汽车EGR壳体内高压成形模开发与改善-博彩app

汽车EGR壳体内高压成形模开发与改善

安妮

2024-06-26 11:25

现借助有限元分析软件AutoForm模拟分析，对汽车用EGR（尾气再循环）壳体2种不同的内高压成形模开模方式进行分析，并采用模拟结果较好的开模方式开发了模具。在此基础上，将模拟分析结果与实际零件进行对比，包括减薄率和零件成形质量等，并针对实际零件局部肋筋成形不到位的缺陷，分析其产生的原因并提出了解决措施，在试验验证中取得了改善效果。

1 有限元模拟和试验验证

1.1 试验材料

试验所用的材料为439（1.4510），管坯外径为 φ113 mm，壁厚为2.0 mm，下料长度为560 mm，材料性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数

1.2 零件结构及内高压成形模开模方式分析

EGR壳体结构如图1所示，零件成形难点是肋筋结构，并要充分成形局部小圆角，零件局部R角较小。

图1 EGR壳体结构

考虑零件的整体成形性和端面密封送料效果，对零件内高压成形进行了图2所示的接管设计。

图2 零件端口接管结构

零件截面周长沿轴线分布如图3所示，截面直径分布在φ113.8~φ120.15 mm，模拟分析选择直径 φ113 mm，最大胀形比为6.2%。

图3 零件截面周长沿轴线分布

对零件截面特点进行分析，如果选择合理的分模面，不需要预成形工序而直接进行内高压成形。图4所示为2种不同方式的分模面结构，图4（a）所示分模的优点是零件截面近似长方形（长宽比约1.45），对端面密封和补料相对简单，但零件容易卡在凹模，存在零件脱模困难的情况，图4（b）所示的分模优点是零件脱模容易，但在分模面处可能出现“咬边”现象。

图 4 2种不同形式的分模面结构

1.3 2种不同内高压成形模分模方式模拟对比

通过建立有限元模拟分析模型，分析2种不同分模方式的成形效果，加载路径相同，如图5所示，整形压力设置为145 MPa，左、右端补料长度为10 mm，整形压力和补料长度都是通过相关理论计算得到。

图5 加载路径

模拟2种不同的内高压成形模分模方式，典型截面模拟成形过程如图6、图7所示。

图6 左右侧边分模模拟成形过程

（a）管坯重力作用（b）合模间隙为0 （c）内压力50 MPa （d）内压力145 MPa

图7 对角线分模模拟成形过程

（a）管坯重力作用（b）合模间隙为0 （c）内压力50 MPa （d）内压力145 MPa

按照图6所示模具分模，模拟零件在模具闭合（0间隙），起压（50 MPa）到保压（145 MPa）模拟过程中零件上平面都有凹陷，且在145 MPa的整形内压力作用下，上平面的凹陷仍无法消除。采用图7所示模具分模，模拟零件在模具闭合（0间隙），起压（50 MPa）到保压（145 MPa）模拟过程中零件上平面的凹陷程度均低于图6所示模具分模，在后续整形内压力145 MPa的作用下，上下平面的凹陷可以消除。

2种不同分模方式模拟零件壁厚减薄率结果如图8所示，图8（a）所示分模方式零件最大减薄率为13.7%，在整个合模过程中没有出现“咬边”现象，图8（b）所示分模方式零件最大减薄率为10.7%，在整个合模过程中也没有出现“咬边”现象。

图8 模拟不同分模方式零件壁厚减薄率

通过以上2种不同分模方式模拟成形过程及成形壁厚减薄率对比结果表明：采用对角线分模方式，成形过程中零件起皱风险低，壁厚减薄风险相对较小，且成形零件更容易脱模，因此选择对角线分模方式开发模具，图9所示是实际开发的内高压成形模。

图9 内高压成形模

1.4 模拟结果与实际零件对比

使用图5所示加载路径，内高压成形的实际零件如图10所示，没有出现破裂和起皱缺陷，但零件局部肋筋部的特征是否成形到位需要通过扫描结果进行判定。

图10 实际成形的零件

图11所示为实际零件扫描结果与零件理论数模的对比，将实际零件外轮廓扫描后同理论数模进行拟合对比，测量其偏差值。从图11可以看出，在局部肋筋部的特征胀形不充分，最大轮廓偏差值约为0.618 mm，超过了图纸要求（零件图纸轮廓偏差要求≤0.4 mm）。

图11 零件拟合数据对比分析

将实际零件关键位置壁厚测量与模拟分析零件壁厚测量值对比，如图12所示，为了确保数据拟合的准确性，扫描测量选用内高压成形零件后切除两端口废料及其相关孔位。从图12可以发现，零件模拟的壁厚值分布略大于试验实际测量值，模拟可以较好地预测零件大部分区域的壁厚分布趋势。

图12 模拟分析与实测零件壁厚分布对比

1.5 实际零件缺陷分析及改善

针对局部肋筋特征胀形不充分的缺陷，分析主要原因可能是内压力不足、左右端补料不够，因此调整压力和补料量尝试改善，将整形压力加大到180 MPa，补料量调整到20 mm，图13所示为调整加载路径后零件的扫描结果对比，发现随着内压力和补料量的增加，局部肋筋特征不充分的缺陷没有改善。

图13 调整加载路径后零件拟合数据分析

进一步分析认为减小内压力可能会降低零件与模具零件之间的接触压力，可减少摩檫力，改善材料的流向，从而改善肋筋部特征胀形不充分的缺陷，因此又调整了加载路径，在开始成形阶段调整成形压力为75 MPa，整形压力145 MPa保持不变，并增加保压时间，通过调整工艺参数再一次进行了验证，结果表明缺陷也没有得到有效改善。

通过查阅相关文献，探究了内高压成形局部r角贴模成形的机理，通常内高压成形在整形阶段，零件r角会随着整形压力的增大而减小，但在上述实际试验中，随着整形压力的增加，零件r角并没有变小。将内高压成形零件在开裂之前所能达到的最小r角称为极限r角，图14所示传递区域O点的应变增量可以由公式（1）表示。

图14 零件r角填充过程受力分析

（1）

其中，t、r是r角部位瞬时的壁厚和圆角半径；a是矩形截面的长度；p是内压力；μ是管材和模具凹模的摩擦系数；dλ是瞬时非负比例系数，加载时 dλ>0，卸载时dλ=0。

当

，r角的极限值表达式为：

（2）

由式（2）可知，极限r角由摩擦系数、矩形截面的长度和管材的厚度决定，不再受内压力的影响。当零件的凹模造型和管材厚度规格已确定，那么矩形截面的长度a就已经固定，因此极限r角的大小主要由摩擦系数决定。表2所示是通过试验测量了不同润滑条件下的极限r角的大小，从表2可以看出，随着润滑条件的改善，零件可以更好地贴合凹模，实现了更小的r值。

表2 不同润滑条件下成形的极限角

虽然上述模拟分析和验证试验都考虑了润滑作用，但零件局部肋筋的R3.2 mm（R3.8 mm）都过小，常规涂油润滑改善不了零件成形质量（局部R角成形），因此选用PE膜包裹管坯后进行内高压成形，如图 15所示。

图15 PE膜包裹管坯

图16所示是在PE膜作用下零件内高压成形后扫描结果（选择图5所示加载路径），从图16扫描结果可以看出，零件在局部肋筋的最大偏差值约0.24 mm，满足零件图纸要求。

图16 在PE 膜包裹作用下成形零件扫描结果

▍原文作者：张国俊

▍作者单位：宁波思明汽车科技股份有限公司

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