汽車縱梁類件的沖壓工藝優(yōu)化

文／劉君君·奇瑞商用車（安徽）有限公司

汽車沖壓零件模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是在成形類模具上，因?yàn)槌尚喂ば蚴潜ＷC零件焊接幾何形狀及尺寸的主要工序，因此，一個(gè)零件在工藝設(shè)計(jì)前的工藝分析是至關(guān)重要的。本文通過對具有一定代表性的汽車縱梁進(jìn)行工藝及結(jié)構(gòu)分析，確定零件的成形工藝，利用AutoForm及UG為輔助工具，通過優(yōu)化傳統(tǒng)工藝達(dá)到提升縱梁類產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

汽車縱梁具有材料厚、強(qiáng)度高、形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高、回彈大等特點(diǎn)，是一個(gè)典型的U形結(jié)構(gòu)件。在整個(gè)成形過程中，成形和翻邊工藝非常重要，下面以我公司CX62車型為例，介紹汽車縱梁的成形工藝及模具設(shè)計(jì)。

工藝現(xiàn)狀

⑴零件材料。

該汽車縱梁的零件材料為HC340/590DP，是加磷、料厚為1.8mm的超低碳鋼。屈服強(qiáng)度340MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa的雙相鋼，在低碳或者超低碳中通過添加一定含量的磷、錳固溶強(qiáng)化元素來提高強(qiáng)度，同時(shí)這種鋼又具有較好的成形、強(qiáng)度性能，能夠滿足成形及使用安全的需要。零件圖如圖1所示。

⑵零件相關(guān)技術(shù)要求。

1）成形后的材料最薄處不能小于料厚的80%，變薄率最大20%。

2）制件必須避免縮頸、開裂、毛刺、扭曲、反彈等缺陷。

⑶零件的沖壓工藝分析。

零件有兩種沖壓工藝方案，一是落料+成形，二是拉延+修邊。對任何一個(gè)零件進(jìn)行工藝分析時(shí)，都要在滿足質(zhì)量、效率、安全、穩(wěn)定、方便的前提下，盡量的降低成本，因此，優(yōu)先考慮的是落料+成形工藝。

圖1 零件圖

圖2 零件截面

零件兩端頭為開放式造型，具備成形工藝的前提條件。另外，該零件的多個(gè)截面均為U形截面，且零件的深度方向深度較深、高低落差較大（圖2），如果采用拉延工藝，將導(dǎo)致產(chǎn)品兩側(cè)產(chǎn)生反彈、反弧和扭曲。同時(shí)，如果采用拉延工藝，對拉延模具的材料硬度及粗糙度的要求也將更高，一般來說上模及壓邊圈的表面都需要做TD處理，增加了模具的制造和后期生產(chǎn)維護(hù)的成本。因此，在該零件具備了成形工藝的前提條件下，設(shè)計(jì)人員優(yōu)選落料+成形工藝，并且著重分析其工藝的可行性。

在初步確定了成形工藝后，設(shè)計(jì)人員需要盡量考慮該工藝可能存在的一些問題和隱患，并在制定工藝思路時(shí)盡量避免。通過綜合考慮，如果采用傳統(tǒng)的成形工藝，由于成形型腔深且高低落差大，板料在經(jīng)過凹模口進(jìn)入凹模型腔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生塑性彎曲，使產(chǎn)品產(chǎn)生反弧（圖3），反弧一旦形成后，將給我們后期的制件整改工作帶來很大的難度，必須避開這條思路。

圖3 傳統(tǒng)成形工藝示意

鑒于前面的分析，設(shè)計(jì)人員決定采用兩次成形+側(cè)整形的工藝方案，由于產(chǎn)品主型面縱向有一定的起伏（圖4），工藝第一步需要將一塊平整的落料片成形到與產(chǎn)品主型面基本吻合的狀態(tài)。由于該零件為高強(qiáng)度板料，結(jié)構(gòu)相對平緩且無太多特別的形狀，反彈量較大，但整改工作的難度相對較小，借助CAE分析軟件的計(jì)算結(jié)果，很輕松就能夠?qū)⒌谝淮纬尚喂ば虻牧慵餍兔孀龅椒虾笮虻男兔嬉螅▓D5）。

