不等徑截面封閉管梁成形工藝一般為內高壓成形，而內高壓成形工藝需要大壓力液壓機，且高壓源閉環實時控制系統復雜、成本高，此外內高壓工藝對密封要求較高，導致生產成本也偏高。目前汽車上典型的內高壓樣件為扭力橫梁，如圖1所示。

王鑫松等對不同溫度下鎂合金的內高壓成形性進行分析，對比零件管壁厚度分布及成形極限圖，確定最佳的成形溫度[1]。胡國林等對薄壁管材液壓脹形的應力分布進行分析，通過分析不同截面應力應變和成形極限圖的對應關系，開發了1套能獲取不同截面應變的的測試裝置[2]。崔曉磊等對變管徑管梁的橫截面尺寸變化規律進行研究，為獲取變管徑管梁尺寸的精確控制方法，分析不同內壓力與合模力對管徑尺寸的影響，確定了內壓、合模力與管梁徑向尺寸和軸向尺寸的關系[3]。于紅兵等對復雜斷面結構的管梁成形性進行分析，提出了混合成形方法，將預成形與內高壓成形集成在1個工序，并構建了管梁成形性評價體系，內壓力呈帶狀分布時樣件尺寸精度最高[4]。為解決軸線為空間曲線的薄壁管狀零件的起皺和開裂缺陷，劉曉晶等分析了副車架彎曲參數對成形減薄的影響，并對進給量、成形壓力及加載方式進行分析，得到副車架管梁的最優參數組合[5]。國寧等針對排氣管類零件設計正交試驗，將內壓力、整形壓力、彈性模量、摩擦系數以及加工硬化指數作為其內高壓成形的表征因子，通過CAE正交試驗分析獲取最佳參數組合[6]。

以上研究的初始坯料為封閉管梁，內高壓存在的主要缺陷是：①需要大壓力液壓機作為合模壓力機，對于內徑φ100 mm、長2 500 mm的管材，當成形壓力為100 MPa時，合模力為25 000 kN；②高壓源閉環實時控制系統復雜、成本高；③由于成形缺陷和壁厚分布與加載路徑密切相關，零件試制研發費用高，必須利用數值模擬進行工藝參數優化；④由于充液需要時間，生產效率低。因此，采用傳統沖床替代內高壓成形尤為必要，現提出利用沖床實現封閉管梁成形的方法，并通過實例對所提及的方法進行驗證。

1 封閉管梁結構特征和技術要求

內高壓成形的管梁結構如圖1所示，沿零件軸線方向的橫斷面形狀存在顯著差異，截面線周長分布呈現雙波峰特征，如圖2所示，靠近零件兩端位置截面周長變化較大，該區域在成形過程中已出現開裂，一般設計要求截面周長的變化率≤5%。

   封閉管梁截面周長分布

封閉管梁內腔間隙在0~0.2 mm時有異響，間隙＞1 mm時異響消除。間隙過小時可在腔體內部注油，對異響有一定抑制作用，在樣件失效早期，可通過觀察油液滲漏找到失效部位。間隙過大，零件的側傾剛度降低，車輛的舒適度降低。管梁需要通過焊接實現整體封閉，一般實行分段焊接，每隔100 mm焊接一小段，后再進行連續補焊，且在焊接過程中通過增減脈沖數來降低熱影響區，焊縫搭接間隙一般要小于焊絲直徑（φ1.2 mm），在實際控制過程一般將間隙控制在1 mm以內。管梁材質一般采用熱軋鋼板，如Trip780等，對于有特殊強度要求的管梁可采用熱成形鋼BR1500HS，成形結束后通過調質處理提升其強度和韌性。管梁的具體技術要求如表1所示。

 封閉管梁技術要求

封閉管梁成形性分析

考慮封閉管梁跟卷圓工藝的相似性，可以采用類似卷圓的工藝實現管梁沖床成形，通過3道工序將平面板材沖床成準“O”形，即“V形→U形→O形”。通過普通沖床即可實現“V”形和“U”形沖床，在進行“O”形沖床時，樣件形成了封閉管腔，且封閉管腔的橫斷面不是等截面，芯部支撐無法貫穿整個零件（成形后無法從樣件中取出），無芯部支撐時零件成形不到位。為此，對普通沖模進行改進，考慮零件兩端空腔尺寸較大，可將芯部支撐設計成兩段，起到近似凸模作用，將凹模設計成鑲件結構，如圖3所示。

