汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝研究

郭喜來

摘要：汽車橋殼生產(chǎn)是一項精密度、技術(shù)性要求非常高的工藝。機(jī)械式脹形鑄造工藝相比傳統(tǒng)式工藝技術(shù)難度更低，產(chǎn)品剛性增加，耐久度提升，是汽車生產(chǎn)制造的理想發(fā)展方向。本文針對這一工藝進(jìn)行了理論探討，總結(jié)了這一工藝的生產(chǎn)方法，為汽車橋殼的工藝優(yōu)化發(fā)展提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：汽車生產(chǎn)；汽車橋殼；機(jī)械工藝

隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的騰飛，汽車生產(chǎn)制造已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)。汽車的車橋是汽車生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而橋殼是車橋生產(chǎn)的關(guān)鍵，橋殼工藝關(guān)系著整車的成形質(zhì)量、剛度、耐久度，對于橋殼工藝的優(yōu)化研究，是減少生產(chǎn)消耗，提升資源利用率和提高汽車品質(zhì)的絕佳途徑。本文研究對象是建立在塑性變形理論之上的脹形工藝，這種工藝避免了鑄造工藝下的材料浪費(fèi)和技術(shù)要求高的缺點(diǎn)，也避免了沖壓工藝下能耗能、工序復(fù)雜的缺點(diǎn)，其效率高、效益高，密封性強(qiáng)，更有利于汽車工業(yè)的發(fā)展，因此本文的研究具有極強(qiáng)的現(xiàn)實意義和理論價值。

一、機(jī)械式脹形工藝?yán)碚?/p>

（一）脹形工藝概述

機(jī)械式脹形工藝是依靠對原材料進(jìn)行一定程度的拉伸使其變形，在壓力下使材料發(fā)生外擴(kuò)膨脹進(jìn)而制造成預(yù)先設(shè)定的外形。機(jī)械式脹形工藝不僅能夠?qū)φ麄€材料進(jìn)行擴(kuò)脹，也能對局部某個地方進(jìn)行定型擴(kuò)脹。

脹形工藝的分類比較多。根據(jù)脹形工藝的用具可分為剛性脹形和利用聚氯乙烯、石蠟等軟膜的脹形；根據(jù)脹形的方式可分析自然的脹形、復(fù)合的脹形等。自然脹形即是根據(jù)脹形材料自身的性能變形。軸向的脹形是在材料自身性能基礎(chǔ)上，對愛戀進(jìn)行軸向的壓力。復(fù)合的脹形是在之前二者的基礎(chǔ)上，再徑向反壓；根據(jù)脹形管坯的條件又可分成封閉式的脹形和擴(kuò)孔式的脹形。封閉式脹形屬于應(yīng)用比較廣泛的工藝，管坯沒有預(yù)制孔，利用壓力對管坯進(jìn)行擴(kuò)脹。擴(kuò)孔式脹形是管坯留有預(yù)制孔，利用芯模來對管坯進(jìn)行力的作用。

（二）機(jī)械式脹形工藝的原理

在脹形工藝中，自然脹形主要依靠原材料自身的拉伸變形來完成的。脹形位置承受雙向的拉應(yīng)力和雙向的拉伸，單側(cè)的壓縮。這種應(yīng)力狀態(tài)下原材料會發(fā)生擴(kuò)脹變形。在軸向的脹形中，作用力不僅包括了自然脹形的作用，也包括了軸向的壓縮變形，其應(yīng)力狀態(tài)是拉伸和壓縮的平面應(yīng)力狀態(tài)。

脹形應(yīng)力狀態(tài)下，材料會發(fā)生一定程度的塑性變形。這種變形能夠使擴(kuò)脹部位發(fā)生薄厚的改變，也能提升脹形的極限。在脹形工藝中，脹形力度太小無法獲得理想的效果，脹形力度大則會出現(xiàn)剛性下降，質(zhì)量下降甚至材料損壞的現(xiàn)象。

在脹形工藝中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是控制脹形的程度。脹形的程度利用脹形系數(shù)來表示。脹形系數(shù)越大則變形的效果越大，反之則變形程度越小。若變脹形系數(shù)超過了材料的極限就會發(fā)生材料損壞，導(dǎo)致脹形失敗。

二、汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝的特點(diǎn)

（一）預(yù)制孔下的擴(kuò)孔式脹形

汽車橋殼機(jī)械師脹形工藝是根據(jù)汽車橋殼外形而形成的加工工藝，工藝的原理在普通脹形工藝原理的基礎(chǔ)上增加了特殊的外形變形特點(diǎn)。也就是說，汽車橋殼機(jī)械師脹形需要在管坯進(jìn)行預(yù)制擴(kuò)孔，從而形成汽車的橋殼外形。為了形成特定的橋殼，需要在管坯開預(yù)制孔，利用默劇對預(yù)制孔進(jìn)行脹形。

