汽車縱梁的成形仿真分析及工藝優化

文/柴克文，何桂嬌·安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心

汽車縱梁的成形仿真分析及工藝優化

文/柴克文，何桂嬌·安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心

柴克文，沖壓工藝工程師，主要從事汽車覆蓋件的工藝設計及新開發模具的調試工作。

根據縱梁外形對其成形過程進行模擬，縱梁造型最高點與最低點之間落差較大，在成形過程中在落差較大的區域形成懸空區，產品容易起皺。通過分析起皺原因，在懸空區增加壓料芯進行模擬。在產品可接受范圍內，在拉延過程中對懸空區壓料進行處理，對普通拉延模具進行改進，使模具結構達到工藝要求。

駕駛室縱梁是車身中主要的連接及受力零件，是車身高強度鋼中的困難件，更是汽車沖壓件生產領域的一個短板。由于成形過程較難控制，各車型縱梁零件形狀各異，各車型縱梁成形方式各不相同，模具調試周期長，匹配性差，往往很難達到預期設定的相關技術指標，主要表現為零件開裂、起皺、回彈嚴重、扭曲、模具拉毛、面精度低等。零件的成形性及精度得不到保證，嚴重影響地板總成及白車身的精度。

沖壓成形工藝分析

拉延是沖壓件成形最重要的工序，通過拉延沖壓件的形狀基本或全部呈現，其直接影響沖壓件精度及外觀品質。拉延工藝設計過程主要包括對零件數模進行分析、確定沖壓方向、對沖壓件的孔進行填充、確定修邊線、設計壓料面、對沖壓件進行工藝補充、拉延筋的設計、初步確定拉延用板料的尺寸。

產品分析

縱梁是卡車駕駛室重要的承重零件，縱梁總成更是白車身的基準，其與駕駛室前、中、后地板搭接構成整個地板總成，縱梁的精度直接影響著白車身的整體精度。圖1為江淮某輕卡縱梁零件。

圖1 縱梁零件圖

該縱梁零件的材質為B170P1（表1為B170P1基本參數），料厚為1.2mm，零件長1140mm、寬430mm、深度270mm，零件整體呈S形；零件造型較復雜，工藝設計時要考慮成形過程中零件起皺、開裂的問題，以及零件的回彈控制、扭曲變形。由于縱梁需與前、中、后地板同時搭接，縱梁造型呈前后不同的兩段落差，此落差急劇且深度為216mm，拉延成形時極容易起皺疊料，同時前后兩段落差段呈S形，側壁角度為93°，成形后會產生扭曲變形，零件側壁與縱梁加強板搭接成形性差，存在回彈，拉深成形后需整形確保零件尺寸精度，零件前段造型限制無法拉延成形，需后期整形。

表1 B170P1基本參數

沖壓方向的確定

圖2為縱梁沖壓方向，方向確定時，主要考慮以下因素，拉延工序下不存在沖壓負角；工件拉延過程定位可靠不存在竄料等現象；沖壓件整體拉延深度盡可能小；為保證拉延過程材料流動的均勻性，應盡量擴大坯料進入凹模時的接觸面；沖壓件各部分拉延深度應盡量相差不大。

圖2 縱梁沖壓方向

設計壓料面

設計拉延壓料面應保證整個壓料面過渡平順，控制合適的拉延深度（太深降低材料利用率，太淺容易塑性變形不充分，零件剛性不足），為保證拉延過程中坯料均勻的流動并且逐漸貼合凸模，壓料面應和零件形狀相似，圖3為縱梁壓料面形狀。

圖3 壓料面形狀

對零件進行工藝補充

工藝補充是根據零件形狀特點添加合適的補充部分以便成形出合格零件，其對拉延過程及結果影響巨大，坯料的變形，工藝參數以及零件表面質量和精度等都受到工藝補充的影響。圖4為縱梁的工藝補充，根據工藝設計，前段需攤平做工藝補充為更好的成形，對局部拉伸深度較大且不易流動的補充區域進行局部圓角擴大增加工藝補充量，防止此處拉延開裂，工藝補充最淺拉延深度為140mm，最深拉延深度為195mm。

圖4 縱梁工藝補充

坯料形狀及尺寸的確定

坯料形狀及尺寸是一個很重要的工藝參數，板件的大小及形狀影響著拉延成形過程中材料流動的均勻性及塑性變形是否充分，影響板件的成形極限，同時影響修邊余量及材料利用率。為了達到更好的零件成形情況及提高材料利用率，確定毛坯形狀如圖5所示，板料采用方料，在拉延之前增加落料工序。

