汽車(chē)后地板左/右縱梁沖壓成形性分析及模具設(shè)計(jì)

文/王海玲，陳世濤，何鵬申·安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心

汽車(chē)后地板左/右縱梁沖壓成形性分析及模具設(shè)計(jì)

文/王海玲，陳世濤，何鵬申·安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心

本文主要對(duì)汽車(chē)后地板左/右縱梁的沖壓工藝進(jìn)行成形性分析，并通過(guò)CAE軟件進(jìn)行有限元仿真模擬，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化工藝方案，規(guī)避后期工裝開(kāi)發(fā)難點(diǎn)。此外，針對(duì)該縱梁沖壓件調(diào)試過(guò)程中容易出現(xiàn)的起皺、回彈、扭曲問(wèn)題，提供有效的控制方法和解決措施。

王海玲，主要從事汽車(chē)車(chē)身沖壓件工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，曾參與多款車(chē)型的汽車(chē)車(chē)門(mén)、頂蓋、前圍外板及高強(qiáng)鋼零件等沖壓件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；獲得實(shí)用新型專(zhuān)利二十五項(xiàng)。

汽車(chē)梁類(lèi)件起著支撐車(chē)體輪廓和承受車(chē)體重量的作用，是重要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和安全部件，而縱梁則是各種車(chē)輛的基本骨架，在整車(chē)裝配時(shí)對(duì)其尺寸精度、搭接要求較高，其模具設(shè)計(jì)在汽車(chē)模具領(lǐng)域具有特殊地位。

如圖1所示，汽車(chē)后地板左/右縱梁一般為細(xì)長(zhǎng)槽形件，腹面、翼面多有落差，不僅在高度方向上有起伏，在水平方向上也有彎曲，對(duì)于鉚合式底盤(pán)的裝配，其尺寸精度要求較高。后地板左/右縱梁除具備與后地板有很好的協(xié)調(diào)裝配間隙精度、表面一致性之外，在機(jī)械方面還必須滿(mǎn)足一定的剛度，以保證其在整個(gè)底盤(pán)件中對(duì)車(chē)身的支撐、減振等方面起著重要的作用。

圖1 某轎車(chē)后地板左縱梁

產(chǎn)品成形性分析

以我公司某車(chē)型轎車(chē)后地板左縱梁開(kāi)發(fā)為例，如圖1所示，該縱梁采用B340LA材質(zhì)，料厚1.4mm，零件所用板料較厚且鋼板強(qiáng)度較大，采用兩端開(kāi)口拉延，會(huì)導(dǎo)致板件成形效果較差，極易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象且后期無(wú)法消除。該后地板左/右縱梁采用局部開(kāi)口的封閉拉延成形方式，由于封閉拉延時(shí)金屬切向減薄嚴(yán)重，容易出現(xiàn)拉延開(kāi)裂，因此對(duì)毛坯形狀也有一定的要求，選用圖2所示的坯料形狀時(shí)，可有效緩解上述問(wèn)題。

圖2 后地板左/右縱梁坯料形狀

對(duì)上述拉延成形工序進(jìn)行過(guò)程模擬，并針對(duì)成形結(jié)果進(jìn)行分析：

⑴在沖壓方向的垂直面上，測(cè)量毛坯各邊金屬流入凹模的量，發(fā)現(xiàn)該件成形時(shí)拐點(diǎn)處金屬流入量較多，分別為97.66mm、79.38mm；另一方面，成形時(shí)板件腹面料流難以控制，從而引起金屬的堆疊，最終導(dǎo)致成形時(shí)起皺。

⑵根據(jù)毛坯整體趨勢(shì)分布圖，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品成形后增厚率較低，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。在合模過(guò)程中由于拐點(diǎn)附近金屬流動(dòng)困難，法蘭區(qū)域金屬流入凹模速度相對(duì)較緩。此外，當(dāng)凸緣切向壓應(yīng)力超過(guò)板材的臨界壓應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起塑性失穩(wěn)，從而形成起皺趨勢(shì)，此過(guò)程直至合模結(jié)束，滯留金屬流向兩端及腹部，起皺趨勢(shì)逐漸減輕。

拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

拉延是板件成形的重要工序之一，其成形效果的好壞直接影響沖壓件的最終質(zhì)量，因此如何優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)有效控制坯料成形時(shí)的板料流動(dòng)，從而避免起皺、開(kāi)裂變得尤為重要。

普通拉延模主要依靠周圈拉延筋控制成形時(shí)周圈料流快慢，但對(duì)于后地板左/右縱梁的成形，由于板件較厚、形狀較復(fù)雜、材質(zhì)抗拉強(qiáng)度高，成形時(shí)中間區(qū)域的料流控制相對(duì)較弱，很容易造成產(chǎn)品中間區(qū)域起皺。該后地板左/右縱梁拉延模采用一種帶壓料芯結(jié)構(gòu)的拉延模具，可有效解決板料中間區(qū)域的起皺問(wèn)題。

如圖3所示，該縱梁拉延模具中設(shè)計(jì)有壓料芯機(jī)構(gòu)，用于產(chǎn)品中間腹面區(qū)域的壓料，同時(shí)采用氮?dú)鈴椈蓙?lái)提供成形時(shí)的壓料力。根據(jù)產(chǎn)品拉延深度確定壓料芯的工作行程，初始狀態(tài)時(shí)，壓料芯上的凹模型面要低于凹模鑲塊構(gòu)成的凹模型面約5mm。工作時(shí)應(yīng)保證上模座與壓邊圈配合壓料，要先于壓料芯與凸模配合壓料約5mm，即上模座與壓邊圈配合壓住板料時(shí)壓料芯尚未接觸板料。

圖3 后地板左縱梁拉延模剖視圖

沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，上模座隨著壓機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，凹模鑲塊與壓邊圈鑲塊配合將坯料周圈壓緊，然后上模座與壓邊圈共同向下運(yùn)動(dòng)，坯料開(kāi)始成形。隨后，在板料周圈壓緊后、凸模剛開(kāi)始成形時(shí)，壓料芯與板料接觸并將板料中間區(qū)域壓緊，控制坯料中間區(qū)域的料流。

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，該種帶有壓料芯結(jié)構(gòu)的拉延模具可有效控制板件中間區(qū)域成形多料起皺的質(zhì)量問(wèn)題。

回彈、扭曲問(wèn)題分析及其解決方法

由于后地板左/右縱梁自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，腹面、翼面均有落差，且在水平方向上為彎曲造型，其沖壓成形存在多種回彈、扭曲問(wèn)題，大致可分為以下5種類(lèi)型。

腹面拐點(diǎn)回彈

腹面拐點(diǎn)回彈主要是拐點(diǎn)處校形力不夠所致，大致由以下幾方面引起：⑴機(jī)床壓力不足；⑵未采取有效手段增加拐點(diǎn)區(qū)域校形力；⑶整形模對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件（如頂件器）未采取有效措施防止失穩(wěn)；⑷由于腹面落差比較大，凸模也承受一定側(cè)向力，而模具沒(méi)有設(shè)計(jì)相應(yīng)的防側(cè)偏裝置。

針對(duì)以上因素，在模具結(jié)構(gòu)和調(diào)試中采取以下控制方法：⑴增大壓制壓力；⑵為使腹面拐角區(qū)域充分校形，設(shè)計(jì)時(shí)凸模拐點(diǎn)區(qū)域高出相鄰面0.2 mm，并與相鄰面圓滑過(guò)渡；⑶增加整形模壓件器的穩(wěn)定性，為避免其沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生竄動(dòng)，導(dǎo)向間隙不宜過(guò)大，盡可能按滑配取值；⑷對(duì)于腹面落差比較大的產(chǎn)品，模具設(shè)計(jì)時(shí)上下模要設(shè)計(jì)有效的防側(cè)部件；⑸即使以上因素都得到控制，但由于此類(lèi)制件的特殊性，不可能完全消除回彈，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取適當(dāng)?shù)幕貜椊堑窒貜棥?/p>

兩側(cè)翼面回彈

兩側(cè)翼面回彈主要包括張口、收口兩種特征，對(duì)于收口回彈現(xiàn)象，多數(shù)原因是由于壓邊圈壓料力不足或壓料初始位置頂件器上型面低于凹模口所致。此外，成形壓力過(guò)大也會(huì)造成收口，此處不多論述，現(xiàn)主要分析張口回彈的主要原因及解決措施。

