不等径截面封闭管梁成形工艺一般为内高压成形，而内高压成形工艺需要大压力液压机，且高压源闭环实时控制系统复杂、成本高，此外内高压工艺对密封要求较高，导致生产成本也偏高。目前汽车上典型的内高压样件为扭力横梁，如图1所示。

王鑫松等对不同温度下镁合金的内高压成形性进行分析，对比零件管壁厚度分布及成形极限图，确定最佳的成形温度[1]。胡国林等对薄壁管材液压胀形的应力分布进行分析，通过分析不同截面应力应变和成形极限图的对应关系，开发了1套能获取不同截面应变的的测试装置[2]。崔晓磊等对变管径管梁的横截面尺寸变化规律进行研究，为获取变管径管梁尺寸的精确控制方法，分析不同内压力与合模力对管径尺寸的影响，确定了内压、合模力与管梁径向尺寸和轴向尺寸的关系[3]。于红兵等对复杂断面结构的管梁成形性进行分析，提出了混合成形方法，将预成形与内高压成形集成在1个工序，并构建了管梁成形性评价体系，内压力呈带状分布时样件尺寸精度最高[4]。为解决轴线为空间曲线的薄壁管状零件的起皱和开裂缺陷，刘晓晶等分析了副车架弯曲参数对成形减薄的影响，并对进给量、成形压力及加载方式进行分析，得到副车架管梁的最优参数组合[5]。国宁等针对排气管类零件设计正交试验，将内压力、整形压力、弹性模量、摩擦系数以及加工硬化指数作为其内高压成形的表征因子，通过CAE正交试验分析获取最佳参数组合[6]。

以上研究的初始坯料为封闭管梁，内高压存在的主要缺陷是：①需要大压力液压机作为合模压力机，对于内径φ100 mm、长2 500 mm的管材，当成形压力为100 MPa时，合模力为25 000 kN；②高压源闭环实时控制系统复杂、成本高；③由于成形缺陷和壁厚分布与加载路径密切相关，零件试制研发费用高，必须利用数值模拟进行工艺参数优化；④由于充液需要时间，生产效率低。因此，采用传统冲床替代内高压成形尤为必要，现提出利用冲床实现封闭管梁成形的方法，并通过实例对所提及的方法进行验证。

1 封闭管梁结构特征和技术要求

内高压成形的管梁结构如图1所示，沿零件轴线方向的横断面形状存在显著差异，截面线周长分布呈现双波峰特征，如图2所示，靠近零件两端位置截面周长变化较大，该区域在成形过程中已出现开裂，一般设计要求截面周长的变化率≤5%。

   封闭管梁截面周长分布

封闭管梁内腔间隙在0~0.2 mm时有异响，间隙＞1 mm时异响消除。间隙过小时可在腔体内部注油，对异响有一定抑制作用，在样件失效早期，可通过观察油液渗漏找到失效部位。间隙过大，零件的侧倾刚度降低，车辆的舒适度降低。管梁需要通过焊接实现整体封闭，一般实行分段焊接，每隔100 mm焊接一小段，后再进行连续补焊，且在焊接过程中通过增减脉冲数来降低热影响区，焊缝搭接间隙一般要小于焊丝直径（φ1.2 mm），在实际控制过程一般将间隙控制在1 mm以内。管梁材质一般采用热轧钢板，如Trip780等，对于有特殊强度要求的管梁可采用热成形钢BR1500HS，成形结束后通过调质处理提升其强度和韧性。管梁的具体技术要求如表1所示。

 封闭管梁技术要求

封闭管梁成形性分析

考虑封闭管梁跟卷圆工艺的相似性，可以采用类似卷圆的工艺实现管梁冲床成形，通过3道工序将平面板材冲床成准“O”形，即“V形→U形→O形”。通过普通冲床即可实现“V”形和“U”形冲床，在进行“O”形冲床时，样件形成了封闭管腔，且封闭管腔的横断面不是等截面，芯部支撑无法贯穿整个零件（成形后无法从样件中取出），无芯部支撑时零件成形不到位。为此，对普通冲模进行改进，考虑零件两端空腔尺寸较大，可将芯部支撑设计成两段，起到近似凸模作用，将凹模设计成镶件结构，如图3所示。