圖5 落料形狀

成形過程模擬

拉延工序模擬與分析

設置模具與板料之間的摩擦系數為0.15，拉延筋采用虛擬筋，圖6為拉延模擬初始狀態，其結構為凹模在上，凸模在最下，中間壓邊圈，板料在壓邊圈之上，拉延模擬成形過程為凸模不動，凹模向下移動與壓邊圈接觸壓緊板料，然后共同下移完成與凸模的成形貼合過程。

圖6 拉延模擬初始狀態

根據拉延模擬的結果對相關參數進行更改設計，在壓邊力為900kN，拉延深度為195mm，摩擦系數為0.15的情況下，模擬結果如圖7所示。

圖7 工藝分析結果

拉延工序模擬優化

根據以上模擬結果可以看出，在縱梁臺階急劇變化的地方有增厚起皺，并且無法消除，影響零件質量，且此處與縱梁內板加強板搭接無法增加吸皺筋，其他地方成形均勻，符合設計要求。經過分析，由于零件結構此處變化急劇，在成形過程中由于沒有設置預彎工序，成形過程中凸凹模貼合時間不同，此處較其他地方貼合較晚，形成懸空區引起材料流動不均勻，導致產品件起皺嚴重。

由于產品件造型復雜，目前已通過5道工序完成此零件從板料到產品件的出件，從模具工裝成本及生產經濟性考慮不增加預彎工序，所以對拉延模擬過程進行調整再次進行模擬分析，具體方案是根據以上模擬的結果在拉延開始時就對起皺嚴重的地方進行壓料，具體如圖8所示，確保板料在拉延過程中流動的均勻性，來降低縱梁零件變化急劇地方起皺、疊料的風險。

圖8 凹模拉延壓料位置

調整后的拉延模擬初始狀態，除了在凹模相應部位增加活動壓料面外，其余和第一次模擬初始狀態基本相似，設置壓邊力為900kN，摩擦系數為0.15，活動壓料面的壓料力為3MPa。

圖9所示為在凹模設置活動壓料面的拉延模擬結果和材料成形極限圖，對比第一次模擬結果及成形過程，可以看出縱梁急劇變化的地方只存在輕微的起皺，總體零件成形均勻符合產品設計的要求。

拉延凹模壓料面結構的優化設計

根據以上分析結果可以看出，在凹模設置活動壓料面的結果優于普通分析結果，但是凹模設置活動壓料面需對拉延模具進行改進。圖10所示為改進后縱梁拉延模具的結構，一端為可伸縮的彈性壓料機構安裝于凹模的底部，可伸縮端面為凹模局部工作型面，在機床上滑塊帶動下凹模下行，當上模下行時伸縮端的端面沿模具沖壓方向運動到一定位置后彈性壓料機構的伸縮端首先與板料接觸，并將板料壓緊在凸模上，凹模繼續下行，直至彈性壓料機構的伸縮端面與凹模的模面平齊，此時模具閉合，完成整個拉延過程；之后，凹模在機床上滑塊的帶動下向上移動，彈性壓料機構將工件推出凹模，在凹模內部限位作用下伸出到一定位置。

彈性壓料機構包括固定座、伸縮彈性元件、料芯、墊塊和限位塊，固定座固定于凹模底面上，伸縮彈性元件安裝在固定座上，壓料芯的端面與板料接觸后沿模具沖壓方向反方向運動，直到接觸到限位塊，此時模具閉合拉延結束，伸縮端面與凹模型面平齊。由于伸縮端面為凹模型面一部分，同時為提高預變形效果壓料芯的可伸縮端面形狀根據制件的形狀設定。本縱梁端面形狀為零件落差較大處形狀；為防止壓料芯晃動而導致的板料竄動，提高結構性能，壓料芯上設置有中心線沿著模具沖壓方向延伸導向孔，伸縮彈性元件的一端穿過導向孔與壓料芯連接，導向孔內設置墊塊防止壓料芯受力損壞。

圖9 在凹模設置活動壓料面的工藝分析結果

圖10 優化后模具結構

CAE分析情況與量產情況對比

縱梁底面落差處存在輕微不平整，在可接受范圍內，與CAE模擬分析結果一致，此處材料增厚，后段閉合處存在疊料現象，增加吸皺工藝，CAE模擬分析時料片此處存在疊料，由于對廢料區未做處理，實際疊料嚴重對模具影響較大。

結束語

本文對汽車駕駛室縱梁進行成形過程仿真分析，根據結果對相關模擬過程進行優化，并且通過改進拉延模相關結構實現工藝的設計。通過模擬狀態對比，在懸空處增加壓料裝置能顯著改善成形過程材料的流動，提高材料的成形性能，降低起皺缺陷；通過模擬狀態與實物對比，確定模擬結果與實際狀態結果類似。根據現場情況做一定的調整就可調試出合格的沖壓件；整個模擬的過程及結果有效地指導了工藝設計的優化、模具結構的設計及調試出件的驗證過程。