【技术帖】基于内高压成形的副车架管梁逆向重构降内压研究

在副车架上应用管材内高压成形技术的主机厂越来越多。内高压成形技术是通过在管材内部注入高压液体从而使管材贴模成形。内高压成形管件具有较好的复杂截面成形性、尺寸精度高、耐疲劳性好且无拼接焊缝，同时还兼具轻量化和低成本的优点。

副车架应用管材内高压成形技术目前存在的问题有：(1)对于应用内高压成形技术的副车架管梁，随着成形内压的大幅增加，其所需内高压成形设备合模吨位、高压源的压力和高压系统密封可靠性要求均会大幅增加，还会影响内高压成形模具的寿命，上述因素均与生产成本直接相关，因此，降低内高压成形零件的成形内压是降低内高压成形零件成本的根本途径；(2)对于应用内高压成形技术的副车架管梁，其成形内压数值的设置需满足零件贴模要求，成形内压随着管梁外凸圆角半径的减小而急剧增大，如管梁外凸圆角半径设计不合理或者非必要将会导致成形内压大幅增加，甚至达到超高压成形的250～400 MPa范围；管梁在内高压成形时，其外凸圆角处的材料流动摩擦阻力会随着成形内压的增大而增加，在此区域往往过度减薄甚至发生开裂，直接影响内高压成形零件的强度和耐久性。

崔晓磊等[1]利用试验法对内高压成形管梁进行了成形精度研究，结果表明合模力和成形内压对尺寸精度影响较大，通过可变合模力的加载方式可以提升管梁的成形精度。王娜[2]利用数值仿真技术对空间轴线类的后副车架主管进行了全工序仿真分析，包括弯管、预成形和内高压成形，最终确定了成形工艺参数并通过了试验考核。刘晓晶等[3]利用数值仿真技术和试验法对某前副车架内高压成形管梁成形工艺进行了研究，包括弯管参数、成形内压等对管梁成形精度的影响，结果表明数值仿真结果和试验结果吻合较好。国内针对内高压成形管梁降低成形内压的研究文献，尤其是基于内高压成形数值仿真的管梁逆向重构降内压研究的文献较少。

在保证成形精度的前提下，为实现内高压成形零件的低成形内压化的设计，降低生产成本，本文以某副车架内高压成形管梁为研究对象，提出了一种正向设计和逆向重构的低成形内压化的设计方法，主要包括管梁正向结构设计、内高压成形数值仿真研究，然后基于管梁低成形内压数值仿真结果模型进行逆向重构，最终完成样件试制并通过工艺试验和台架试验验证，在保证成形精度的前提下成形内压实现了大幅降低，从而有利于内高压零件生产成本的控制，为主机厂开发低成本化内高压成形零件提供了一定的技术参考。

1.1 结构设计

在正向设计内高压成形管梁截面时，需充分考虑其对可制造性和成形内压的影响，其中成形内压直接影响到内高压成形零件的成本，图1所示为应用内高压成形技术的副车架结构示例。

图1 应用内高压成形技术的副车架结构示例
Fig.1 Example of subframe structure using hydroforming technology

1.1.1 截面周长变化率要求

在正向设计内高压成形管梁的截面时，截面周长变化率η的绝对值要求不超过5%，截面周长变化率是指管梁截面周长沿其中心轴线的变化程度，管梁最大截面周长变化率可用下式计算：

(1)式中：ηmax为最大截面周长变化率；Cmax为最大截面周长；Cmin为最小截面周长。

本文研究的内高压成形管梁的截面变化见图2，截面形状从端头A-A处的矩形过渡到中间B-B处的椭圆形截面，最后再到端头D-D处异形截面；内高压成形管梁沿中心轴线的截面周长变化率见图3，变化率范围为-1.6%～2.0%，可见管梁截面变化较为均匀，最大截面周长出现在端头异形截面处。

图2 内高压成形管梁截面变化
Fig.2 Change of cross-section of hydroformed tubular beam

图3 内高压成形管梁的截面周长变化率
Fig.3 Change rate of cross-sectional perimeter of hydroformed tubular beam