 改进的管梁成形模具零件

模具工作过程：工序件置于压料板上，内支撑下行与压料板闭合，凹模下行与内支撑闭合，断开式内支撑与压料板对板料进行定位压料，凹模对板料进行收口整形，最终形成准封闭的横梁。以某车型扭力横梁为载体，对其进行分析，横梁材料为CP800，厚度为3.0 mm，断后延伸率为15.9%。对于厚板件（厚度＞2 mm），其成形性缺陷主要是回弹和开裂[7-10]，一般不考核外观，其成形极限图无法客观反映材料真实的成形性，通常用减薄率评价厚板件的成形性，扭力横梁减薄率的分析结果如图4所示。二手冲床回收

 减薄率分析结果

零件的最大减薄率为11.6%（≤15.9%，）满足成形性要求，中间段与两端的减薄率都在7%以内，主要由于材料的轴向流动不明显，且零件两端和中间段的横断面周长变化率不大[11-13]。中间段和两端的过渡位置减薄率超过了10%，此处材料受双向拉伸，零件的横断面周长变化率大，该区域是成形性评价的重点关注区域。

为节省制造成本，采用试制软模对该成形方法进行验证，模具零件材料采用普通HT300，模具零件表面采用简单热处理，分段式内支撑的实物如图5所示。

  分段式内支撑

零件收口间隙值作为判断前工序冲床工艺是否合理的依据，直接影响后期焊缝的质量（间隙过大会导致焊缝熔深不足，易出现疲劳开裂；间隙不均会导致焊道偏离，影响熔深），而焊缝质量影响零件的耐久性能，因此间隙值是衡量管梁质量的重要指标之一。

将零件的间隙值（≤1 mm，焊丝直径为φ1.2 mm）作为质量目标，通过研磨及2轮调试，零件最终满足设计要求，从零件最外端15 mm处每隔70 mm选取1个横断面，共选取16个横断面，对横断面处减薄率及收口处的间隙值进行测量，结果如图6所示。

 间隙值的实测值与分析值的对比结果

从图6可知，分析值与实测值基本吻合，间隙值呈正弦曲线变化，且包含2个周期，主要是由于端部有机械支撑，零件成形后回弹导致两端间隙值增大，中间部位（腔体内壁间隙值过小）由于在成形时管梁的上、下内壁产生了挤压，累计了部分残余应力，脱模后部分残余应力释放，导致间隙增大，其余部分在成形时回弹小且内壁无挤压，间隙值偏小，因此整个管梁的间隙值呈现正弦变化。图6中间隙值实测值波动幅度偏小，由于分析值测量的是节点间距离，实测值是边界距离，二者存在一定偏差，实测间隙值在1 mm以内，满足设计要求，有部分区域接近1 mm，为避免焊缝熔深不足，通过增加脉冲提升焊缝熔深。

由于局部手工剖切会产生较大毛刺，会对减薄率测量结果产生较大影响，为避免边界产生毛刺，采用三维激光进行剖切断面，减薄率的分析值与实测值的对比结果如图7所示。

 减薄率分析值与实测值的对比结果

减薄率测量时选择的是靠近圆角部位截面，所测量的部位减薄率均在9%以内，满足减薄率要求。最终的实物样件如图8所示，对其进行扭转疲劳测试，扭力横梁未出现疲劳开裂，满足耐久性要求。

 实物样件

3 结束语

针对不等径截面管梁无法通过卷圆工艺实现的问题，提出利用冲床方法来实现不等径截面管梁成形，通过3个工序冲床即可实现板材到管材的成形。

管梁收口的间隙值呈正弦曲线变化，且包含2个周期。对于不等径截面管梁，若要提升其刚性，中间部位腔体壁的贴合间隙要在0~1 mm，若要降低其运动时产生的异响，中间部位腔体壁贴合间隙应大于2 mm。一般不等径截面两端部位有支撑，中间无支撑，成形后端部的收口间隙值大于中间值，为减小端部收口间隙，需进行过整形。