汽车驱动桥壳液压胀形试验的失效研究.pdf

第 3 期 2 0 1 0年 3月 机 械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 3 7 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 3 0 1 3 7 0 3 汽车驱动桥壳液压胀形试验的失效研究 程 文冬 王连 东 西安工业大学 机电工程学院， 西安 7 1 0 0 3 2 燕山大学 车辆与能源学院， 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 Th e f a i l u r e a n a l y s i s t o t h e h y d r o f o r mi n g t e s t o f a u t o mo b i l e a x l e h o u s i n g s C HE NG We n - d o n g 1 , WANG L i a n - d o n g S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， X i ’ a n T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 3 2 ， C h i n a C o l l e g e o f A u t o m o b i l e a n d E n e r g y ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y ， Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a I ． ⋯ ’ ●- _ ． - ． ． ⋯ - ． ． I ． - ． 1 ‘ - I ． - I ． ‘ - ● - 0 _ ． ． - _ ． ‘ ⋯ I ． _ ⋯ - ‘ - ． ． ． 0 ⋯ - ． ⋯ 一 ⋯ ‘ - 0 ． I ． - I ． ‘ _ _ ． ‘ - ． ． ’ ● ． ． J ． ． 1 ‘ - ． ． I ． 1 0 ‘ ⋯ 。 ‘I ． _ - ． 1 0 ‘ ⋯ - ● I - ． - ． ． 0 - 1 ． I ． ． 0 - ． ． ‘ ⋯ - ‘ I - ． ‘ - 1 ． I ． _ 0- I ． I ． ． 0 ⋯ ‘ ⋯ - ‘ ． ． ． j 【 摘要】 对0 ．7 5 t 汽车 桥壳进行了液压胀形试验， 分析了管件胀形的两 种失效形式 胀裂和起皱。通过 i 管 件胀裂实验数据绘制出 胀形极限图， 并得到胀形系 数和轴向 应变之间存在线性比例关系K r H - 6 - 1 ．7 2 e ， 揭 示了 管件材料的固有属性与外界加载条件对成形共同起着决定性作用。管件胀形中的起皱行为分为有益皱 纹和有害皱纹。前者作为一种预成形方法能够为进一步成形聚集材料， 管件成形的界限可得到扩大。 j 关键词 汽车桥壳； 液压胀形； 成形极限图； 起皱 【 A b s t r a c t 】 T h e a x l e h o u s in g f o r n 0 ．7 5 t o n a u to m o b il e is t e s t e d b y h y d r o f o r m in g ． T h e r e a r e t w o ty p e s of f a i l u r e a b o u t t h e b u l g i ri g c r a c k a n d w r i n k l e ． T h e F L D f o r mi n g l i m i t e d d i a g r a m i s d r e w b y t h e t e s t d a t a a n d t h e r e l at i o n s h i p o ft h e l i m i t b u l g i n g c o e f fic i e n t a n d axi a l s t r ai n i s r e v e al e d ， t h at i s r 一 1 ．7 2 e T h e r e s u l t s 。 