嚴(yán)格

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545000）

0 引言

汽車燃油箱作為汽車燃油貯存及向發(fā)動(dòng)機(jī)供油的關(guān)鍵部件，需頻繁進(jìn)行燃油的加注和向各管路輸油，屬于國家強(qiáng)制安全認(rèn)證產(chǎn)品。燃油箱體通過通風(fēng)管口與加油管路連接，排氣管口與排氣歧管連接，實(shí)現(xiàn)加注燃油的功能。燃油箱主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

燃油箱進(jìn)油管由于同時(shí)需要與燃油箱、通風(fēng)管口連接，故其結(jié)構(gòu)多為回轉(zhuǎn)體空心管型件，截面復(fù)雜。同時(shí)，燃油箱進(jìn)油管對(duì)密封性、強(qiáng)度和耐腐蝕性有很高的要求，在采用防火金屬材料制造復(fù)雜截面形狀進(jìn)油管時(shí)需要很高的制造精度，燃油箱蓋能固定到進(jìn)油管的端口上起到燃油箱密封作用；在進(jìn)行進(jìn)油管與燃油箱和進(jìn)氣管連接前，通常需要在進(jìn)油管表面涂覆涂層，一般采用表面鍍鋅或其他防腐耐油涂層處理，目前的連接方法多以焊接為主（包括弧焊和釬焊），但弧焊和釬焊焊接時(shí)溫度較高，這需要材料具有優(yōu)良的耐熱性，焊接后仍能保持良好的耐腐蝕性，這對(duì)傳統(tǒng)成型工藝提出了很高的挑戰(zhàn)。

圖1 燃油箱主體結(jié)構(gòu)圖

管材充液成型技術(shù)（THF）是20世紀(jì)70年代末以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化為目標(biāo)而發(fā)展起來的一種先進(jìn)成型技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景引起了世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家的廣泛重視[1-2]。充液成型作為加工輕量化結(jié)構(gòu)的新途徑之一，憑借其具有更高的成型極限、更好的成型質(zhì)量及易于成型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)而受到日益廣泛的關(guān)注[3]。管材充液成型工藝是將一根預(yù)制的管坯放入設(shè)計(jì)好的模具型腔內(nèi)，密封、閉合模具、注入液體介質(zhì)，在液壓力和軸向推力的共同作用下使管坯發(fā)生塑性變形并貼合模具，形成模具型腔的形狀，得到高精度的具有復(fù)雜模具型腔形狀的中空薄壁管類零件。相對(duì)傳統(tǒng)沖壓工藝，內(nèi)高壓充液成型技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效率、高產(chǎn)能、制件輕量化的主要技術(shù)，是未來管式密閉零件制造的發(fā)展趨勢(shì)。

1 零件特征及材料分析

1.1 零件特征分析

圖2所示為某車型燃油箱進(jìn)油管縮口預(yù)變形處理前后規(guī)格，管坯端口縮口前外徑為51 mm中通圓管，縮口后端口外徑為31 mm，同時(shí)軸線發(fā)生了5 mm的位移。圖3所示為進(jìn)油管成型零件二維特征分析，由截面分析可知，零件上端口進(jìn)行縮口處理，縮口后端口外徑減小，壁厚增厚，最小增厚3%，最大增厚不超過80%。下端口先進(jìn)行擴(kuò)口預(yù)變形處理，管坯外徑由51 mm增大至62.7 mm。根據(jù)管坯端口縮口、擴(kuò)口預(yù)變形處理后尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)規(guī)格的堵頭對(duì)管坯進(jìn)行密封，再通入液體進(jìn)行內(nèi)高壓充液成型并最終貼模，管坯壁厚由1 mm減至0.5 mm，上下端口環(huán)形截面不同軸。零件中定位孔所在形面有較高的輪廓度要求，管坯貼模后能滿足精度要求。

圖2 進(jìn)油管端口縮口前后規(guī)格

圖3 零件特征分析

由零件特征分析可知，該燃油箱進(jìn)油管為典型的非共直軸線變截面空心管材零件，管材壁薄但變形量大，通過先后進(jìn)行管坯端口縮口、擴(kuò)口預(yù)變形處理，管材充液成型工藝可以有效地解決該零件復(fù)雜整體成型工藝的問題，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)效率的提升。

1.2 零件選材分析

汽車燃油箱及所有的連接部位均有密封性、強(qiáng)度、耐壓性和耐腐蝕性的要求，應(yīng)用防火金屬材料制成。經(jīng)綜合考慮，在該車型燃油箱進(jìn)油口管道中，選用的管坯材料為SUS304L不銹鋼，該零件化學(xué)成分如表1所示。

表1 SUS304L不銹鋼材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

SUS304L不銹鋼為奧氏體基本鋼種，具備SUS304L所有特性，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和耐熱性，同時(shí)兼?zhèn)淞己玫牡蜏貜?qiáng)度和力學(xué)性能。作為一種單相奧氏體組織，進(jìn)行熱處理后不會(huì)產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。在進(jìn)行焊接后或者消除應(yīng)力處理后，亦能保持良好耐蝕性；深沖性、拋光性優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于抗晶間腐蝕性高的化學(xué)、煤炭、石油環(huán)境中器械和設(shè)備中，其基本物理性能如表2所示。

表2 SUS304L不銹鋼材料基礎(chǔ)物理性能

2 工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真優(yōu)化

2.1 工藝路線設(shè)計(jì)

該燃油箱進(jìn)油管整個(gè)成型工藝流程主要包括管坯下料、管坯端口縮口預(yù)變形、管坯端口擴(kuò)口預(yù)變形、管材充液整形等4個(gè)工序，如圖4所示。