 改進的管梁成形模具零件

模具工作過程：工序件置于壓料板上，內支撐下行與壓料板閉合，凹模下行與內支撐閉合，斷開式內支撐與壓料板對板料進行定位壓料，凹模對板料進行收口整形，最終形成準封閉的橫梁。以某車型扭力橫梁為載體，對其進行分析，橫梁材料為CP800，厚度為3.0 mm，斷后延伸率為15.9%。對于厚板件（厚度＞2 mm），其成形性缺陷主要是回彈和開裂[7-10]，一般不考核外觀，其成形極限圖無法客觀反映材料真實的成形性，通常用減薄率評價厚板件的成形性，扭力橫梁減薄率的分析結果如圖4所示。二手沖床回收

 減薄率分析結果

零件的最大減薄率為11.6%（≤15.9%，）滿足成形性要求，中間段與兩端的減薄率都在7%以內，主要由于材料的軸向流動不明顯，且零件兩端和中間段的橫斷面周長變化率不大[11-13]。中間段和兩端的過渡位置減薄率超過了10%，此處材料受雙向拉伸，零件的橫斷面周長變化率大，該區域是成形性評價的重點關注區域。

為節省制造成本，采用試制軟模對該成形方法進行驗證，模具零件材料采用普通HT300，模具零件表面采用簡單熱處理，分段式內支撐的實物如圖5所示。

  分段式內支撐

零件收口間隙值作為判斷前工序沖床工藝是否合理的依據，直接影響后期焊縫的質量（間隙過大會導致焊縫熔深不足，易出現疲勞開裂；間隙不均會導致焊道偏離，影響熔深），而焊縫質量影響零件的耐久性能，因此間隙值是衡量管梁質量的重要指標之一。

將零件的間隙值（≤1 mm，焊絲直徑為φ1.2 mm）作為質量目標，通過研磨及2輪調試，零件最終滿足設計要求，從零件最外端15 mm處每隔70 mm選取1個橫斷面，共選取16個橫斷面，對橫斷面處減薄率及收口處的間隙值進行測量，結果如圖6所示。

 間隙值的實測值與分析值的對比結果

從圖6可知，分析值與實測值基本吻合，間隙值呈正弦曲線變化，且包含2個周期，主要是由于端部有機械支撐，零件成形后回彈導致兩端間隙值增大，中間部位（腔體內壁間隙值過小）由于在成形時管梁的上、下內壁產生了擠壓，累計了部分殘余應力，脫模后部分殘余應力釋放，導致間隙增大，其余部分在成形時回彈小且內壁無擠壓，間隙值偏小，因此整個管梁的間隙值呈現正弦變化。圖6中間隙值實測值波動幅度偏小，由于分析值測量的是節點間距離，實測值是邊界距離，二者存在一定偏差，實測間隙值在1 mm以內，滿足設計要求，有部分區域接近1 mm，為避免焊縫熔深不足，通過增加脈沖提升焊縫熔深。

由于局部手工剖切會產生較大毛刺，會對減薄率測量結果產生較大影響，為避免邊界產生毛刺，采用三維激光進行剖切斷面，減薄率的分析值與實測值的對比結果如圖7所示。

 減薄率分析值與實測值的對比結果

減薄率測量時選擇的是靠近圓角部位截面，所測量的部位減薄率均在9%以內，滿足減薄率要求。最終的實物樣件如圖8所示，對其進行扭轉疲勞測試，扭力橫梁未出現疲勞開裂，滿足耐久性要求。

 實物樣件

3 結束語

針對不等徑截面管梁無法通過卷圓工藝實現的問題，提出利用沖床方法來實現不等徑截面管梁成形，通過3個工序沖床即可實現板材到管材的成形。

管梁收口的間隙值呈正弦曲線變化，且包含2個周期。對于不等徑截面管梁，若要提升其剛性，中間部位腔體壁的貼合間隙要在0~1 mm，若要降低其運動時產生的異響，中間部位腔體壁貼合間隙應大于2 mm。一般不等徑截面兩端部位有支撐，中間無支撐，成形后端部的收口間隙值大于中間值，為減小端部收口間隙，需進行過整形。