第36卷，总第209期2018年5月，第3期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.36,Sum.No.209
May.2018,No.3
纪建奕1，戴永谦1,2，王富强2，罗凌江3
(1.青特集团有限公司技术中心，山东 青岛 266106;2.哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院,
山东 威海 264209;3.重庆长安铃木汽车有限公司，重庆 401321)
摘 要：针对国家节能减排要求，重型卡车轻量化迫在眉睫。文章应用Dynaform 进行了重卡驱动桥壳一次冲压热成型工艺相关参数的研究。结果表明，现有两次冲压，空气中冷却的成型工艺，可以改进为一次热冲压成型工艺。对成型工艺中坯料初始温度、冲压速度等参数进行了优选。结果为改进现行驱动桥壳成型工艺进而实现桥壳轻量化设计提供有益的参考。
关键词：驱动桥壳；热成型；成型工艺；轻量化，节能
中图分类号:U418.3 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2018)03-0219-04
Simulation Study on Hot Stamping Forming of
the Drive Axle House of Heavy Truck
JI Jian -yi 1,DAI Yong -qian 1,2,WANG Fu -qiang 2,LUO Ling -jiang 3(1.Center of Technique,Qingte Group Co.,Ltd.,Qingdao 266106,China;
2.School of Automobile Engineering,Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai 264209,China;
3.Chongqing Chang’an Suzuki Automobile Co.,Ltd.,Chongqing 401321,China)Abstract :Aiming at the national energy -saving and emission reduction requirements,lightweight of the heavy truck is imminent.Several parameters related to hot stamping forming process of heavy truck drive axle house are studied using Dynaform in this paper.The results show that the existing two steps stamping and air cooling molding process can be improved into one -time hot stamping process.The initial temper⁃ature of the blank,stamping speed and other parameters related to the forming process were optimized.The results provide beneficial exploration for improving the forming process of the existing drive axle house,
and it is also helpful for realizing the lightweight design of axle house.
Key words :drive axle house;hot forming;forming process;light weight;energy -saving
收稿日期 2019-12-05 修订稿日期 2018-03-24基金项目：青岛市博士后科研启动基金
作者简介：纪建奕(1979~)，男，硕士，高级工程师，主要研究方
向：结构力学。
0 前言
