車架內外縱梁一體成形模具設計與應用

文/徐迎強、湯敏、劉程、張國兵·安徽江淮汽車股份有限公司

車架內外縱梁一體成形模具設計與應用

文/徐迎強、湯敏、劉程、張國兵·安徽江淮汽車股份有限公司

縱梁是卡車車架的骨架部分，傳統生產流程為內外縱梁各自成形后裝配鉚接，存在工裝開發成本高、鉚焊裝配困難及需要削減縱梁的抗彎強度等問題，本文分析了內外縱梁一體成形工藝設計及結構設計的特點，并將制造加工出的模具成功應用于多個項目中。

縱梁是卡車車架的骨架部分，縱梁長度一般為5～10m不等，從其斷面來看汽車車架縱梁是典形的U形件，包括內縱梁和外縱梁零件。一般傳統成形工藝，汽車車架縱梁內外板是各自落料沖孔，各自成形，模具開發成本高，成形后考慮精度存在差異，容易造成縱梁內外板裝配孔位置不吻合，導致鉚焊裝配困難，且內外板形面因不吻合導致裝配間隙大，裝配間隙大會削減縱梁的抗彎強度。

內外縱梁一體成形是在一副模具中完成內外縱梁的成形，主要工藝流程包括：①首先將車架縱梁內、外板各自落好料，預留塞焊孔位；②將各自落好的車架縱梁內、外板料按照裝配的位置塞焊在一起，并打磨處理；③將焊接在一起的車架縱梁內、外板放入縱梁成形模里成形。本工藝避免了縱梁內外板各自成形孔位置不對位造成裝配困難的問題，并且裝配間隙也很小，提高縱梁的抗彎強度，減少成形模具投資成本并降低生產成本，應用前景廣闊。

零件工藝性分析

圖1 內外縱梁零件圖（A外梁、B內梁）

圖1為內外縱梁零件圖，零件材料都為B510L（屈服強度≥355MPa，抗拉強度為510～630MPa，延伸率≥24%），內縱梁厚度為3.0mm，外縱梁厚度為5.0mm，外觀尺寸為5722mm（內梁為5007mm）×170mm×131mm，臺階落差為50mm，內縱梁內外R角為3mm及6mm，外縱梁內外R角為5mm及10mm。該產品的主要技術要求：生產節拍（≥3.5SPM）、張口度（0～2mm）、上下翼面不齊度（±1mm）、扭曲度（3mm）、翹曲度（4mm）、臺階落差（±2mm）及面品（在全長范圍內，上下翼面及腹面不得有起皺、拉毛、暗傷和裂紋等缺陷）。

由于內外縱梁一體成形工藝的特點，內梁外R角與外梁內R角設計一致，考慮最小內R角要求（內R≥料厚t）及零件回彈控制特點，外梁內R角從R5→R6mm。在外梁落料沖孔模不調整的基礎上，板料R角處中性層弧長變更：△L=L變更后-L變更前=(2+п×7.5/2)-п×8.5/2=0.42(mm)，如圖2所示，因此外梁翼面料邊及孔位向翼面上方移動0.42mm?？紤]內外梁孔位同心要求及現有內梁落料沖孔工藝方案（等離子切割+數控沖），同步調整內梁翼面料邊及孔位向翼面上方移動0.42mm。根據車架裝配中縱梁鉚接孔直徑（φ11mm）與鉚釘直徑（φ10mm）相差1mm，孔位變更在公差范圍內，不影響鉚接操作，同時裝配件裝配精度均用相應工裝夾具保證，因此裝配件（橫梁及支架等）不作調整。

圖2 板料R角處中性層弧長

現有外梁變截面圓角如圖3所示，僅為R15～R25mm，而凸R多料處模具較易磨損、易多料；凹R少料處翻邊容易開裂或者變薄率超差，同時由于過渡區圓角小，零件成形后變形均勻性相差大，零件成形后容易產生形面扭曲。圖4為成形仿真結果，經產品核對提出ECR，其過渡圓角R15mm調整為R85mm，R25mm調整為R95mm。

圖3 外梁變截面圓角

圖4 成形仿真結果

模具結構設計

圖5和6為車架內外縱梁一體成形模斷面圖，它是典形的成形模結構，凸模在上，凹模和托料板在下，由機床頂桿提供托料力。本模具凸模、凹模采用鑲塊拆換的拼接方式，凸模成形鑲塊固定于凸模固定座上，凹模成形鑲塊固定于凹模固定座上。固定座以T形螺栓和銷釘固定在相應模架上，生產不同產品時，采用抽、插、平移鑲塊的形式組合不同結構，實現快速換模。

圖5 車架內外縱梁一體成形模斷面圖（單梁區域）

圖6 車架內外縱梁一體成形模斷面圖（雙梁區域）

圖7 導正銷及卸料桿裝配圖

圖7為導正銷及卸料桿裝配圖。導正銷通過導正銷固定板以螺釘固定在凸模成形鑲塊上，后端裝配上彈簧及彈簧固定板，彈性結構可防止零件定位不準后導正銷無法導入零件孔產生干涉。導正銷材質為調制處理的45鋼，導正銷工藝孔數量需根據產品形狀及長度來定，本模具用5個導正銷工藝孔，右側整個平面段設置3個導正銷，工藝孔徑為φ28mm，其中左側變截面段設置2個導正銷，考慮板料流動采用腰形孔，工藝孔徑為25mm×40mm，導正銷導入長度要足夠長，保證在成形之前20mm準確定位。

圖8 凸模臺階造形

圖9 模具實物圖

圖10 零件實物圖

由于車架縱梁成形到底時縱梁零件包裹在凸模上，需要進行強制卸料，本模具卸料為彈簧彈性卸料，卸料行程為60mm，根據經驗，模具的卸料力不小于成形力的6%，本模具卸料力不小于1800kN，一個TM70的彈簧卸料力為16kN，需安裝彈簧113個，且等截面區域均勻分布，變截面區域分布加密。

在產品內梁端頭處，凸模設置臺階造形，考慮內梁下料工藝的公差，模具上臺階變更位置超出止口3mm，避免成形時模具與料片干涉，影響成形效果，臺面位置光滑圓角過渡處理，如圖8所示。

實物及生產驗證

根據上述設計工裝結構圖，設計加工出內外縱梁一體成形模具，上模與下模實物如圖9所示，利用該模具進行了零件試制，試制零件如圖10所示，經三坐標精度檢測，各項指標達標，裝車時孔位一致性提高，車架總成精度合格。

結束語

本文研究應用內外縱梁一體成形模具，研究了工藝設計及結構設計的特點，并將設計加工出的模具成功應用于多個項目中。本工藝避免了縱梁內外板各自成形孔位置不對稱造成裝配困難的問題，并且裝配間隙也很小，提高縱梁的抗彎強度，減少成形模具投資成本并降低生產成本，應用前景廣闊。

徐迎強，工程師，主要從事車身沖壓過程CAE仿真，工藝文件編制、模夾具調試、品質基準書編制及公差分析工作，主持完成調試瑞風M3項目獲得安徽省省級科技成果獎，擁有14項專利。