驅(qū)動橋殼整體復合脹形工藝設計及變形分析

驅(qū)動橋殼整體復合脹形工藝設計及變形分析摘要：介紹了汽車行業(yè)及驅(qū)動橋殼的市場需求，在現(xiàn)有成形工藝基礎上，提出了一種驅(qū)動橋殼復雜結(jié)構(gòu)成形的新的加工工藝，設計了與該工藝相匹配的關(guān)鍵工序。針對核心工序驅(qū)動橋殼整體復合脹形，采用有限元法對整體復合脹形變形過程進行驗證分析，結(jié)果表明：開槽管坯脹形溫度為60CTC時，脹形過程最大應力值達到243MPa,能夠滿足驅(qū)動橋殼成形需求。關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋殼；整體復合脹形；開槽管坯；為了更好地適應國家政策和市場發(fā)展需求，作為車輛重要零部件的驅(qū)動橋殼，起到支承驅(qū)動車輛的主減速器、差速器和半軸等，并固定左、右驅(qū)動輪的軸向相對位置以及承受汽車載荷傳遞給車輪等作用。驅(qū)動橋殼除應具備結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，便于拆裝、調(diào)整、維修和保養(yǎng)等優(yōu)點外，在動載荷條件下，還應具有足夠的強度、剛度和疲勞壽命。隨著有限元技術(shù)的成熟，其在橋殼設計中也有很多應用，包括橋殼的靜力分析、模態(tài)分析、諧響應分析、疲勞分析等。因此，本文作者介紹了現(xiàn)有驅(qū)動橋殼成形工藝，并在此基礎上提出一種驅(qū)動橋殼復雜結(jié)構(gòu)成形的新加工工藝，并進行與該工藝相匹配的關(guān)鍵工序設計，最后采用有限元法對整體復合脹形變形過程進行驗證分析。該技木相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及裝備，已獲得國家授權(quán)發(fā)明專利和實用新型專利保護。1工藝設計1.1現(xiàn)有成形技術(shù)分析根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，驅(qū)動橋殼可分為整體式橋殼和分段式（裝配式）橋殼。根據(jù)成形工藝的不同，整體式驅(qū)動橋殼可分為鑄造橋殼、沖焊橋殼、機械擴脹橋殼和液壓脹形（內(nèi)高壓成形）橋殼。目前，國內(nèi)驅(qū)動橋殼多采用傳統(tǒng)的鑄造橋殼和沖壓焊接橋殼。而驅(qū)動橋殼液壓脹形是一種新工藝，與鑄造和沖壓焊接方法相比，具有壁厚分布合理、材料利用率高、節(jié)能降耗、加工工序少，無焊縫、質(zhì)量輕、強度高等優(yōu)點，但效率較低，同時由于設備能力的限制，無法提供足夠大的液體成形壓力及相應的密封技術(shù)，目前只應用于中小橋殼的成形，是一種滿足汽車輕量化要求的先進制造技術(shù)。另外，機械擴脹工藝因具有材料利用率高、質(zhì)量輕、強度高、焊接工作量少、對設備要求較低和成本低等優(yōu)點，而被廣泛關(guān)注。但脹形時，橋殼在工藝孔端II處易出現(xiàn)橫向裂紋，在琵琶包內(nèi)側(cè)的中間區(qū)域易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，嚴重影響橋殼的工作強度和后續(xù)加工，成為該工藝的難點。1.2整體復合脹形工藝根據(jù)驅(qū)動橋殼成形工藝，結(jié)合機械擴脹和液壓脹形工藝優(yōu)勢，提出了驅(qū)動橋殼整體復合脹形工藝，在同一系統(tǒng)中同時解決脹形過程穩(wěn)定化、反復脹形去應力、脹形補料與端面密封等技術(shù)難題，突破了液壓脹形在形狀（球形）、超高壓和安全等方面的限制，利用機械脹形和液壓脹形的協(xié)同效應，實現(xiàn)了驅(qū)動橋加工過程中的脹形力實時穩(wěn)定可棠控制和驅(qū)動橋壁厚的合理分布。該工藝的關(guān)鍵工序為驅(qū)動橋殼整體脹形成形部分，涉及開槽管坯成形、開槽管坯加熱和整體復合脹形工序，其中開槽管坯成形和開槽管坯加熱工序是整體復合脹形工序的前提條件。1.3關(guān)鍵工序設計與分析根據(jù)工藝流程，以某型號驅(qū)動橋殼為例，提取該型號驅(qū)動橋殼中段（需要脹形成形提供毛坯部分，壁厚為16mm,成形總長為1665mm，沿長度方向展開確定鋸床切割成段長度為1730mm,兩端預留加工余量修邊切除和打?qū)钙翴R以此為例進行關(guān)鍵工序設計。