驱动桥壳整体复合胀形工艺设计及变形分析

驱动桥壳整体复合胀形工艺设计及变形分析摘要：介绍了汽车行业及驱动桥壳的市场需求，在现有成形工艺基础上，提出了一种驱动桥壳复杂结构成形的新的加工工艺，设计了与该工艺相匹配的关键工序。针对核心工序驱动桥壳整体复合胀形，采用有限元法对整体复合胀形变形过程进行验证分析，结果表明：开槽管坯胀形温度为60CTC时，胀形过程最大应力值达到243MPa,能够满足驱动桥壳成形需求。关键词：驱动桥壳；整体复合胀形；开槽管坯；为了更好地适应国家政策和市场发展需求，作为车辆重要零部件的驱动桥壳，起到支承驱动车辆的主减速器、差速器和半轴等，并固定左、右驱动轮的轴向相对位置以及承受汽车载荷传递给车轮等作用。驱动桥壳除应具备结构简单，制造成本低，便于拆装、调整、维修和保养等优点外，在动载荷条件下，还应具有足够的强度、刚度和疲劳寿命。随着有限元技术的成熟，其在桥壳设计中也有很多应用，包括桥壳的静力分析、模态分析、谐响应分析、疲劳分析等。因此，本文作者介绍了现有驱动桥壳成形工艺，并在此基础上提出一种驱动桥壳复杂结构成形的新加工工艺，并进行与该工艺相匹配的关键工序设计，最后采用有限元法对整体复合胀形变形过程进行验证分析。该技木相关的关键技术及装备，已获得国家授权发明专利和实用新型专利保护。1工艺设计1.1现有成形技术分析根据结构特点不同，驱动桥壳可分为整体式桥壳和分段式（装配式）桥壳。根据成形工艺的不同，整体式驱动桥壳可分为铸造桥壳、冲焊桥壳、机械扩胀桥壳和液压胀形（内高压成形）桥壳。目前，国内驱动桥壳多采用传统的铸造桥壳和冲压焊接桥壳。而驱动桥壳液压胀形是一种新工艺，与铸造和冲压焊接方法相比，具有壁厚分布合理、材料利用率高、节能降耗、加工工序少，无焊缝、质量轻、强度高等优点，但效率较低，同时由于设备能力的限制，无法提供足够大的液体成形压力及相应的密封技术，目前只应用于中小桥壳的成形，是一种满足汽车轻量化要求的先进制造技术。另外，机械扩胀工艺因具有材料利用率高、质量轻、强度高、焊接工作量少、对设备要求较低和成本低等优点，而被广泛关注。但胀形时，桥壳在工艺孔端II处易出现横向裂纹，在琵琶包内侧的中间区域易出现起皱现象，严重影响桥壳的工作强度和后续加工，成为该工艺的难点。1.2整体复合胀形工艺根据驱动桥壳成形工艺，结合机械扩胀和液压胀形工艺优势，提出了驱动桥壳整体复合胀形工艺，在同一系统中同时解决胀形过程稳定化、反复胀形去应力、胀形补料与端面密封等技术难题，突破了液压胀形在形状（球形）、超高压和安全等方面的限制，利用机械胀形和液压胀形的协同效应，实现了驱动桥加工过程中的胀形力实时稳定可棠控制和驱动桥壁厚的合理分布。该工艺的关键工序为驱动桥壳整体胀形成形部分，涉及开槽管坯成形、开槽管坯加热和整体复合胀形工序，其中开槽管坯成形和开槽管坯加热工序是整体复合胀形工序的前提条件。1.3关键工序设计与分析根据工艺流程，以某型号驱动桥壳为例，提取该型号驱动桥壳中段（需要胀形成形提供毛坯部分，壁厚为16mm,成形总长为1665mm，沿长度方向展开确定锯床切割成段长度为1730mm,两端预留加工余量修边切除和打对焊坡IR以此为例进行关键工序设计。1.3.1开槽管坯成形经锯床切割成段后，在矩管管坯的2个开槽加工面上铁削孔，孔径为槽的宽度30mm,同一加工面上两孔之间的距离为开槽长度1000mm；饨削孔后，饨刀沿管坯的轴向方向饨削8mm：再用组合刀具同时切削管坯一个加工而上槽的两条边，且可至少2件管坯同时加工；翻转管坯，用组合刀具切削管坯另一加工面上槽的两条边，得到开槽管坯。组合刀具包括刀杆、设置在刀杆上的饨刀和定位套筒，两端分别通过侧固式刀柄和回转顶针安装在饨床上。