翻卷管工艺及其成形模具比较研究

石效宽， 熊宇轩， 费依婷， 李 林， 郑玉卿

(湖州师范学院 工学院, 浙江 湖州 313000)

2014年GB11551《正面碰撞的成员保护》发布并实施.对车企来说，为满足正面碰撞保护法规要求，技术改进显得尤其重要.在不对客车车身主体结构进行较大改进，基本不改动或少改动原车制造模具、工装夹具及生产流程的前提下，采用特殊结构或零部件来改善轻型客车的耐撞性将是最理想的技术选择.随着全球汽车电动化战略的全面实施，新能源汽车车身结构需要重新设计.管形件由于重量轻、比强度高、成本低，已经陆续得到应用.在汽车碰撞中，翻卷管吸能过程稳定，是一种很理想的装置.从20世纪60年代开始，国内外先后对它进行了大量的试验和理论研究[1-3]，在航天着落器、直升机抗坠毁座椅等方面已实现技术应用[4].翻卷管由于其自身的性能，近年来有学者提出在汽车碰撞中应用翻卷管来吸收冲击能量以降低驾乘人员的伤害[5].车辆高速碰撞发生时，为降低碰撞过程对驾乘人员的伤害，车身结构在设计时必须考虑如何有效吸收碰撞过程中的冲击能量.前保横梁一定程度上可以通过自身形变来吸收撞击时的部分能量，但一般仅适用于低速碰撞工况，在众多高速碰撞测试或事故中，汽车发动机会侵入乘员舱使驾乘人员的伤害程度变大，此时前保横梁起到的吸能效果就显得极其有限.

1 翻卷管技术的应用现状

1.1 汽车碰撞安全方面

车辆发生高速碰撞时，要保护驾驶室内驾乘人员的安全，必须降低碰撞能量，这已是行业共识.此外，人体伤害程度与碰撞过程的减速峰值有很大的正相关关系[6].因此，汽车发生高速碰撞时还需考虑整车减速平稳，且减速值波动尽可能小.理想的金属翻卷管在冲击过程中的吸能相对稳定，如图1所示.实际测试的冲击力曲线波动也很小，如图2所示.特别在稳态塑性变形阶段，冲击力表现基本恒定，金属翻卷管的使用可保持碰撞发生时车身具有一个相对平稳的减速度.可见，金属翻卷管对动态碰撞车身来说是一种非常理想的吸能缓冲装置，主要被安装在前纵梁与前保横梁之间，且低速碰撞时易更换.

1.2 抗坠毁直升机座椅

翻卷管最早应用于直升机抗坠毁座椅，这是因为直升机作为一种特殊的飞行器种类而决定的.直升机的飞行速度相比固定翼飞机慢，在遭遇空中停车或发动机故障时，不能像固定翼飞机那样在较高的速度下进行滑翔.在发动机转速极低的情况下，飞机下降速度会加大，与传统的固定翼飞机降落姿态不同，很多情况下直升机的机舱底部最先着陆，导致飞行员遭受巨大的冲击载荷.直升机座椅骨架与椅盆之间安装翻卷管吸能器，可使冲击能量经过缓冲吸能后再传导至飞行员的骨盆和脊柱，通过翻卷管力学性能设计可将冲击载荷降低至飞行员可承受的范围内.吸能器工作原理如图3所示，它分为轴向拉伸和轴向压缩两种变形方式，可根据不同的应用场合加以利用[7].

直升机坠毁时的吸收冲击能量与车辆碰撞时的冲击能量的吸收机理类似.现阶段的汽车碰撞测试中，都比较关注车辆整体的吸能情况.而翻卷管作为一种吸能装置，可以将碰撞时的动能转化为塑性变形能.从内翻种类的翻卷管来看，如果把撞击力转换为对内翻端口的拉力，管件就可以反翻卷为单层管，且在外力作用下将内翻的端口进行拉伸.管件变成单层管时，涉及大量的能量吸收，使车辆的碰撞动能转化为塑性变形能，达到了保护驾乘人员的目的.

2 翻卷管的成形工艺

2.1 翻卷管的工作机理

翻卷管的吸能过程如图4所示.以拉伸吸能为例，翻卷管因受到轴向的拉力而内翻变形.变形前，AB段为初始曲率半径r的圆弧部分，AO段为曲率半径无穷大的直边.塑性变形后，A’B段曲率半径变为无穷大，A’O’段曲率半径变为r.在整个塑性变形过程中，变形区的形状和大小始终保持不变，轴向拉力相对恒定.