1.1.2 最小圆角半径设计要求

内高压成形管梁的成形内压直接与管梁型面的圆角特征相关，管梁成形内压与其最小圆角半径成反比，可用下式估算成形内压：

(2)式中：Ph为成形内压估算值；t为零件壁厚；ReH为材料上屈服强度；Rm材料抗拉强度；Rmin为管梁最小圆角半径，本文研究的内高压成形管梁最小圆角半径示意图见图4。

图4 内高压成形管梁最小圆角半径示意图
Fig.4 Schematic diagram of the minimum radius of hydroformed tubular beam

因降低内高压成形零件的成形内压是降低内高压成形零件成本的根本途径，所以正向设计内高压成形管梁时最小圆角半径要求如下：Rmin≥3t(3)

1.1.3 分模设计要求

在正向设计内高压成形管梁结构时，不允许出现冲压负角，否则会导致其在内高压成形后上下模无法分模，另外还需在分模位置处设置拔模角和分模圆角，拔模角要求α≥10°，分模圆角半径要求Rspear≥10 mm。内高压成形管梁分模、拔模角和分模圆角示意图分别如图5和图6所示。

图5 内高压成形管梁分模示意图
(a)整体分模 (b)A-A截面分模 (c)B-B截面分模
Fig.5 Schematic diagram of hydroformed tubular beam parting
(a)Overall parting (b)A-A section parting (c)B-B section parting

图6 内高压成形管梁拔模角和分模圆角半径示意图
Fig.6 Schematic diagram of draft angle and parting fillet radius of hydroformed tubular beam

1.1.4 最小弯管半径设计要求

对于需要弯管的内高压成形零件，最小弯管半径要求为：

Rbmin≥2d

(4)式中：Rbmin为最小弯管半径；d为管梁外径。内高压成形管梁最小弯管半径示例见图7。

图7 内高压成形管梁最小弯管半径示意图
Fig.7 Schematic diagram of the minimum bending radius of hydroformed tubular beam

另外，对于需要弯管的内高压成形零件尽量使每个弯的弯曲半径相同，可降低弯管模具数，避免频繁换模，从而提高弯管工序的生产效率。

1.2 材料设计

本文研究的副车架内高压成形管梁的材料牌号和材料规格见表1，材料力学性能见表2。

表1 材料牌号和规格(mm)
Tab.1 Material grade and specifications(mm)

表2 材料力学性能
Tab.2 Mechanical properties of material

2.1 内高压成形工艺设计

关于内高压成形管梁行业内典型的成形工艺主要包括：弯管、预成形、内高压成形和激光切割，如图8所示。

图8 管梁内高压成形工艺过程
Fig.8 Hydroforming process of tubular beam

2.2 内高压成形全工序数值仿真研究

本文利用Autoform对管梁进行内高压成形全工序数值仿真，OP10弯管数值仿真结果见图9，采用Φ75 mm高频焊管，设置1个弯管半径，仿真结果显示最大减薄率为12.7%，满足要求，出现在弯角外侧。

图9 OP10弯管数值仿真结果
(a)成形性 (b) 减薄率
Fig.9 Numerical simulation results of OP10 bending
(a)Formability (b) Thinning rate

经数值仿真确认，本文研究的副车架管梁在弯管后无需进行常见的预成形工序，可直接进行内高压成形；OP20内高压成形数值仿真结果见图10，为了保证内高压成形管梁的成形精度，管梁成形内压采用205 MPa，结果显示管梁内高压成形性良好，无合模咬边问题，最大减薄率为20.5%，基本满足要求，同样出现在弯角外侧。

图10 OP20内高压成形数值仿真结果
(a)成形性 (b) 减薄率
Fig.10 Numerical simulation results of OP20 hydroforming
(a) Formability (b) Thinning rate

OP30激光切割和回弹数值仿真结果见图11，结果显示激光切割工艺性良好，最大回弹量为-0.5 mm，对产品影响较小，同样出现在管梁端头激光切割处。

图11 OP30激光切割及回弹数值仿真结果
(a)激光切割 (b) 回弹分析
Fig.11 Numerical simulation results of OP30 laser cutting and springback
(a) Laser cutting (b) Springback analysis