j s h o w t h at t h e i n h e r e n t at t r i b u t e s o f th e t u b e m at e r i a l a n d e x t e r i o r l o a d p r i m a r i ly e ff e c t th e f o r m i n g t o g e th e r ． e w r i n k l e s d u r i n g t h e b u n g i n c l u d e e f f e c t i v e w r i n k l e a n d i n e ffe c t i v e w r i n k l e ． A s a p e fr o m e t h o d t h e e ffe c t i v e w r i n k l e c o u l d a c c u m u l at e m ate r i a l f o r t h e l ate r f o r mi n g a n d t h e f o r mi n g l i mi t c o u l d b e e n l a r g e d ． Ke y wo r d Ax l e h o u s i n g ； Hy d r o f o r mi n g ； FLD； W r i n k l e 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1 前言 液压胀形是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体 水、 乳化液或油 和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其产 生环向扩张并贴模成形【 1 ． 。 管件的液压胀形适用于制造航空、 航天和汽车领域的各种异 形的空心构件。液压胀形是实现零部件轻量化的重要新工艺之 一 ，该技术可以很大程度上替代冲压焊接方法， 材料利用率高， 制 件壁厚分布合理， 强度、 刚度高， 重量轻日 。 管件在液压胀形时管壁减薄快 ， 容易胀裂， 因此采用复合液 压胀形。通常是在管件内部施加液体压力， 同时在轴的两端进行 轴向压缩使管壁金属材料及时补充到胀形减薄区域， 使管件顺利 成形。影响壳体液压成形的因素比较多， 如材料性能、 轴向压缩 量、 胀形内压力 、 管件与模具的摩擦等因素 ， 其中轴向压缩量 △ 和胀形内压力P的参数匹配是决定管件成形的关键。 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 5 3 0 6结论 1 通过对金杯 S Y 6 4 7 4汽车的主减速器壳进行有限元分析， 得出了其应力和变形分布规律， 验证了该主减速器壳强度和刚度 均符合要求。此方法亦适用于其他型式的主减速器壳的分析。 2 通过对主减速器壳进行模态分析， 得到了它的固有频率 ， 为进行振动特胜分析、 振动故障诊断和预报以及结构动力特性的 优化设计提供了依据。 如图 1 所示， 管件轴向压缩复合胀形的机理。当施加的轴向 压力足够大时， 胀形区母线方向的拉应力变为压应力， 成为一拉 一 压的平面应力状态。变形也由两向拉伸、 一向压缩应变状态变 为一向拉伸、 两向压缩的应变状态， 有利于材料的塑性变形， 不仅 可减少胀形区材料的变薄量， 使胀形区壁厚较均匀， 而且可显著提 高胀形极限变形程度。 管件的液压胀形可能产生两种主要的失效形式当胀形压力 相对轴向压缩过大或增加过决， 管件会发生破裂， 反之管件容易起 皱， 如图2 所示。确定轴向压缩量 △和胀形压力 P合理的匹配关 系可以达到两个目的 1 避免管件破裂与起皱等失效形式的出 现； 2 实现管件的壁厚分布均匀、 合理 。 本文在普通液压机上对无缝钢管进行液压胀形， 通过不同的 胀形方案对管件进行胀裂、 起皱等失效试验并进行分析， 探寻管 件液压胀形的成形规律， 为理论研究及工程应用提供依据。 参考文献 1 冯刚年， 杨春永． 装载机驱动桥主减速器壳体组件的结构改进[ J I_ 工程机 械 ， 2 0 0 5 1 1 1 4 1 6 2 王勖成． 有限单元法[ M ] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 3 3 杨超， 刘常宝， 韩晓锋， 林涛． 抽油机减速器壳体的有限元分析Ⅲ． 大庆石 油学院学报 ， 2 0 0 1 4 8 2 - 8 5 4 陈黎卿， 李超， 何钦章， 陈睿． 汽车主减速器轴承受力分析及选型系统开发 [ J】． 