随着能源危机日益严重，大气污染控制要求逐步提高，汽车轻量化设计以及轻量化技术开发越来越受到重视。目前，乘用车轻量化以及节能技术工
作已取得显著成效[1-2]。而商用车领域，轻量化工作尚不完善。
高强度钢的应用，对提高整车及零部件的性能
具有明显的提升作用[3-4]。驱动桥壳是重卡驱动桥的重要组成部分，支撑并保护主减速器、差速器等,
固定驱动轮相对位置，并同前桥一起支撑车架及其上总质量。但高强度钢板在制造桥壳时，若采用传统的成型工艺，存在很多问题，如开裂、回弹等。这是因为高强度钢板在室温条件下，变形抗力较大，难
·
912·
以成形，对模具也会造成很大磨损，会明显降低模具的寿命。
热冲压成型最大的特点是板料在较高温度下成型[5-6]。对于重卡驱动桥壳，一则板材较厚，二则桥
壳具有零拔模特征，一次成型容易造成脱模困难，故目前驱动桥壳的冲压虽是高温进行，但大多采用两
次冲压成型配合空气中冷却的工艺。这种技术的弊端是空冷方式冷却速度不可控，进而导致冷却过程中金属相变不可控。使得钢板的高强度性能提升受到限制。而一次成型模内冷却技术通过控制冷却速度可达到控制冷却过程中金属相变的目的，得到超高强度零件。
对于驱动桥壳，冲压过程模具行程较大，采用热冲压成型技术，适当的冲压速度以及坯料初始温度，是决定冲压过程中避免起皱、裂纹甚至撕裂的关键参数。本文采用壳单元，进行驱动桥壳一次热成型数值分析，确定了上述两参数的最优值，热冲压模内冷却工艺可显著提高成型后桥壳的强度和刚度，为桥壳板料减薄提供了空间。从而可实现桥壳轻量化，达到节能减排的目的。
1 驱动桥壳热冲压模型
驱动桥壳是在半桥壳冲压成型的基础上对焊而成，冲压成型后的半桥壳实体模型如图1所示
。
图1 驱动桥壳半壳体模型
据此半壳体模型，应用软件的提取中面和板料展开功能，生成坯料模型，在半壳体中面基础上生成凸模和凹模。完整的半壳体热冲压模型如图2所示
。
图2 驱动桥壳热冲压成型模型
2 驱动桥壳冲压成型及分析
对热成型模型进行包含材料本构模型、工艺参数等的设定后[7-8]
，应用壳单元，对桥壳成型过程进
行模拟。本文研究了网格尺寸、冲压速度以及坯料初始温度对成型质量的影响。
2.1 网格尺寸对成型质量的影响有限元模拟中，网格大小对计算结果具有明显
影响。一般来说，网格尺寸小，计算规模大，结果精确；网格尺寸大，计算速度快，但结果精度可能偏低。本文首先在相同的冲压速度(650mm /s)和相同的坯料初始温度(850℃)[9]条件下，对不同网格尺寸的驱动桥壳模型进行冲压成型计算，其成型质量汇总如表1。
由表1看出，对坯料厚度为14mm 的驱动桥壳采用壳单元进行成型模拟时，网格尺寸为28mm、
42mm、84mm、98mm 的桥壳成型质量是不合格的。一般认为在成型部分增厚超过2%，减薄率超过
20%的是不合格的[10-11]，减薄率越小桥壳成型质量越好，因此最佳网格单元尺寸为63mm。
表1 不同网格尺寸的驱动桥壳成形质量
网格尺寸/mm 成形极限最小厚度/mm
最大减薄率/[%]最高终了温度/℃28出现破裂9.7835.9
789.948
42
破裂趋势11.14522.8789.85256合格11.63118.5790.09463合格11.78917.2789.69470合格
11.74117.6790.09084破裂趋势11.364
21.8
790.675
98
出现破裂10.78527.6791.373
图3和图4分别为不同网格尺寸对应模型的成型极限图和减薄率分布图
。
图3 不同网格尺寸对应模型的成型极限图
由图3可见，网格尺寸过小或过大，模型冲压终了，都会不同程度的出现裂纹区、裂纹风险区或者具有起皱趋势的区域。
由图4看出，网格尺寸过大或过小，冲压终了，桥壳的最大减薄率都明显超过标准。且网格尺寸过大时，局部增厚率也超过标准。
对于成型质量合乎要求的56mm、63mm、70
mm 三种尺寸，因为56mm 和70mm 均处于合格与
·汽车桥壳
022·
图4 不同网格尺寸的桥壳减薄率分布
不合格的分界处，为免由于冲压速度、坯料初始温度变化引起成型质量不合格，取中间63mm为最优网格尺寸，进行最优冲压速度和初始温度的计算模型。
2.2 最优冲压速度的确定
在最优网格尺寸确定的前提下，考察冲压速度对成型质量的影响。因为冲压速度除了影响成型质量外，还关系到生产节拍以及压机型号的选择等因素。冲压速度在400~800mm/s的范围内选择。不同冲压速度下的成型质量汇总如表2所示。