将回弹后的管梁内高压成形数值仿真结果模型以stl格式导出，利用Catia逆向处理模块将内高压成形数值仿真模型与产品初始模型进行贴模率分析。设定公差在±0.5 mm内为合格，管梁采用205 MPa成形内压，数值仿真模型的贴模率和偏差分析结果如图12所示，由结果可知仿真结果模型贴模率为98.4%，最大尺寸偏差为1.2 mm，成形精度较优。

图12 成形内压为205 MPa时初始管梁数值仿真模型精度分析
Fig.12 Accuracy analysis of numerical simulation model for intial tubular beam under hydroforming pressure of 205 MPa

为了保证内高压成形管梁的成形精度，管梁成形内压采用205 MPa较高水平不利于内高压成形管梁生产成本的控制。

2.3 基于低成形内压数值仿真结果模型逆向重构

管梁在正向设计后，往往由于其外凸圆角特征设计不合理或者非必要，导致成形内压大幅增加，由于成形内压与内高压成形零件的生产成本直接相关，因此为实现管梁的低成本化设计，可利用逆向重构技术对其进行降内压优化。

首先采用低成形内压95 MPa对管梁初始模型进行内高压成形全工序数值仿真，将管梁数值仿真模型与初始模型进行贴模率分析，如图13所示，结果可知模型贴模率为92.1%，最大尺寸偏差为1.9 mm，其成形精度较差，不满足工程设计要求。

图13 成形内压为95 MPa时初始管梁数值仿真模型精度分析
Fig.13 Accuracy analysis of numerical simulation model for initial tubular beam under hydroforming pressure of 95 MPa

然后基于管梁95 MPa内高压成形仿真结果模型，利用CAD逆向软件逆向重构内高压成形管梁，如图14所示。

图14 成形内压为95 MPa时管梁仿真模型逆向重构
Fig.14 Reverse reconstruction of tubular beam simulation model with hydroforming pressure of 95 MPa

之后以管梁逆向重构数据为基础再重构与其焊接搭接支架的数据，只需在支架与管梁搭接部位，对支架进行修边加长即可，如图15所示。

图15 以管梁逆向重构数据为基础重构与其焊接搭接支架示意图
Fig.15 Schematic diagram of reconstructing and welding overlapping brackets based on reverse reconstruction data of tubular beam

成形内压为95 MPa时管梁经逆向重构后的数值仿真结果与逆向重构模型尺寸偏差分析如图16所示，其仿真结果模型贴模率为98.4%，最大尺寸偏差为1.0 mm，在弯角外侧漏液凸台位置(图17)，偏差并不影响产品功能，其尺寸精度已满足工程设计要求。

图16 管梁逆向重构后成形内压为95 MPa时数值仿真模型精度分析
Fig.16 Accuracy analysis of numerical simulation model after reverse reconstruction of tubular beam with hydroforming pressure of 95 MPa

图17 管梁最大贴模偏差
Fig.17 The maximum pasting deviation of tubular beam

内高压成形管梁截面线对比如图18所示，包括初始模型、205 MPa内高压仿真结果模型、95 MPa内低压仿真结果模型、基于内低压仿真结果逆向重构模型和经逆向重构95 MPa内低压仿真结果模型的截面线对比。

图18 内高压成形管梁截面线对比
Fig.18 Comparison of section lines of hydroformed tubular beams

不同模型不同成形内压下的数值仿真结果对比见表3，由表可知，为保证管梁的成形精度，初始模型成形内压采用205 MPa较高水平，不利于内高压成形管梁生产成本的控制，管梁经逆向重构后的模型成形内压仅需95 MPa，其成形精度即可同初始模型在205 MPa下的成形精度保持一样的贴模率水平，为98.4%；利用逆向重构技术实现管梁成形内压降低53.7%，最大贴模偏差降低16.7%，同时还实现最小壁厚增加2.9%。