轴承， 2 0 0 7 1 1 5 1 - 5 4 l 3 8 程文冬等 汽车驱动桥壳液压胀形试验的失效研究 第3 期 图 1管件复合液压胀形 轴向』 五身 量 h ram 图 2管件变形区间 2液压胀形试验 2 ． 1样件设计 汽车驱动桥壳是典型的异性空心构件。参考某载重 0 ． 7 5 t 轻 型货车驱动桥壳的几何参数，运用 U G设计汽车桥壳试验样件， 如图 3 所示。 图 3汽车桥壳模型 2 ． 2胀形工艺 根据桥壳样件的几何参数， 选用外径4 2 ra m、 壁厚 3 m m、 长度 2 9 3 m m的冷拔 2 0 无缝钢管。首先在液压机上缩小钢管端部直径 至2 9 ． 7 mm， 然后对管件中部进行两次液压胀形。 实验设备通过管 件两端向内部充入高压液体，同时在管件两端施加轴向推力， 管 壁会在内压力和轴向推力的作用下与外部的模具贴模， 经过两次 胀形生成桥壳形状， 试验工艺， 如图4所示。 图 4管件液压胀形工艺图 3 胀裂实验 3 ． 1实验结果 试验根据给定的轴向推力和胀形压力的匹配关系有目的的 胀裂管件。测量胀裂试件最大胀形处的曲率半径， 计算出管件最 大胀形直径、变形部位的轴向压缩量及轴向压缩率等基本参数， 如表 1 所示。典型胀裂试件， 如图5 所示。 a 试件 0 0 5 b 试件 叭 1 图 5胀裂管件 胀裂试件裂口处的环向应变可表示为 g o I n 。b 1 ⅡO 试件的胀形系数 k 可表示为 ， b 2 Ⅱ0 式中 6 胀形管件的最大直径； d 厂管坯胀形部分初始直径， d o 4 2 ra m。 将胀裂试件在最大胀形处横向剖切， 测量裂口处附近壁厚 t ， 计算壁厚方向应变 即法向应变 i nt f o 3 式中 ￡ 。 初始管坯最小壁厚， n l n l 。 管件塑性变形过程中体积不可压缩， 即裂F l 处的正应变之和 等于零， 则有 日 O 4 可以计算出轴向应变 。胀裂试件的主要变形参数， 如表 1 所示 表 1主要变形参数 3 。2成形极限图 成形极限图 f o r m i n g l i m i t e d d i a g r a m， 简称 F L D 表示了薄壁 金属在内部两个主应变作用下获得的最大应变量， 它是判断薄壁 金属成形最直观有效的工具。 将胀裂试件裂口处的轴向应变和胀形系数绘入图中， 得到汽 车桥壳的成形极限图， 如图6所示。图中各数据点近似均匀分布 No ． 3 Ma r ． 2 0 1 0 机械 设 计 与制 造 1 3 9 在直线两侧， 形成一定宽度的临界区。管壁上胀形系数和轴向应 变的任意组合只要落在图中的成形极限曲线之上， 管壁变形时就 会发生破裂。变形如果位于临界区， 则管件有濒临破裂的可能。 22 2 纛1．8 垛1 ．6 童l4 1 ． 2 1 ／ 一 ／ U Ul 0 ． 4 U j 轴向 应变一 图 6成形极限图 由于管件材料的均匀延伸率8 2 5 ％， 经技术处理回归分析可 以认为 对于确定胀裂的管件， 胀形系数和轴向应变之间存在线 性比例关系， 即 k r 1 ． 2 8 1 ．7 2 e z 5 式 5 可近似变换为 一1 一 1 ．7 2 e ． 6 延伸率是材料的固有属性， 材料延伸率越高， 管材的胀形系 数越大， 成形性能越好。 轴向应变 值取决于管件胀形的外界加 载条件 胀形压力与轴向压缩量 ，它是管件成形的主要决定参 数。该公式表明 固有的材料属性与外界加载条件的同时决定着 管件的胀形效果。 4起皱实验 如果施加的轴向压力过大而胀形压力相对偏小， 则管件容易 发生受压失稳而起皱l5 ．6 1 。传统认为起皱是管件成形的失效， 本文 将第一次胀形后管件出现的皱纹分为有害皱纹和有益皱纹。 4 ． 1 有益起皱 如图7 所示， 有益皱纹试件。该试件在第一次胀形后， 如图7 a 所示。从图中可以看出该试件有三段皱纹， 波峰波谷直径相差最大值 小于t 0 m m 。第二次胀形后皱纹全部展开， 最终成形， 如图7 b 所示。 a 有害皱纹 图8典型死皱管件 4 ． 3起皱分析 有害皱纹管件的波峰波谷直径相差过大， 管坯的材料在胀形 区堆积过量， 在最终的胀形过程中很难将其胀平、 贴模而形成死 皱。死皱的形成与管壁金属的流动性， 管壁与模具的摩擦等因素 亦有关。有益皱纹的形状和分布比较合理， 为第二次胀形储备适 量的材料， 一定程度上能够避免管壁在胀形中的过度减薄， 对管 件的最终成形有着积极的作用。通过起皱在胀形部位堆积材料， 不失为一种预成形方法。 另外一种起皱成为屈曲， 多在胀形中后期出现。此时管坯最 大胀形部分与两端尺寸相差愈来愈大， 如果轴向压缩相对于胀形压 力过大， 小直径部分容易受压折进大直径部分内部， 如图9 所示。 