零件贴模度为3.1mm。所以有限元仿真软件模拟的准确度还是比较高的，用它模拟出来的结果还是比较可信的。

分析并提出优化方案

经过仔细分析模拟成形的过程，发现问题的关键出在预成形阶段。预成形阶段形成的起皱是一个死皱，在第二序有限的内高压胀形力下，很难达到预期的平面。零件端头V形面与平面过渡的地方起皱主要是因为凸模下行时，V形面先接触管料，此时未接触的部分也因为带料的原因，向管内凹陷，但此时凹陷不是很多，仅仅是凹陷了很有限的一小段，而且凹陷的曲率比较大。随着凸模继续下行，端头的平面部分也开始接触管料，整个凸模长度上都有地方作用在管料上，此时之前凹陷的管端彻底没有了支撑，直接凹陷下去，一直到管端。

并且在凸模平面没有接触到管料之前，虽有带料凹陷，但凹陷不是很严重，可以在终成形的内高压下胀成平面。此时之所以凹陷不是很严重，是因为管端平面还没有接触到管料，管端圆形的结构对凸模V形部分的带料有一个很好的支撑效果，一定程度上抑制了凹陷的进一步扩张。而端头平面开始接触管料以后，这个支撑效果消失，多余的料只能堆积起来，形成一个连续到管端的大皱，皱的线长度比平面的线长度长太多，意味着此处预成形堆积了比终成形多很多的料，终成形无法把这些料流到其他地方，最终形成皱。

综上分析，提出了解决问题的具体方案：

⑴在预成形阶段用支撑效果刚好的圆截面代替支撑效果很差的方截面；

⑵减少V形带料区的长度，增加对面圆截面的长度，中间用平顺圆滑过渡作为二序压料的避空区，如图5所示。

下面通过软件模拟，模拟零件成形优化结果。

预成形

预成形型面是一个中间态型面，所以可以根据成形需求进行更改和优化。根据上面提出的优化方案，建立数值模拟模型如图6所示。

⑴工艺参数。

免疫球蛋白A（IgA）肾病是以肾小球系膜区的IgA沉积为特征的一种肾小球肾炎。IgA肾病为导致终末期肾衰局常见原因，目前尚未有效治疗手段。相关研究显示，进展性的IgA肾病的血管紧张素Ⅱ活性增高，因此应用血管紧张素转化酶抑制剂降低血管紧张素Ⅱ活性对于IgA肾病具有一定作用。为证实以上观点，笔者进行以下研究。现报告如下。

⑵模拟结果。

如图8、图9所示，从第一序模拟结果来看，管端用圆形管支撑，成功避免了过多带料问题，最大减薄10.5%，在V形管与斜坡的交界处，没有破裂现象。最大增厚13.2%，在斜坡的中段，是斜坡压料段和斜坡避空段的交界处，无起皱现象。

终成形

如图10所示，终成形型面用零件数模的型面，先上下合模再充液胀形。

⑴工艺参数。

如图11、12所示，终成形工艺参数包括模具的摩擦系数、上模位移、合模速度、液室压力变化曲线等，下面主要阐述最大液室压力的计算。

充液胀形过程中最大液室压力的确定直接关系到零件的成形情况，如贴模度、避免起皱等，也直接影响所用设备吨位的确定，是仿真模拟首先需要设定的工艺参数。零件成形液室压力P的初步设定可按公式(1)计算：

其中，t为零件材料厚度，本件为3.5mm；

r为零件最小圆角半径，本件最小圆角半径在零件中间耳朵处，为10.8mm；

σs为零件材料屈服强度，SHLA550屈服强度为550MPa；

计算所需胀形液室压力为178MPa，选取180 MPa进行仿真模拟。

⑵模拟结果。如图13、图14所示，第二序管端圆管压平，胀形结果显示没有破裂和起皱的现象，贴模度很好。技术难点管端平面没有凹陷，平面与V形交接的地方过渡完美。

试验验证

试验机床：800t单动预成形压机、5000t单双两用充液成形终成形压机。

试验地点：某汽车零部件生产线。

从图15中可以直观的看出来，经过工艺优化，零件成形状态与数值模拟状态一致，即改变了预成形型面，改善了管料的流动情况，成功地解决了管端定位平面起皱的问题，保证了零件定位平面的平面度，从而保证了该扭力梁零件的整体质量，为后续装配扫清了障碍。

结论

⑴异形截面管的成形可以通过中间序，控制坯料流动方向。

⑵通过改变预成形模具型面，成功地改善了管坯的变形流料方向，在成形极度困难的情况下，避免预成形阶段管坯上死皱的产生，在终成形阶段得到合格零件，并稳定生产。为汽车底盘横梁成形提供了新思路和切实可行的新工艺。

作者简介

张艳峰，工艺部副部长，主要从事充液成形工艺分析与模具设计工作。主持完成天津市科技支撑项目《新一代中型运载火箭关键典型罩类零件研发与制造》，拥有专利3项。