雙拐曲軸是汽車發(fā)動機中的關(guān)鍵部件，對發(fā)動機整體性能有較大的影響，其性能的好壞直接影響汽車的壽命。采用鍛造工藝和鑄造工藝已經(jīng)不能滿足汽車對雙拐曲軸高精度，高性能和低成本的要求。采用內(nèi)高壓成形脹形工藝制備雙拐曲軸具有整體成形、流線連續(xù)分布、組織致密、強度高、質(zhì)量輕、綜合力學(xué)性能優(yōu)越、成本低，易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)勢。

　　工程領(lǐng)域主要從兩個方面實現(xiàn)汽車輕量化。材料上多采用鋁鎂合金及復(fù)合材料等輕質(zhì)材料和具有較高比強度的高強鋼材料，而輕質(zhì)材料及高強鋼在冷成形過程中塑性較差，只能制造結(jié)構(gòu)較簡單的零件，不適用于具有彎曲軸線和變截面的復(fù)雜構(gòu)件;結(jié)構(gòu)上可采用整體成形的空心構(gòu)件代替原焊接、鑄造件，在保證零件精度、承載強度及安全性的同時，有效實現(xiàn)車體自身減重，因此，零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和成形工藝的改進成為實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑。

　　內(nèi)高壓整體成形工藝實施難度較大，對工藝參數(shù)的匹配關(guān)系要求較高。對于雙拐曲軸的內(nèi)高壓成形過程，其影響因素主要有加載路徑，包括管內(nèi)壓力與時間的關(guān)系、左右兩端軸向進給與時間的關(guān)系以及管材潤滑條件等方面。

　　通過對雙拐曲軸的內(nèi)高壓成形脹形工藝過程進行有限元模擬，分析不同加載路徑對雙拐曲軸脹形效果的影響規(guī)律，可獲得了雙拐曲軸脹形的最佳工藝參數(shù)。然后基于數(shù)值模擬結(jié)果，對雙拐曲軸進行實際成形試驗，可獲得較好的試驗結(jié)果。

　　零件尺寸及工藝分析

　　雙拐曲軸具有變截面空心結(jié)構(gòu)，其截面形狀是圓形，雙拐曲軸的集合尺寸見下圖：

　　雙拐曲軸集合尺寸機典型截面位置

　　雙拐曲軸的初始管徑為38mm,壁厚為1mm,長度為140mm,截面A-A處管徑從38mm變化到50.5mm,最大膨脹量為33%。雙拐曲軸是傳遞扭矩和力的零件，因此研究采用強度高、韌性好的SS304奧氏體不銹鋼最為材料，對雙拐曲軸的幾何模型的典型截面周長進行分析見下表：　

　典型截面周長及管坯直徑

　　雙拐曲軸的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括內(nèi)壓力大小、左右沖頭進給量。內(nèi)高壓成形是內(nèi)壓和軸向進給補料聯(lián)合作用的復(fù)雜成形過程，因此它們之間的匹配關(guān)系對管件的成形性能影響非常大。內(nèi)壓較低，軸向進給過大，會使得軸向進給的材料無法及時向拐部流動，在拐部圓角處和管坯端部堆積，形成褶皺;內(nèi)壓較大，軸向進給過小，材料無法及時向拐部補充，會使得拐部變得越來越薄，直至破裂。

　　有限元模型的建立

　　雙拐曲軸內(nèi)高壓脹形的有限元模型見下圖。該模型包含模具、管坯、左沖頭、右沖頭等 4 個部分， 模具和沖頭劃分為剛性單元，數(shù)值模擬時考慮板料的各向異性，選用材料庫中 36 號材料模型。管坯材料為不銹鋼 SS304，其摩擦因數(shù)為 0.1，泊松比為 0.28，屈服強度為 245 MPa，抗拉強度為 408 MPa，材料密度為 7850 kg/m3，硬化指數(shù) n 為 0.32， 強化系數(shù) K 為 537 MPa，材料的本構(gòu)關(guān)系為。

　　SS304不銹鋼雙拐曲軸內(nèi)高壓成形有限元模型

　　加載路徑對雙拐曲軸壁厚分布及脹形高度的影響

　　雙拐曲軸成形過程中內(nèi)壓和軸向進給的關(guān)系是決定成形與否的關(guān)鍵性因素，因此在數(shù)值模擬和實際成形試驗時內(nèi)高壓加載必須遵循以下準(zhǔn)則：加載峰值不得超過材料的最大整形壓力，一般為材料屈服強度的 1/3～1/10;成形初期壓力應(yīng)盡快達(dá)到材料的屈服強度，防止出現(xiàn)起皺缺陷;成形后期，保壓一定時間，在較高內(nèi)壓作用下，管坯充分貼模。

　　基于上述設(shè)計原則，雙拐曲軸內(nèi)高壓成形過程設(shè)置了5條加載路徑，5種載荷路徑分別定義為路徑1～5。5種加載路徑的液壓和鍛造工步不同，最后的整形壓力相同。

　　加載路徑1的液壓脹形壓力為20MPa，在后續(xù)的鍛造階段保持該數(shù)值;加載路徑2的液壓脹形力為40MPa，在后續(xù)的鍛造階段保持不變;加載路徑3的液壓脹形力為30MPa，在后續(xù)的鍛造階段保持不變;加載路徑4的液壓脹形力為35MPa，在后續(xù)的鍛造階段保持不變;加載路徑5的液壓脹形力為35MPa，在后續(xù)的鍛造階段壓力線性增加到40MPa。加載路徑1～5的軸向進給量一樣，為17mm。