2.2 翻卷管的成形工艺

翻卷管的成形工艺，按照翻卷后直径的变化分为外翻、内翻和复合翻[8-10].外翻是将管材的内壁翻成外壁，翻卷后形成的管壁直径比原来大，如图5所示.内翻是将管材的外壁变为内壁，翻卷后形成的管壁直径比原来小，如图6所示.复合翻是将管坯的一端在向内翻的同时，将另一端向外翻，如图7所示.

外翻在翻卷管过程中，如果管材塑性变形能力较差，翻卷过程中口径变大极易出现裂纹，其成品在使用过程中，翻卷管也可能会断裂，而不能达到吸能功能[11].因此翻卷管不仅要选择正确的成形工艺，还要对材料塑性变形能力进行甄别优选.

按照成形时的温度，翻卷管的成形工艺又分为冷翻、热翻和轴压差温翻.冷翻无需对管件和模具进行加热，这种方法简便、洁净，应用广泛.热翻主要在冷翻卷管困难的情况下，针对管材塑性差或变形抗力大的材料采用的工艺，但加热后管坯整体抗屈曲能力下降，轴压易产生失稳，对翻卷管不利.轴压差温翻卷管主要针对热翻的缺点，将变形区进行加热以降低变形抗力，将传力区冷却以增强其抗失稳能力.对于翻卷过程中管件塑性差和变形抗力大等问题，轴压差温翻卷管是除冷翻和热翻外的另一种很理想的制造成形方法.

按照管子的受载方式，翻卷管的成形工艺又可分为轴压翻卷管、拉伸翻卷管、摆碾翻卷管、液压翻卷管等[12].轴压翻卷管在油压机上进行翻卷管，应用起来非常方便，但容易出现失稳.因为管壁若太厚，端口翻转比较困难；管壁若太薄，轴压过程中受力不均就会产生失稳变形.实验表明，影响翻卷管临界失稳力的主要因素是管坯长度、相对壁厚、材料的力学性能、组织结构和几何缺陷.用作翻卷管的管坯，力学性能沿周向总是存在着或多或少的差异，这种差异与管坯相对厚壁和材料强度的增大呈反相关，与几何缺陷呈正相关.拉伸翻卷管一定程度上避免了轴压翻卷管中管件失稳的问题，但需要额外增加一套加工配套模具，翻卷管件的尺寸精度可以由模具来控制，尺寸精度较高，而且可以加工出缝隙较小的双壁管，理论上用这种翻卷管方法的报废率比较低，但这种类型的模具结构比较复杂，加工成本较高.摆碾翻卷管是针对翻卷困难发展出的一种新的翻卷管方式，对厚壁管坯端口可以采用摆碾的方法，但对翻卷后的管件成形精度较难控制.

液压拉伸翻卷管模的结构类似冲压工艺中的圆孔翻边模.图8是拉伸翻卷管模具结构.上模板1固定在油压机滑块上；凹模6通过螺钉5和定位销2与上模板1连接固定；凹模6通过导柱10和导套7导向，其导向精度可根据翻卷管零件精度而定.将带法兰的管段置于压边圈4上，管坯另一端向下，当上模板1向下行时，凹模6将置于压边圈4上的毛坯法兰部分压紧，法兰部分金属不参与塑性变形，调整到适当的压边力后，上模板1停止下行.开动油压机顶出机构，通过顶杆9及顶板8，将凸模3向上推动，在凸模上行过程中，先与管坯接触，继而使管坯沿半径为Rp的凸模圆弧部分环形塑性流动(图9)，经过凸模圆弧部分后，形成翻卷管的外壁，凸模继续上行，直至达到所需要的翻卷管件高度后，油压机顶出机构回程，带动凸模下行，上模板带动凹模向上提起后取件，从而完成一次拉伸翻卷管过程.图9是凸模处的管件塑性变形.凸模这一概念最早由西方学者提出，在拉伸翻卷管工艺中，凸模有效地解决了轴压翻卷过程中外层管易失稳弯曲的情况.

综上所述，采用拉伸内翻工艺对金属管件进行翻卷管，加工实现的可能性较大，但拉伸翻卷管的模具结构比较复杂，且模具加工成本较高.目前，国外越来越多的学者开始进行内翻方法的研究.内翻管的外管是初始管材，其直径不发生变化，表面质量好，因而内翻管件比外翻管件具有装配精度高、应用性强的特点，且不易出现裂纹.而上述已提到，拉伸翻管过程避免了轴压翻管过程中的失稳现象，拉伸内翻比其他翻管方法成功率更高.下一步需重点考虑优化翻卷管模具结构以及降低设计和制造成本.

