袁智军， 王文渊， 程鹏志

（1.广西汽车集团有限公司， 广西 柳州 530028； 2.航宇智造（北京）工程技术有限公司， 北京 100191）

0 引言

在充液成形过程中，管材内的液体压力和侧推力随时间的变化规律称为加载路径，它与零件的材料、结构尺寸有关。 加载路径是管材充液成形最重要的工艺参数，液体内压力太大、侧推力较小会导致零件过度膨胀产生破裂缺陷，液体压力太小、侧推力较大则会导致管材发生起皱，因此合理的加载路径对提高零件生产效率具有重大意义[1-3]。

1 充液成形工艺原理

管材充液成形技术是以液体作为传力介质， 在模具的约束下，将管材成形为需要的变截面形状，其工艺过程原理如图1 所示。首先在模具中放入管件，随后上下模合模，左右侧推头同时进行密封和充液排气，在这一过程中不断增大管内液体压力同时左右推头做轴向推力进给，管件逐渐发生塑性变形，最后推头回退并开模，取出成形的零件。

图1 充液成形工艺原理

由于零件成形过程中， 液体压力和轴向推力对于零件成形的精确数学模型难以建立， 传统的控制方法需要准确建立被控系统数学关系而难以实现， 因此模糊控制技术成为一种新型的智能控制方法， 它是一种非线性控制方法，可以模拟人的思维方式生成模糊规则，对难以建模的被控系统进行推理及决策[4，5]。 Ge Y 等人使用模糊控制方法对一种膨胀管零件进行了加载路径设计， 获得了很好的成形质量[6]。 本文利用MATLAB 的模糊控制工具箱，可以将扭力梁充液成形的液体压力、轴向推力同破裂缺陷、起皱缺陷建立模糊控制系统，研究扭力梁充液成形加载路径。

2 零件特征及材料分析

2.1 零件特征分析

如图2 所示为某汽车扭力梁零件， 从其截面特征分析可知，该零件是轴线为直线的异形管形截面零件，其零件截面为V 字形，从零件两端至零件中心，管件截面形变逐渐增大，零件壁厚2.7mm。

从零件整体结构分析可知， 该零件使用充液成形工艺，可以一次精密成形，减少工序次数，研究合理的充液成形加载路径制定方法，对于该类零件生产具有重要意义。

图2 零件特征分析

2.2 材料分析

零件指定材料为S550MC 的钢材， 该零件化学成分如表1 所示。

表1 S550MC 材料化学成分

此材料是细晶粒钢，有优良的冷成形加工性能，广泛应用于汽车中需要强度要求较高的零件上， 其基本物理性能参数如表2 所示。

表2 S550MC 材料基础物理性能

3 加载路径模糊控制优化

3.1 建立输入隶属函数

零件在充液成形过程中，管材内液体压力逐渐增大，管件和模具的摩擦力会同步增大， 导致材料环向流动不均匀，从而出现破裂，因此选取零件的壁厚h 作为衡量某一时刻ti零件管材出现破裂的评价函数，即：

图3 为壁厚破裂缺陷值φ1=h 的隶属函数图，它可以描述每一个输入参数h 所表示的发生破裂的可能性。 一般当管材的减薄率大于20%以上时视为破裂， 设h 的论域为[2.4，3]， 集合中心为2.7， 用两个梯形函数（small、large）和一个三角形函数（middle）描述破裂程度。

图3 破裂值h 隶属函数

图4 贴模变化率隶属函数

选取零件环向贴模段长度l 描述管材充填程度，此值越小表明零件填充越不充分，其评价函数为：它可以描述贴模变化率的快慢， 设论域为[0，0.1]，集合中心为0.05，区间宽度为0.05，用个梯形函数（small、large）和一个三角形函数（middle）描述贴模程度。

3.2 建立输出隶属函数

充液成形时需要较大的轴向补料量s 来弥补厚度减薄，当补料量过大时，易出现皱纹，因此需要较大的内压力p 将皱纹展平， 故输出控制参数是内压变化量△p 和推头轴向补料量△s。

设模糊子集△p 的论域大小为[0，10]MPa，集合中心点为5MPa，采用三个三角形函数（small、middle、large）描述所需增加载荷大小的程度，输出隶属度函数如图5 所示。

图5 输出参数△p 隶属度函数

设模糊子集△s 的论域大小为[0，10]mm，集合中心点为5mm，采用三个三角形函数（small、middle、large）描述所需增加载荷大小的程度，输出隶属度函数如图6 所示。

图6 输出参数△s 隶属度函数

3.3 模糊规则库设计

为保证充液成形过程中，管材壁厚均匀分布，既不出现过度减薄，也不出现过度增厚出现褶皱，因此指定如下表3 的模糊控制规则库。

表3 模糊控制规则库

图7 规则器观察窗口

4 加载路径分析

表4 模糊控制加载路径设计值

在有限元仿真软件dynaform 中建立仿真模型，按照表4 内容进行加载路径设计。 对比模糊规则创建的加载路径和线性加载路径的仿真结果如图8 所示，可知模糊控制规则产生的加载路径能够得到更加均匀的零件壁厚。

图8 不同加载路径零件壁厚对比

5 总结

管材充液成形工艺在制造扭力梁零件反面具有较大优势，基于模糊控制规则设计的管材充液成形加载路径设计方法，可以准确预测成形过程中潜在的破裂和起皱缺陷，基于模糊控制规则得到的管材充液成形加载路径，优于普通的线性加载路径成形效果，零件具有更好的壁厚分布。