根據(jù)汽車橋殼加工中的模具具體情況，機(jī)械式脹形也分為直接擴(kuò)孔脹形和芯模擴(kuò)孔脹形兩種。直接擴(kuò)孔脹形是模具可直接作用與預(yù)制孔。芯模擴(kuò)孔脹形是利用芯模作為擴(kuò)孔脹形的擴(kuò)脹芯，利用模具的運(yùn)動使得芯模向外發(fā)生擴(kuò)脹力從而產(chǎn)生脹形。

（二）工藝難點(diǎn)

汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝需要滿足預(yù)制孔的擴(kuò)脹要求，預(yù)制孔和突出的外徑需要滿足橋殼制造的尺寸，也有滿足橋殼制造中對于材質(zhì)薄厚、大小和剛度、耐久度的要求。因此，在整個脹形工藝中，工序明確也復(fù)雜，對于技術(shù)性和精密度的要求極高。

三、汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝應(yīng)用

（一）汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝介紹

利用橋殼的外形特點(diǎn)，在縮徑工藝和管坯的預(yù)制孔之后，利用脹形工藝將原材料特定位置進(jìn)行擴(kuò)脹，達(dá)到汽車橋殼制造所要求的尺寸，再進(jìn)行組建的焊接和加裝，最后校正和整形滿足橋車橋殼的要求完成橋殼制造。

在原材料上進(jìn)行預(yù)制孔的制造，預(yù)制孔的大小和形狀根據(jù)汽車橋殼制造的具體要求選擇長圓形或者橢圓形等。長圓孔預(yù)制需要保證原材料周邊的薄厚要求，滿足后期組件焊接的剛性要求。完成脹形時，牙包的外部與模具貼合，原材料的長度要等于制件外部的長度。若預(yù)制孔的制作不合理，那么會導(dǎo)致脹形發(fā)生材料的撕裂、斷裂，導(dǎo)致脹形失敗。在完成預(yù)制孔之后，對口的周圍進(jìn)行修正，焊接三角板，完成其他組件的安裝。

（二）有限元模型的建立

建立汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝的有限元模型需要利用DEFORM3D軟件進(jìn)行仿真模擬。利用軟件自帶的材料和模型，去進(jìn)行仿真試驗，模擬材料的工藝、效應(yīng)力變化、應(yīng)變力分布和荷載力變化等。同時需要注意的是，利用有限元模型來進(jìn)行模擬時，只能分析出管坯的拉裂、拉伸等效果，無法分析其具體的現(xiàn)象變化，因此也需要進(jìn)行物理實驗。

利用軟件建立汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝的三維模型，選擇具體的材料幸好和財力模型，包括材料的截面尺寸、長度、開口半徑、中心距離和進(jìn)給速度等。

（三）有限元模型結(jié)果分析

機(jī)械式脹形工藝的預(yù)制成形工序中，由于材料變形的部位多位于管坯切口兩邊和中間，隨著芯模的運(yùn)動，管坯逐漸和芯模貼合，等效應(yīng)力逐漸增加。物理實驗中的結(jié)果也能驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性。管坯的受力主要位于管坯的切口兩邊和中間位置，與等效應(yīng)力分布相應(yīng)。

在成形的過程中，隨著脹形的進(jìn)行，應(yīng)力值也逐漸增加，同時材料發(fā)生斷裂的風(fēng)險也增加。拉應(yīng)力增長，材料斷裂的風(fēng)險增加。因此需要結(jié)合物理實驗對其進(jìn)行合并驗證。管坯在成形中，管坯的軸距降低，應(yīng)力變化也逐漸復(fù)雜。計算出軸距是橋殼機(jī)械式脹形工藝的重點(diǎn)。若發(fā)生了斷裂、起皺那么脹形則失敗，產(chǎn)品也無法進(jìn)行后期加工。因此在機(jī)械式脹形工藝中，在芯模推進(jìn)的過程中，管坯兩邊位置不增加限制，管坯兩邊向管坯中間的補(bǔ)給自由，降低了切口的受力，避免材料的斷裂和起皺。在完成脹形工藝之后，牙包的外部和模具貼合，管坯的長度應(yīng)當(dāng)與制件外部的長度相當(dāng)。機(jī)械式脹形工藝，管坯軸距減少，當(dāng)脹形成形到三分之一時，管坯的軸距縮短量呈現(xiàn)線性降低，這時利用擬合計算得到減少的具體數(shù)學(xué)曲線，從而能夠更加精確的控制脹形的尺寸和形狀。

總結(jié)

汽車橋殼機(jī)械式脹形工藝相對于傳統(tǒng)工藝其成形的效果更好，加工的效率更高，且能夠多次重復(fù)利用，降低了脹形的成本，有利于汽車加工的效益增加，是汽車加工企業(yè)生產(chǎn)工藝優(yōu)化的方向，也是現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的主要趨勢。

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