3 翻卷管模具与成本估计

3.1 翻卷管成形模具发展现状

在目前的翻卷管成形模具中，应用最广泛的是锥形模和圆角模[13]，其加工翻卷管示意图见图10和图11.这两种模具应用于轴压翻卷管上，在薄壁管轴压翻卷管过程中管件容易发生失稳现象，需要优化设计锥形模的倾斜角度和圆角模的成形圆弧倒角，才能降低翻卷管过程中的轴向抗力.此外，锥型模翻卷管中管坯与模具之间容易出现滑动现象，翻卷出的外层管容易弯曲，与内层管的同心度不易保证.

圆角模由锥形模发展而来，其翻卷管弯曲程度、尺寸精度以及与内管的同心度较好.但此类模具一种尺寸只能翻卷一种内径尺寸的管坯.这种模具在设计时主要考虑翻卷管圆角半径r，如图4中的半径r，r会直接影响翻卷管的成形外径，r过大，管坯件在翻卷过程中会沿圆弧面连续扩展，管口容易撕裂；r过小，翻卷管轴向变形力会急剧增加，导致管坯的传力区管壁失稳.

上述两种类型的轴压模具，其优点在于结构简单，加工成本低廉，小批量试制成本低，适合新型管材前期研发的试制加工；拉伸翻卷管的成功率较高，且设计了凸模，双层管壁间距的尺寸可以控制，因此翻卷管的尺寸易控制.缺点在于模具结构过于复杂，批量加工具有优势，小批量试制的加工成本相对较高，不适合新材料管材的前期研发试制.

3.2 翻卷管模具成本对比

以H13模具钢为材料加工翻卷管模具，翻管坯料外径为100 mm、壁厚为2 mm为例，通过向当地模具加工厂调查询价，对锥形模、圆角模和拉伸模3种模具的开发成本进行市场调研，成本估算见表1[14-15].锥形模和圆角模的管材用料和设计费用非常接近，锥形模的加工费用比圆角模略低，而拉伸翻管模既需要设计凸模和凹模，还需要设计相配套的上模板和下模板，用料和加工费用也会增加不小.由此可见，锥形模或圆角模的综合成本是拉伸翻卷管模的1/3左右.一般情况下，锥形模和圆角模应用于轴压翻卷管上，外壁失稳情况目前尚不能得到完美的解决，只能对延展性较好的金属管材如铝、铜等材质才可以实现，且对应的锥形角和圆弧倒角尺寸需要进行仿真优化设计方能降低翻管加工报废率.拉伸模的作业精度可控，薄壁翻管质量较高，模具安装在液压机上易实现自动化.如果确定采用拉伸翻卷工艺制造加工薄壁翻卷管，这种类型的模具在不影响翻卷管效果的情况下，就需要进行合理的结构和加工次序优化设计，提高原材料的利用率[16]，才能保证降低模具的用料和加工成本，从而利于大规模的批量生产.

表1不同翻卷管模具的开发成本对比

Tab.1Thedevelopmentcostcomparisonofdifferentinvertubedies

项目设计费/万元材料费/万元加工费/万元配套夹具/万元合计/万元锥形模0.20.30.250.10.85圆角模0.20.30.350.10.95拉伸模0.81.01.00.63.4

4 结 论

(1) 翻卷管冲击吸能性稳定，在直升机抗坠毁座椅骨架和个别汽车型号中作为缓冲吸能器已得到应用.目前各国新能源汽车电动化战略大力推进，燃油发动机将逐渐被电机、电池系统所取代，在碰撞安全方面，翻卷管无论作为碰撞吸能盒还是电池保护缓冲器等都具有较大的应用前景.

(2) 翻卷管在理论上可由多种成形工艺实现，但考虑到目前现有的技术局限和翻管成形工艺，拉伸内翻工艺具有较好的研究价值，虽然成本较高，但比外翻的成功率更高，精度更好，变形稳定.目前外翻翻卷管在车身上应用的突出问题仍聚焦在批量制造工艺、翻管加工成功率和碰撞稳定性上，外翻成形必须优选具备良好塑性变形能力的金属管材，以降低报废率.

(3) 在翻管制造加工过程中，建议综合考虑产品批量、模具成本、成套设备成本投入及加工效率之间的关系再合理地选择成形工艺.