总之， 皱纹形状以及胀形区材料堆积量主要取决于胀形压力 和轴向压缩量的合理匹配，当轴向缩量相对于胀形压力过大， 管 件容易产生死皱； 反之， 管件管壁减薄严重， 容易胀裂。 图 9屈曲管件 5结论 管件胀形主要存在两种失效形式 胀裂和起皱。轴向压缩量 和胀形内压力的参数匹配是决定管件成形的关键。 1 根据胀裂 的实验数据绘制出胀形极限图， 得到管件胀裂的临界区域。如果 管件变形时胀形系数 k r 与轴向应变的组合位于临界区之上 ， 则 管件破裂。 2 根据胀形极限图得到管件胀形系数和轴向应变之 间存在线性比例关系， 揭示了材料的固有属性 延伸率 与外界加 载条件对管件成形共同起着决定性作用， 能够为理论研究及工程 应用提供依据。 3 起皱试验表明了管件胀形过程中的起皱行为 可分为有益皱纹和有害皱纹。 有益皱纹可以为进一步成形聚集适 量材料， 能够作为一种预成形方法扩大管件的成形范围。 参考文献 1 Y．S ． S h i n ， H．M．Ki m， B．H．J e o n ， S ZOh ．P r o t o t y p e Tr y o u t a n d Di e De s i g n f o r Au t o mo t i v e P a r t s Us i n g We l d e d B l a n k Hy d r o f o r mi n g ． J o u r n a l o f Ma t e ria l s P roc e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ， 1 3 0 1 3 1 1 2 1 1 2 7 2 L ． H． L a n g ， Z ． R． Wa n g， D． C ． Ka n g， S ． J ． Yu a n， S ． H． Z h a ng ， J ． Da n c k e ， K． B． Ni e l s e r t Hy d mf o r mi n g Hi g h l i g h t s S h e e t Hy d r ofo r mi n g a n dT u b e Hy d r o f o r mi n g ． J o u r n a l o f Ma t e ria l sP r o c e s s i n gTe c h n o l o gy。 2 0 0 4。 1 51 1 6 5 ～ 1 7 7 3 朱伟成， 徐成林， 张玉成等． 内高压成形汽车管件技术． 汽车工艺与材料， 2 0 0 4 1 1 l 4 4 F Do h ma n n ． C ． Ha r t 1 ．Tu b e h y d r o f o r mi n g r e s e a r c h a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ． J o u ma l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 7 ， 7 1 1 7 4 - 1 8 6 5三 C ． Xi a ．Fa i l u r e a n a l y s i s o f t u b u l a r h y d r o f o r mi n g ．J o urna l of En g i n e e rin g Ma t e ri a l s a n dT e c h n o l o gy， 2 0 0 1 1 2 3 4 2 3 --42 9 6 A S h i r a y o ri， S ．F u c h i z a wa ， M． Na r a z a k i ． I n flu e n c e o f i n i t i a l t h i c k n e s s o n t u b e d e f o r ma t i o n d u ri n g f r e e h y d r a u l i c b u l g i n g ．A d v a n c e d T e c h n o l o g y o f P l a s t i c i t y ， Pr o c e e d i n g s o f t h e 7 t h I C TP， Yo k o h a ma ， J a 0 a n ， Oc t o b e r ．27 h No v e mb e r ． I s t ， 2 0 0 2 1 4 5 9 ～ 1 4 6 4