汽車地板縱梁前段沖壓工藝優化設計

李 昂，王肖英，黃永生，崔禮春

(安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著汽車更新換代加快、產品生命周期縮短，市場競爭越來越激烈。在更短的時間內制造出質量更高的產品是現階段汽車行業的重要研究熱點[1]。為了保證汽車的整體質量和安全性能，在車身許多關鍵位置，需要設計必要的高強度厚板沖壓結構件，但是這些零件都存在著成形困難、易產生缺陷的普遍問題。隨著CAE技術的不斷進步，在產品初期同步分析階段,就能夠利用CAE軟件對零件各種成形方案進行仿真分析，發現產品缺陷并找出解決方案。本文以某車型地板縱梁前段零件為例，對該件的產品結構進行優化設計，最終確定工藝方案，所生產的產品能滿足設計及生產要求。

1 工藝分析

某車型地板縱梁前段如圖1所示，零件材質為H420LAD+ZF 45/45，料厚2.2 mm，為典型的車身高強度厚板結構件。該零件安裝在前圍板下部，前端搭接發動機艙零件，后端搭接地板縱梁零件，并且涉及整車安全性能，對尺寸精度和產品質量都有極高的要求。零件造型較復雜，型面前后高差大，多處位置有起皺或開裂等成形性風險。經過多次CAE模擬分析，對圖1中A(法蘭邊起皺)、B(開裂)、C(回彈特征)進行了優化。

2 零件優化

1) 圖1中零件邊側位置A，由于與縱梁頂部輪廓形狀差別較大，頂部輪廓線較長，拉延過后進行法蘭邊整形時，此處料邊由多變少，多余的板料會產生起皺缺陷，嚴重影響焊接性能。經過CAE模擬分析，調整零件搭接邊輪廓形狀，與頂部輪廓走勢保持一致，整形時料邊長度也基本保持一致，避免了零件在此處起皺的缺陷。優化前后零件狀態如圖2所示。

2) 圖1中零件底部位置B，下端立面角度較小，相交位置R角也較小，此處由于深度大，不能通過一次拉延完成，需要進行二次成形工序。成形時，翻邊立面和側壁將此處板料往兩側方向拉拽，拐角位置會產生嚴重開裂缺陷，導致零件不能滿足產品質量要求。經過CAE模擬分析，增大此處翻邊立面與側壁間角度，同時放大相交處R角，從原來R14 mm放大到R21 mm，平緩過渡，消除了此處開裂的問題，滿足了產品要求。優化前后零件CAE狀態如圖3所示。

3) 回彈廣泛存在于板件沖壓成型件上，汽車結構件由于強度高或板材較厚，回彈現象尤其明顯[2]。該地板縱梁前段也存在較大的回彈問題。經過CAE模擬分析，在零件兩側立面增加凸起特征，配合進行局部回彈補償，可以有效解決零件兩側回彈問題。特征結構如圖1位置C所示。

圖1 某車型地板縱梁前段

圖2 地板縱梁前段搭接邊起皺缺陷優化

圖3 地板縱梁前段下部開裂缺陷優化

3 工藝方案

汽車沖壓件的工藝方案設計，既要滿足產品的結構和技術要求，又要考慮模具結構的合理性與安全性，以及沖壓操作的便捷與可實現性。該地板縱梁前段需要排布的工藝內容有拉延、正/側修邊、正/側沖孔、整形等工序，由于整體工藝內容較為集中，考慮到模具各部件避讓及安裝空間，通過CAE模擬分析，按照5個工序完成零件的工藝排布方案，可以滿足設計及生產要求。具體工藝方案如圖4所示。

圖4 地板縱梁前段沖壓工藝方案

第1工序為拉延工序，考慮到地板縱梁前段材質強度高、厚度大，一般閉口拉延難以成形，故采用兩端開口拉延設計。同時為了保證兩端開口位置不會因為不壓料而造成嚴重起皺，在此處設計吸皺特征，如圖5(a)所示。后序整形時在下端拐角位置(圖3)易開裂，所以在拉延時應盡量增加拉延深度，以減少后序整形工作內容，并且在此處設計工藝凸包用以蓄料，如圖5(b)所示。整體拉延工序壓料面按照零件曲率進行設計，保證凸模和板料同時接觸，優化零件成型狀態。

圖5 地板縱梁前段拉延工藝

第2工序為修邊、沖孔工序，主要工作為完成兩側大部分滿足正修角度的修邊內容。該工序同時進行中間兩處定位孔正沖孔工作，在定位孔位置沖出直徑較小的孔用于后序模具進行板件定位。此工序由于無定位孔，需要采用型面與料邊進行定位。

第3工序為修邊、側修邊工序，主要工作為完成其余不受整形影響的修邊內容，包括兩側中間的剩余正修邊工序，以及地板搭接一端的側修邊工序。

第4工序為側整形工序，主要工作為兩側立壁與搭接邊的整形內容。在此工序中需要進行零件的回彈補償，以保證最終產品精度滿足裝配要求。

第5工序為側修邊、沖孔、側沖孔工序，主要工作為發動機艙搭接一端的側修邊內容，以及所有正/側沖孔內容的排布。

4 CAE分析及結果評價

通過Autoform軟件，對地板縱梁前段進行了模面構建以及全工序CAE模擬分析，工序分析模型如圖6所示。全工序模擬完成后，根據零件分析結果作出以下判定：

圖6 地板縱梁前段全工序分析模型

1) 在零件折彎處和拐角尖點處易出現開裂，幾處位置材料減薄率如圖7所示，滿足該材質極限減薄率(15%)的要求，故判定不會產生開裂缺陷。

2)在零件法蘭邊位置易發生起皺，幾處位置拉延及整形狀態如圖8所示，拉延結束前未見明顯起皺現象，故判定不會產生嚴重的起皺缺陷。

圖7 地板縱梁前段材料減薄率分析

3) 對全工序零件進行回彈模擬分析，回彈結果如圖9所示，下端拐角處型面結構較深，回彈量較大，地板一端搭接法蘭邊也存在一定回彈。幾處局部區域需要在第4工序整形時按照回彈量進行型面補償,主要為立壁前后兩端回彈較大的區域，以保證最終產品面差滿足精度要求。

圖8 地板縱梁前段起皺分析

圖9 地板縱梁前段回彈分析

5 結論

通過前期有效的零件優化設計，并進行合理的工藝設計與排布，在詳細的全工序CAE模擬分析的基礎上，結合后期根據實際情況進行模具調試，目前該車型地板縱梁前段已穩定出件，圖10為該地板縱梁前段實物圖片。該沖壓件產品質量良好，精度符合焊裝要求，各區域狀態與前期CAE模擬分析結果基本保持一致，避免了后期因產品造型可能產生的各項設計變更，節約了開發成本。

圖10 地板縱梁前段實物