圖4 進(jìn)油管充液成型工藝路線設(shè)計(jì)

在進(jìn)油管的整個(gè)充液成型工藝流程中，首先需要對(duì)管坯端口進(jìn)行縮口預(yù)變形處理，同時(shí)對(duì)另一端口進(jìn)行擴(kuò)口預(yù)變形處理，其中縮口預(yù)變形處理后管坯材料會(huì)硬化，需進(jìn)行退火工藝處理；將預(yù)變形處理后的管坯放到模具中并用相應(yīng)規(guī)格的密封堵頭進(jìn)行密封處理，合模并充入高壓液體進(jìn)行脹形并最終貼模。整個(gè)過程是進(jìn)油管充液成型工藝方案的核心，也是決定最終成型成功與否的關(guān)鍵。在進(jìn)油管充液成型工藝實(shí)施前，先對(duì)其建立模型并進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而進(jìn)行工藝分析，可以極大地提高成型成功率和成型效率。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)確定

在制定進(jìn)油管充液成型工藝前，先要根據(jù)所采用的管坯計(jì)算出其初始塑性變形液壓力Ps、整形液壓力Pc及設(shè)備最小合模壓力Pn等參數(shù)，因?yàn)檫@些參數(shù)是進(jìn)行充液成型工藝可行性分析和相關(guān)充液成型設(shè)備規(guī)格選擇的依據(jù)。計(jì)算這些參數(shù)主要根據(jù)初始管坯的壁厚t0、直徑D0、最小特征圓角半徑rc，而這些管坯參數(shù)是可以直接測(cè)量獲得，導(dǎo)入經(jīng)驗(yàn)公式中便可計(jì)算出Ps、Pc、Pn，并用于指導(dǎo)實(shí)踐管材充液成型過程[4]。

式中：k為速度系數(shù)；σs為材料屈服強(qiáng)度；Dt為縮口后管材中徑；α為擴(kuò)口角度。

根據(jù)擴(kuò)徑變形的特點(diǎn)，查閱資料，擴(kuò)徑力的計(jì)算公式為

式中：D為管材擴(kuò)徑后的最大直徑；σb為材料抗拉強(qiáng)度；F為擴(kuò)徑面積。

2.3 管材預(yù)成型工序仿真模型建立與工藝優(yōu)化

針對(duì)上文設(shè)計(jì)的工藝路線，在管材充液成型工序前先進(jìn)行管坯端口縮口、擴(kuò)口預(yù)變形處理[5]，在縮口預(yù)變形處理過程中為了避免一次縮口變形太大造成失穩(wěn)，本文采用通過更換縮口模具分四步逐漸進(jìn)行縮口成型，這樣大大減輕了縮口傳力區(qū)產(chǎn)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)；設(shè)計(jì)相應(yīng)規(guī)格的擴(kuò)口模具，對(duì)管坯的另一端進(jìn)行擴(kuò)口預(yù)變形處理。

針對(duì)零件特征，本文采用Catia v5 r21軟件進(jìn)行管坯零件及相關(guān)模具三維形面建模，然后導(dǎo)入到數(shù)值分析軟件Dynaform 5.9.4中進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)工藝分析，可以將預(yù)成型過程分為管坯端口縮口、擴(kuò)口和合模3個(gè)工步，建立數(shù)值仿真模型如圖5所示。

2.4 充液成型工序仿真模型建立與工藝優(yōu)化

在管材充液整形工序中，利用密封推頭對(duì)管坯兩端進(jìn)行剛性密封，并往管坯內(nèi)充入高壓乳化液體。隨著液壓力的增大，管坯發(fā)生塑性變形并最終貼模成型。由于零件壁薄但脹形范圍大，為避免脹形過程中變形區(qū)發(fā)生破裂，因此側(cè)推推頭補(bǔ)料量對(duì)零件最終成型效果影響較大。在數(shù)值模擬過程中，重點(diǎn)研究補(bǔ)料量、內(nèi)壓力對(duì)零件貼模度的影響。

由于不同的液壓力影響管坯零件的貼模度，同時(shí)由于管坯變形量大，推頭補(bǔ)料量對(duì)貼膜度也有很大的影響。由圖7所示，當(dāng)內(nèi)壓力達(dá)到42 MPa，補(bǔ)料量為40 mm時(shí)，管坯與模具完全貼合。當(dāng)補(bǔ)料量不夠時(shí)，隨著內(nèi)壓力的增大，在管材貼膜前已經(jīng)容易發(fā)生破裂。所以在充液成型過程中，隨著內(nèi)壓力的增大，兩推頭也需按照一定的速度進(jìn)行相向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)料。

圖5 管材預(yù)成型工序仿真模型建立

圖6 終成型數(shù)值模型

圖7 內(nèi)壓力、推頭補(bǔ)料量與貼模間隙

圖8 最終成品零件

3 結(jié)語

1）管材充液成型工藝適用于汽車燃油箱進(jìn)油管的整體成型及大批量生產(chǎn)；2）進(jìn)行充液成型工藝前對(duì)管坯端口進(jìn)行縮口、擴(kuò)口預(yù)變形處理，以確保后續(xù)充液整形工序的密封效果，同時(shí)降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)整形難度，提高成型成功率；3）在對(duì)薄壁管材進(jìn)行充液成型過程中不斷地對(duì)脹形區(qū)進(jìn)行補(bǔ)料，可以有效避免管材發(fā)生大變形時(shí)因失穩(wěn)而造成的破裂；4）在達(dá)到管材成型要求的條件下，通過減小成型所需液壓力，以達(dá)到降低成本、批量生產(chǎn)的目的。