車架縱梁折彎成型扭曲變形分析

莫云霞，李玉家，王 蕾，熊 偉，寧 波，何清月

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306；2.遂寧云內動力機械制造有限公司，四川 遂寧 629000）

車架是汽車中最重要的承載部件，縱梁是其中的關鍵零件之一。汽車縱梁數控折彎生產線是汽車行業中新型載重卡車車架縱梁及加強梁的局部折彎成型的專用設備，實現了折彎成型的柔性化生產，對于不同寬度、高度以及長度的U型梁，通過觸摸屏可自動調用相應的折彎程序進行加工，既適合現代化工廠的多品種小批量的生產狀況，又可適應縱梁的大批量生產，大大減輕了工人勞動強度，提高了產品質量。

汽車縱梁數控折彎生產線的實際生產過程中，成型后的縱梁會產生不同程度的扭曲變形。本章重點分析了折彎后縱梁扭曲變形的主要原因以及降低扭曲變形程度能夠采取的有效措施。

表1 鋼板和鋼帶的厚度允施偏差 單位：mm

1 縱梁折彎后扭曲變形原因

1.1 化學成分、物理性能因素

即使汽車縱梁的幾何形狀完全相同，其化學成分的穩定性以及晶體顆粒的均勻性都會導致其力學性能不盡相同。

參照汽車大梁用熱軋鋼板和鋼帶（GB／T 3273-2005）規定，以6mm～8mm鋼板和鋼帶為例：縱梁材料厚度（厚度6mm～8mm）公差普通精度為±0.36mm，詳見表1。實際大梁板供貨時板厚誤差在0.2mm左右。

根據矩形截面抗彎截面系數的計算公式：W=bh2/6（式中b為垂直于彎矩作用方向的長度，如圖1所示），可以看出因材料厚度誤差導致縱梁成型后，同截面內縱梁理論抗彎截面系數（W）是非對稱的，即其中一側遠大于另一側。

縱梁折彎后由于化學成分、物理性能方面的差異導致縱梁扭曲變形。

1.2 翼面高度差因素

某車架廠倉庫一批次縱梁，經測量數據如下：翼面高差2mm占比約為50%，翼面高度差3mm占比約為50%。

車架縱梁形狀與圖2型鋼類似，型鋼抗彎截面系數公式如下：

根據型鋼截面抗彎截面系數計算公式，可以看出翼面高度對抗彎截面系數的影響是3次方關系，截面高度差越大，對抗彎截面系數的影響越大。

縱梁折彎后由于翼面高度差導致縱梁扭曲變形。

1.3 縱梁翼面、腹面直線度因素

某車架廠倉庫一批次縱梁，經拉線測量數據如下：翼面直線度4mm占比約為18%，翼面直線度6mm占比約為42%，其余約為40%；腹面直線度4mm約為28%，腹面直線度6mm占比約為72%。較長縱梁腹面直線度更差一些。

從以上數據可以發現，成型后的縱梁經過一系列運輸及存儲等，在各種原因的綜合影響下，折彎前縱梁本身已經發生扭曲變形。

1.4 折彎線附近腹面、翼面非對稱孔因素

車架縱梁上存在很多孔，并且很多孔不是沿中心對稱分布。以圖3某車架縱梁為例，由圖可清晰看出，縱梁腹面折彎線附近存在大孔，且遠離對稱中心線；折彎線附近還有很多非對稱布置的小孔分布在翼面和腹面上。

孔的抗彎截面系數公式為（d為孔的直徑）：

由上述公式可見，孔的直徑對抗彎截面系數的影響是3次方關系，尤其是大孔對抗彎截面系數影響很大。而且非對稱孔會大大破壞縱梁抗彎截面系數的對稱性，從而導致縱梁加工后的扭曲變形。歐洲某些車型車架縱梁的沖孔非常對稱，一定程度上降低了非對稱孔對縱梁扭曲變形的影響，如圖4所示。

2 降低縱梁折彎后扭曲變形的措施

（1）材質的化學成分、物理性能對抗彎模數影響較大，進一步對縱梁折彎后的扭曲變形較大。但是目前我們暫時無法改變這一現狀，只能在選擇材料時盡量選擇大廠的、相對較穩定的鋼材產品。

（2）運輸及存儲等中間環節對縱梁腹面、翼面變形造成的影響，可以通過改善運輸條件，加強生產管理等一系列措施進行一定程度的有效控制。

（3）降低縱梁孔位對折彎成型的影響。目前大多數車架廠的生產工藝都是先沖孔后折彎。這就導致沖腹面及翼面孔時，若孔為非對稱型，會產生新的非對稱內應力。尤其是折彎線附近的腹面及翼面孔，會導致折彎線附近各截面抗彎系數的嚴重不對稱，縱梁內部因此產生不均勻的內應力，導致縱梁折彎后扭曲變形。或者內部雖然存在內應力，雖尚不足以使縱梁產生變形，但是存在潛在趨勢，當有新的外力出現時，產生合力，該類型的變形會出現且有放大的趨勢。所以在車架設計時，盡量避免在折彎線附近出現大孔，或者不對稱分布的小孔。

3 結束語

折彎成型加工過程中，縱梁的扭曲變形不可能完全消除。有針對性的鋼材選型、控制運輸存儲等中間環節，以及不斷優化車架設計及生產工藝等措施能夠有效減小折彎后縱梁的扭曲變形。