張口回彈形成的主要原因?yàn)椋孩艌A角部位校形力不夠，不足以克服其彈性變形或屈服強(qiáng)度；⑵凸、凹模間隙過(guò)大；⑶翼邊拐角區(qū)域間隙控制不好造成局部變形（張口或起皺）。

相應(yīng)解決措施：⑴整形凸模底面鏤空，增強(qiáng)圓角區(qū)校形；⑵凸、凹模間隙采取圓角鏤空；⑶針對(duì)拐角部位，適當(dāng)減小變薄區(qū)間隙，適當(dāng)放大增厚區(qū)間隙。

兩側(cè)翼面扭曲

⑴平直段間隙不均導(dǎo)致扭曲，通過(guò)提高加工、裝配與鉗工研磨質(zhì)量，能避免立邊產(chǎn)生的波紋變形。⑵退料器位置設(shè)置不合理，零件退料不平衡導(dǎo)致翼面變形。合理選擇退料器安裝位置，能避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。⑶翼面翻邊整形時(shí)少料區(qū)域應(yīng)力不均衡，是造成翼面扭曲的主要原因，因此在拉延工序中相應(yīng)區(qū)域適當(dāng)做出工藝補(bǔ)充余料，可以從根本上解決此問(wèn)題。

腹面扭曲

退料裝置位置設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致腹面變形。退料彈性頂銷(xiāo)及退料氣缸要均勻布置，在靠近拐點(diǎn)立邊平直部位設(shè)置退料器，若平直段較長(zhǎng)，可再增加一組退料器，退料器前后兩側(cè)要保證同時(shí)與板料接觸。

整體外形扭曲、兩側(cè)翼邊高低不一

板件整體扭曲的主要原因：⑴縱梁腹面、翼邊多拐點(diǎn)，無(wú)導(dǎo)正措施。在凸模初始觸料與料流入凹模時(shí)，板料發(fā)生前后偏移，導(dǎo)致成形過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而成形結(jié)束后，其應(yīng)力釋放使縱梁外形變形；⑵翼邊拐點(diǎn)處因?yàn)椴牧献儽』蜃兒瘢謩e產(chǎn)生一組或幾組相反的應(yīng)力，脫模后應(yīng)力釋放無(wú)法抵消，進(jìn)而導(dǎo)致扭曲變形。

對(duì)于整體外形扭曲，生產(chǎn)中可采取以下措施解決：⑴在坯料易產(chǎn)生偏移的拐點(diǎn)區(qū)增加導(dǎo)正銷(xiāo)；⑵凹模口采用斜面結(jié)構(gòu)，使材料更易流入；⑶有效控制翼面拐角區(qū)域間隙，在不影響使用的前提下，相鄰拐點(diǎn)圓角應(yīng)盡可能一致；⑷成形中少料區(qū)域要設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝余料進(jìn)行補(bǔ)償，以減少應(yīng)力差。

通過(guò)以上改進(jìn)，最終得到的產(chǎn)品拉延件如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品拉延件

結(jié)束語(yǔ)

縱梁類(lèi)沖壓件是整車(chē)開(kāi)發(fā)中必不可少的沖壓件之一，起皺、扭曲、回彈等質(zhì)量問(wèn)題普遍存在，開(kāi)發(fā)難度較大，通過(guò)數(shù)值仿真模擬可有效實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程分析，并有效指導(dǎo)產(chǎn)品過(guò)程開(kāi)發(fā)。此外，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)帶有壓料芯結(jié)構(gòu)的拉延模可有效解決起皺現(xiàn)象，大幅提高沖壓件成形質(zhì)量。另一方面，企業(yè)可針對(duì)后地板左/右縱梁開(kāi)發(fā)時(shí)存在扭曲、回彈問(wèn)題，在生產(chǎn)調(diào)試階段進(jìn)行分析、驗(yàn)證，總結(jié)扭曲、回彈因素及其解決方法，為后續(xù)梁類(lèi)沖壓件開(kāi)發(fā)提供借鑒。