1.3.1開槽管坯成形經(jīng)鋸床切割成段后，在矩管管坯的2個開槽加工面上鐵削孔，孔徑為槽的寬度30mm,同一加工面上兩孔之間的距離為開槽長度1000mm；飩削孔后，飩刀沿管坯的軸向方向飩削8mm：再用組合刀具同時切削管坯一個加工而上槽的兩條邊，且可至少2件管坯同時加工；翻轉(zhuǎn)管坯，用組合刀具切削管坯另一加工面上槽的兩條邊，得到開槽管坯。組合刀具包括刀桿、設置在刀桿上的飩刀和定位套筒，兩端分別通過側(cè)固式刀柄和回轉(zhuǎn)頂針安裝在飩床上。刀桿上可設置2組及2組以上飩刀，每組飩刀包括2片鋸片飩刀，2片飩刀之間的距離為槽的寬度30mm,每組飩刀間距大于管坯開槽面寬度。組合刀具安裝到現(xiàn)有加工機床，加工出的開槽管坯尺寸精度高，可以滿足后面工序的毛坯要求。1.3.2開槽管坯加熱根據(jù)工藝特點，設計驅(qū)動橋殼開槽管坯的中頻感應加熱系統(tǒng)，主要由中頻電源、中頻加熱裝置、加熱溫度控制裝置和冷卻裝置等組成。采用中頻感應加熱方式，利用渦流加熱原理,感應線圈與開槽管坯不直接接觸，將能量直接作用于開槽管坯，溫度可控、加熱速度快、熱效率高。1.33整體復合脹形該工序是驅(qū)動橋殼整體復合脹形工藝的核心，是在外模約束下，通過內(nèi)模裝置進行連續(xù)液壓機械脹形，實現(xiàn)整體復合脹形。其工作原理是：將加熱到600°C的開槽管坯放入脹形外模內(nèi)；脹形內(nèi)模組件從管坯的左側(cè)內(nèi)孔伸入，與外凹模對位管坯脹形變形區(qū)；脹形內(nèi)模組件與右側(cè)液壓推力裝置連接；脹形上外模卜行合模，外模對管坯實現(xiàn)定位約束；利用位于脹形內(nèi)模組件兩端的液壓推力裝置，分別向脹形內(nèi)模組件施加相等且平行于管坯軸向方向的推力,在連桿機構(gòu)的作用下，推力分解為作用在上模塊和下模塊上并垂直于管坯軸向方向的推力垂直分力和平行于管坯軸向方向的推力平行分力；利用壓力發(fā)生裝置，向上模塊和下模塊施加垂直于管坯軸向方向的壓力；管坯受到的脹形力為推力垂直分力和軸向壓力的合力，實現(xiàn)整體復合脹形變形；變形完成時，保壓30s；最后卸載，退模，取出成形工件。根據(jù)工作原理，設計整體復合脹形裝置結(jié)構(gòu)簡圖。該裝置輸出脹形力，主要由兩端液壓推力裝置的水平推力分解到垂直方向的推力和脹形內(nèi)模組件壓力發(fā)生裝置的垂直推力組成，且結(jié)合位移、受力等參數(shù)的反饋控制，實現(xiàn)開槽加熱管坯的上下對稱脹形，發(fā)生連續(xù)的彈性和塑性變形，工序集中、生產(chǎn)效率高、成形速度快。2整體復合脹形變形分析針對核心工序驅(qū)動橋殼整體復合脹形的開槽管坯的變形過程，采用有限元法進行驗證分析。2.1有限元建模利用三維建模軟件，根據(jù)尺寸建立開槽管坯和模具模型。在有限元軟件中進行前處理：（1）對幾何模型劃分網(wǎng)格，建立有限元網(wǎng)格模型。（2）分別在開槽管坯的兩端和中間部位施加約束，對于脹形模具施加剛體約束，其中內(nèi)模約束X、y?2個方向平動和3個方向的轉(zhuǎn)動自由度，上下外模施加全部約束。(3)在內(nèi)模表面節(jié)點施加均布載荷，分別指向z軸正負方向。(4)建立開槽管坯與內(nèi)模、上下外模的接觸，定義管坯為可變形接觸體，內(nèi)外模為剛性接觸體，賦予己知條件，建立的整體有限元模型。2.2結(jié)果分析在管坯脹形變形過程中，管坯變形力通過管坯表面與內(nèi)外模表面接觸傳遞，控制管坯與外模不動，在內(nèi)模上施加z軸正負向位移和脹形所需要的外力，隨著內(nèi)模位移的增大，外力值逐漸變化。經(jīng)數(shù)值計算，得到開槽加熱管坯變形應力(v-m)分布圖。開槽加熱管沿水平縱截面和軸向橫截面對稱，取開槽加熱管的端部和中部有限元網(wǎng)格7個特征單元點進行結(jié)果分析，得到特征單元點的應力變化規(guī)律。在脹形中后期，中部各特征點應力值下降明顯，其原因是開槽中部與外模接觸，受到內(nèi)膜和外模擠壓作用，管坯變形減小，合應力也減??；脹形繼續(xù)進行，管坯變形增大，合應力也增大。3結(jié)束語介紹了現(xiàn)有驅(qū)動橋殼成形工藝，并提出了一種驅(qū)動橋殼復雜結(jié)構(gòu)成形的新的加工工藝一一驅(qū)動橋殼整體復合脹形工藝，與該工藝相匹配的關(guān)鍵工序是：通過開槽管坯成形和加熱的準備，采用整體復合脹形裝置輸出脹形力，對管坯進行上下對稱脹形，驅(qū)動橋殼發(fā)生連續(xù)的彈性和塑性變形。針對核心工序驅(qū)動橋殼整體復合脹形，采用有限元法對整體復合脹形變形過程進行驗證分析，結(jié)果表明：開槽管坯脹形溫度為600°C時，脹形過程最大應力值達到243MPa,能夠滿足驅(qū)動橋殼成形需求。參考