圖4 產(chǎn)品主型面

圖5 第一次成形工序主型面

為了避免產(chǎn)品兩個(gè)側(cè)壁因?yàn)榱鬟^凹模口而產(chǎn)生塑性變形最終產(chǎn)生反弧，設(shè)計(jì)人員將第二次成形工藝的造型做成了“W”形狀（圖6），這種成形方案的好處是成形過程接近于折彎，材料基本保持了板料原來的平直特性，兩側(cè)不會(huì)產(chǎn)生反弧，成形行程較淺，生產(chǎn)及模具的后期維護(hù)成本較低。

圖6 第二次成形工藝造型

基于上文分析，針對該零件的主要工藝思路已基本形成。設(shè)計(jì)人員根據(jù)該思路完成了工藝數(shù)模的設(shè)計(jì)工作，并借助AutoForm分析軟件，對該產(chǎn)品的成形性及工藝思路進(jìn)行模擬分析和驗(yàn)證，分析結(jié)果顯示成形性如圖7所示。

圖7 成形性分析結(jié)果

經(jīng)過對CAE分析結(jié)果的檢查和評審，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為目前制定的工藝方案是成功的，可以按照此方案進(jìn)行工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合CAE分析的反彈數(shù)據(jù)對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行了精確的反算，將產(chǎn)品的反彈量在加工數(shù)據(jù)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，給后期零件的調(diào)試整改工作減少了工作量。圖8所示為該零件除落料+沖孔以外的工藝排布。

模具制作完成后首次提取全工序樣件時(shí)，產(chǎn)品主面基本合格，兩側(cè)壁局部反彈量僅0.8mm，超公差0.3mm，相對于高強(qiáng)度板的縱梁類零件來說是非常理想的，工藝思路和CAE分析結(jié)果也是正確有效的。

總體來說，該零件的工藝設(shè)計(jì)是成功的，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)技術(shù)人員還有一些考慮不周到的地方。由于零件在各工序的成形、折彎及側(cè)整形過程中，都是在將零件主型面壓緊的狀態(tài)下進(jìn)行的，也就是說在成形過程中，零件的主型面上的材料也會(huì)產(chǎn)生多個(gè)方向的受力，如果主型面的壓料區(qū)域有較大的空腔，則會(huì)導(dǎo)致該空腔區(qū)域的型面會(huì)產(chǎn)生變形。該零件的OP30為側(cè)整形工序，在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為了壓縮模具的尺寸及噸位，將壓料芯的安全螺栓分布在零件的有效壓料區(qū)域，而這將會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域會(huì)形成一個(gè)直徑約60mm的空腔（圖9），而零件在空腔區(qū)域?qū)?yīng)的型面上有明顯的凹凸不平現(xiàn)象，后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，問題得以解決。

圖8 落料+沖孔以外的工藝排布

圖9 螺栓孔使壓料面形成空腔

結(jié)束語

基于該零件成功的工藝思路以及精細(xì)的回彈補(bǔ)償方案，該縱梁經(jīng)過兩輪的整改工作，零件的檢測合格率達(dá)到98%，裝車驗(yàn)證一次性通過。由此，我們認(rèn)為并不是所有的復(fù)雜零件都必須采用拉伸工藝。在進(jìn)行工藝制定時(shí)，應(yīng)結(jié)合零件的特點(diǎn)，努力尋找既能滿足產(chǎn)品的精度及裝車匹配要求，也能縮短模具的開發(fā)周期的工藝思路，減少后期生產(chǎn)及模具維護(hù)的成本。