刀杆上可设置2组及2组以上饨刀，每组饨刀包括2片锯片饨刀，2片饨刀之间的距离为槽的宽度30mm,每组饨刀间距大于管坯开槽面宽度。组合刀具安装到现有加工机床，加工出的开槽管坯尺寸精度高，可以满足后面工序的毛坯要求。1.3.2开槽管坯加热根据工艺特点，设计驱动桥壳开槽管坯的中频感应加热系统，主要由中频电源、中频加热装置、加热温度控制装置和冷却装置等组成。采用中频感应加热方式，利用涡流加热原理,感应线圈与开槽管坯不直接接触，将能量直接作用于开槽管坯，温度可控、加热速度快、热效率高。1.33整体复合胀形该工序是驱动桥壳整体复合胀形工艺的核心，是在外模约束下，通过内模装置进行连续液压机械胀形，实现整体复合胀形。其工作原理是：将加热到600°C的开槽管坯放入胀形外模内；胀形内模组件从管坯的左侧内孔伸入，与外凹模对位管坯胀形变形区；胀形内模组件与右侧液压推力装置连接；胀形上外模卜行合模，外模对管坯实现定位约束；利用位于胀形内模组件两端的液压推力装置，分别向胀形内模组件施加相等且平行于管坯轴向方向的推力,在连杆机构的作用下，推力分解为作用在上模块和下模块上并垂直于管坯轴向方向的推力垂直分力和平行于管坯轴向方向的推力平行分力；利用压力发生装置，向上模块和下模块施加垂直于管坯轴向方向的压力；管坯受到的胀形力为推力垂直分力和轴向压力的合力，实现整体复合胀形变形；变形完成时，保压30s；最后卸载，退模，取出成形工件。根据工作原理，设计整体复合胀形装置结构简图。该装置输出胀形力，主要由两端液压推力装置的水平推力分解到垂直方向的推力和胀形内模组件压力发生装置的垂直推力组成，且结合位移、受力等参数的反馈控制，实现开槽加热管坯的上下对称胀形，发生连续的弹性和塑性变形，工序集中、生产效率高、成形速度快。2整体复合胀形变形分析针对核心工序驱动桥壳整体复合胀形的开槽管坯的变形过程，采用有限元法进行验证分析。2.1有限元建模利用三维建模软件，根据尺寸建立开槽管坯和模具模型。在有限元软件中进行前处理：（1）对几何模型划分网格，建立有限元网格模型。（2）分别在开槽管坯的两端和中间部位施加约束，对于胀形模具施加刚体约束，其中内模约束X、y?2个方向平动和3个方向的转动自由度，上下外模施加全部约束。(3)在内模表面节点施加均布载荷，分别指向z轴正负方向。(4)建立开槽管坯与内模、上下外模的接触，定义管坯为可变形接触体，内外模为刚性接触体，赋予己知条件，建立的整体有限元模型。2.2结果分析在管坯胀形变形过程中，管坯变形力通过管坯表面与内外模表面接触传递，控制管坯与外模不动，在内模上施加z轴正负向位移和胀形所需要的外力，随着内模位移的增大，外力值逐渐变化。经数值计算，得到开槽加热管坯变形应力(v-m)分布图。开槽加热管沿水平纵截面和轴向横截面对称，取开槽加热管的端部和中部有限元网格7个特征单元点进行结果分析，得到特征单元点的应力变化规律。在胀形中后期，中部各特征点应力值下降明显，其原因是开槽中部与外模接触，受到内膜和外模挤压作用，管坯变形减小，合应力也减小；胀形继续进行，管坯变形增大，合应力也增大。3结束语介绍了现有驱动桥壳成形工艺，并提出了一种驱动桥壳复杂结构成形的新的加工工艺一一驱动桥壳整体复合胀形工艺，与该工艺相匹配的关键工序是：通过开槽管坯成形和加热的准备，采用整体复合胀形装置输出胀形力，对管坯进行上下对称胀形，驱动桥壳发生连续的弹性和塑性变形。针对核心工序驱动桥壳整体复合胀形，采用有限元法对整体复合胀形变形过程进行验证分析，结果表明：开槽管坯胀形温度为600°C时，胀形过程最大应力值达到243MPa,能够满足驱动桥壳成形需求。参考