表3 不同结构在不同成形内压下数值仿真结果对比
Tab.3 Comparison of numerical simulation results under different hydroforming pressures of different structures

综上所述，在正向结构设计的基础上，利用逆向重构技术进行降内压，可有效降低成形内压，从而实现内高压成形零件成本降低，同时还能大幅提升内高压成形结构副车架虚拟样机的开发效率和降低开发成本。

3.1 产品数值仿真验证

依据内高压成形管梁逆向重构模型、与其焊接搭接支架重构以及副车架其余部件的产品数据，利用Hypermesh进行前处理并建立副车架系统耐久数值仿真模型，然后利用Abaqus进行求解和后处理，具体过程本文不再赘述；应用内高压成形管梁的副车架总成典型耐久工况的应力满足要求，如表4所示。

表4 副车架总成典型耐久工况数值仿真结果
Tab.4 Numerical simulation results of typical durable working conditions of subframe assembly

3.2 工艺试验验证

依据内高压成形管梁逆向重构模型和与其焊接搭接支架的重构数据，完成了内高压成形管梁及副车架总成的样件试制，如图19所示。

图19 内高压成形管梁(a)及副车架总成(b)样件试制
Fig.19 Samples trial production of hydroformed tubular beam (a) and subframe assembly (b)

针对内高压成形管梁试制样件，分别利用激光扫描设备和超声设备完成型面尺寸检测和壁厚检测，如图20所示。

图20 内高压成形管梁型面尺寸(a)和壁厚(b)检测
Fig. 20 Measurement of surface dimensions (a) and wall thickness (b) of hydroformed tubular beam

管梁成形内压、最大贴模偏差和最小壁厚的试验值与仿真值对比结果见表5，由表可知，相比初始模型205 MPa成形内压下的结果，利用逆向重构技术后管梁仅需95 MPa既能满足成形精度要求，又能最终实现成形内压降低53.7%，最大贴模偏差降低25.0%，同时实现最小壁厚增加2.9%；另外，由管梁逆向重构后的最大贴模偏差和最小壁厚的试验值和仿真值对比可知，误差率均在15%之内，表明管梁内高压成形数值仿真结果和实物验证结果有较好的一致性。

表5 内高压成形管梁尺寸和壁厚的试验值与仿真值对比
Tab.5 Comparison of experimental and simulated values for size and wall thickness of hydroforming tubular beams

综上所述，内高压成形管梁应用了正向设计和逆向重构的设计方法，在保证成形精度的前提下成形内压实现了大幅降低，从而有利于内高压零件生产成本的控制。

3.3 台架试验验证

依据某企业标准对应用内高压成形管梁的副车架总成进行悬架系统耐久台架试验，见图21，最终通过了台架试验150%耐久性考核，满足当量用户24万公里耐久要求。

图21 应用内高压成形管梁的副车架总成台架试验
Fig.21 Bench test of subframe assembly using hydroformed tubular beams

(1)在正向设计副车架内高压成形管梁时，需要满足截面周长变化率、最小圆角设计、分模设计和最小弯管半径等要求。

(2)利用数值仿真技术对管梁初始模型进行了全工序数值仿真研究，然而尽管采用内压250 MPa时管梁的成形精度较高，但该条件不利于内高压成形管梁生产成本的控制。

(3)利用逆向重构技术对管梁完成逆向重构，其在95 MPa成形内压下的成形精度几乎与初始模型在205 MPa成形内压下的成形精度一致。

(4)依据逆向重构模型完成了管梁以及副车架总成的样件试制，在95 MPa成形内压下经实物验证，相比初始模型205 MPa成形内压下的仿真结果，利用逆向重构技术后管梁仅需95 MPa即可满足成形精度要求，最终实现成形内压降低53.7%，最大贴模偏差降低25.0%，同时实现最小壁厚增加2.9%；另外，由管梁逆向重构后的最大贴模偏差和最小壁厚的试验值和仿真值对比可知，误差均在15%之内，表明管梁内高压成形数值仿真结果和实物试验值有较好的一致性；应用内高压成形管梁的副车架总成最终通过了台架试验150%耐久性考核。