表2 不同冲压速度下桥壳成型质量
冲压速度
/mm·s-1成形极限最小厚度
/mm
最大减薄
率/[%]
终了温度
/℃
400破裂9.31340.9755.867 500破裂趋势10.90825.0772.930 550合格11.30221.4779.542 600合格11.58918.9784.800 650合格11.78917.2789.694 700合格11.87216.5793.803 750起皱趋势11.95915.8797.357 800起皱趋势11.99915.4800.553 由表2可见，冲压速度对成型极限有很大影响，冲压速度较小时，桥壳会出现破裂的面，当冲压速度过大时，桥壳会出现起皱的面。最大减薄率随冲压速
度的增长单调下降，但冲压终了温度随冲压速度的增长单调上升。究其原因，当桥壳冲压速度过大时，高温下，坯料强度低，在未完全合模前，被模具的大惯性带动而表面起皱；而冲压速度过小时，桥壳与模具换热时间较长且不均匀，桥壳局部面温度低，会出现明显变薄甚至破裂现象。
图5为最优网格尺寸下，不同冲压速度下，冲压终了瞬间桥壳温度场分布图。由图5可看出，即使选择冲压速度最低为400mm/s，桥壳冲压完成后温度场最低温度也有423.869℃，大于马氏体转变温度[12]，即在冲压过程中，桥壳不会因为温度变化而降低韧性。选择850℃的坯料初始温度是合格的
。
图5 不同冲压速度桥壳冲压终了瞬间温度场分布
图6为最优网格尺寸下，不同冲压速度成型终了的成型极限图。
可见，速度过低或过高，桥壳主体冲压终了会有裂纹区和起皱区。在合格速度区内，潜在的裂纹起皱区位于半壳边缘，这在对焊前可通过修边工艺解决
。
图6 不同冲压速度下桥壳的成型极限图综合考虑，在该最优网格尺寸下，确定最佳冲压速度为650mm/s。该速度下，冲压终了无裂纹或起皱现象，且最大减薄率满足要求。
2.3 坯料初始温度的确定
在确定了壳单元的最佳网格尺寸以及最优冲压速度后，考察冲压初始坯料最佳温度值。因为坯料的初始温度与加热炉内的温度有关，进而与加热时间、产能有关。以文献[9]中的最高温度850℃为
·122·
参考点，本文在825~925℃间，间隔25℃进行计算，桥壳成型质量汇总如表3所示。
表3 不同坯料初始温度桥壳成型质量
初始温度/℃
成型极限最小厚度/mm
最大减薄率/[%]终了温度/℃
825破裂趋势11.58119
774.072850合格
11.631
18.5
790.094
875合格11.847
16.7
810.148
900
合格11.60618.8830.497925
起皱趋势
11.768
17.4
850.404
由表3可以得到，板料初始温度对于桥壳成形质量有很大影响。由于在实际生产中考虑到材料性
能、加热炉内的温度、从加热炉到模具之间和周围环境的换热等因素，冲压开始时的坯料初始温度难以超过900℃，因此大于900℃的仿真分析对于实际生产并没有多大的指导意义。
板料初始温度对于桥壳成形极限影响较大，当温度低时板料会出现破裂趋势，温度过高会出现起皱，究其原因，温度低时，桥壳可能未能充分奥氏体化，因此桥壳部分面出现破裂。而温度过高时，桥壳
高温强度明显降低，抵抗变形的能力过低，容易出现起皱。综合减薄率、冲压终了温度等因素，认为冲压初始坯料温度875℃最合理。
图7示出了具有最优参数的模型的成型极限图。可见，整个半壳模型成型效果很好，无裂纹、起皱现象，边缘部位的微小起皱区，可通过修边工艺解决
。
图7 最优参数下的成型极限
3 结论
桥壳一次热成型工艺值得推广，成型质量与冲压速度、坯料初始温度息息相关。
重卡驱动桥壳厚度较大，本文的研究表明，一次
冲压成型技术可行。一次冲压模内冷却技术可大大提高成型后桥壳的强度，从而可以优化桥壳厚度，进而实现轻量化和节能目标。本文的研究结果，可为工艺改进及新工艺参数的选取提供有益的参考。
但是，由于重卡驱动桥壳厚度远大于一般热冲压零件的厚度，壳单元对此类零件模拟的精度会有较大影响，因此进行基于实体单元的重卡驱动桥壳热冲压计算研究，为工艺改进提供更加合理可靠、精度更高的参考，是今后此类研究的方向。
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