　　模擬時的 5 種加載路徑

　　加載路徑1由于液壓脹形階段和鍛造階段壓力較低，管坯材料無法周向擴展，軸向繼續(xù)進給，導(dǎo)致壁厚逐漸增加向內(nèi)產(chǎn)生起皺，出現(xiàn)折疊。情況嚴(yán)重時，即便后續(xù)整形壓力非常高也無法消除褶皺。下圖可以明顯看到拐部底端變形區(qū)的折疊。

　　加載路徑1的模擬結(jié)果及FLD

　　加載路徑2，由于在液壓脹形階段的壓力過高，而此時的軸向進給較小，軸向進給不能補償周向變形量，拐部頂端壁厚越來越薄，使得拐部頂端在未貼模時發(fā)生破裂。

　　加載路徑2的模擬結(jié)果及FLD

　　根據(jù)加載路徑1和加載路徑2的模擬結(jié)果可知，液壓脹形階段的壓力不能太高或者太低，合理的脹形壓力應(yīng)該在30～35MPa之間，在這個壓力范圍設(shè)置后3組加載路徑。加載路徑5的模擬結(jié)果可以看出，曲軸拐部頂端最薄，拐部底端以及主管端部最厚，并且減薄率控制在允許范圍之內(nèi)，拐部頂端貼模，成形零件合格。

　　加載路徑 5 的模擬結(jié)果

　　不同加載路徑成形下脹形高度和壁厚最大減薄率不同：當(dāng)選擇加載路徑3時，脹形高度達(dá)到31.1mm，為最小值;而加載路徑4，5對應(yīng)的脹形高度均為31.5mm，為最大值。從下表中可以看出，在軸向進給一定的情況下，隨著脹形壓力的增大，脹形高度增加，但是壓力增大到一定值后，脹形高度保持不變，而減薄率會隨脹形壓力的增大繼續(xù)增大。雖然加載路徑3下，較小的成形壓力對應(yīng)較小的壁厚減薄率，但是脹形高度不能滿足要求，所以，最終選擇加載路徑5為加載方式。

　　不同加載路徑成形下脹形高度和壁厚最大減薄率

　　雙拐曲軸的內(nèi)高壓成形試驗研究

　　雙拐曲軸實際成形工藝路線為：先將304不銹鋼管通過鋸床下料得到200mm的管坯，再選擇專用的表面涂層作為潤滑劑涂刷于管坯的外表面，然后將管坯放入模具型腔后合模，按有限元模擬的工藝參數(shù)設(shè)定工藝值，并在向管坯內(nèi)輸入高壓油的同時，沖頭對管坯進行壓縮。待試驗程序走完全程，將成形的雙拐曲軸件取出。

　　雙拐曲軸內(nèi)高壓脹形試驗?zāi)＞?/font>

　　四柱式內(nèi)高壓成型設(shè)備

　　應(yīng)用加載路徑1，2，5 的試驗結(jié)果見下圖。脹形壓力和軸向進給匹配較為適當(dāng)時的脹形結(jié)果見圖a(路徑5)，從圖a中可以看出，雙拐曲軸既無起皺，也無開裂。從圖b可以看出，當(dāng)脹形高度很低時，雙拐曲軸就已經(jīng)出現(xiàn)破裂，破裂的主要原因是前期壓力過大，軸向進給過小，不能提供足夠的材料用以周向擴展，導(dǎo)致過度減薄直至破裂。從圖c可以看出，起皺的部位在曲軸圓角過渡處，起皺的主要原因是因為前期壓力較低，使金屬流動緩慢，軸向變形來不及轉(zhuǎn)化為周向變形，材料在根部產(chǎn)生聚集，形成起皺。

　　不同加載路徑下雙拐曲軸的試驗結(jié)果

　　再對零件a壁厚進行分析：將零件表面油污清洗后，表面光滑無凹坑和劃痕，表面成形質(zhì)量好;沿軸向方向?qū)㈦p拐曲軸用線切割切開進行厚度測量,選取截面上的12個點進行厚度測量,并與模擬結(jié)果進行比較。

　　比較顯示：壁厚分布差異較大，曲軸拐部頂端(5點)處壁厚最薄，向兩側(cè)沿軸向方向壁厚逐漸增加，曲軸拐部底端(1點)處壁厚最厚。厚度分布方面，試驗值和模擬值基本吻合。

　　沿曲軸軸向方向截面壁厚分布對比

　　模擬及實驗結(jié)果對比可知，實際成形的雙拐曲軸拐部脹形高度與長度均滿足設(shè)計尺寸要求。

　　模擬及實驗結(jié)果對比

　　模擬和實驗結(jié)果

　　通過數(shù)值模擬優(yōu)化雙拐曲軸內(nèi)高壓成形工藝參數(shù)，選擇加載路徑5為最佳工藝，其內(nèi)壓力為50 MPa，左、右沖頭推進距離為17 mm，摩擦因數(shù)為 0.1;采用此優(yōu)化加載路徑可以避免雙拐曲軸零件出現(xiàn)起皺和破裂的缺陷，獲得脹形高度為 31.5 mm 及壁厚分布均勻的雙拐曲軸零件;實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。