汽車左右后縱梁前段沖壓成形分析及工藝優化

吳秀桃，周小鋼，雷玉霞，賈庚鳳

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

汽車左右后縱梁前段是車架的重要組成部分，而車架是汽車中最重要的承載部件，所以汽車左右后縱梁前段在汽車上起到重要的承載以及吸能作用[1]。隨著汽車大批量的生產，汽車市場的競爭日益激烈，各汽車生產廠家出于安全和節能的考慮，汽車車身沖壓件越來越多的使用高強度（高張力）鋼板，車身結構強度不受影響，質量降低，從而降低了燃油消耗[2]。高強度鋼板因其屈服強度和抗拉強度高，延伸率、n 值和R 值低，不僅使得其成形性較差，易產生起皺破裂缺陷，同時回彈問題更加突出，影響制件尺寸穩定，而且高強度鋼板對模具的磨損嚴重，影響模具使用壽命[3]。通過對雙向鋼HC340/590DP 左右后縱梁前段零件邊部局部開裂問題、零件起皺的問題解決方案的研究，總結該零件翻邊開裂問題和零件起皺問題的有效措施，以便指導后續車型零件設計和穩定生產。

1 零件的工藝分析以及開裂部位

1.1 零件特性

某車型后縱梁前段零件，如圖1 所示，材料料厚1.6 mm，材質為雙向鋼HC340/590DP，零件一側法蘭過渡為直側壁，另一側除了弧形直側壁，其余無側壁；一端頭斷面圖為U 形；零件整體高度差大，中間型面較為平整；弧形側壁高度有125 mm，按照經驗該處翻邊有開裂的風險。

圖1 后縱梁前段零件圖

1.2 原工藝以及開裂部位

零件高低差較大，進料程度不一樣，為避免拉延開裂需要開一套落料模具。左右件外形大致對稱，考慮模具開發成本、生產成本以及模具受力情況，采用左右件合并的工藝，原工藝方案：①OP05，落料；②OP10 拉延；③OP20,修邊+沖孔；④OP30，整形+修邊+分離；⑤OP40，側整形+整形+沖孔；⑥OP50，側整形+側沖孔+側修邊；⑦OP60 沖孔+側沖孔，工藝排布如圖2 所示。拉延工序的拉延深度最深為50 mm，壓料面在法蘭面上30 mm，后序整形量較大，弧形側壁面一半攤開在壓料面上，另一側側壁攤開在壓料面，以便后工序正切（修邊刀塊刃口方向與沖壓方向一致）（圖2b、c）；弧形位置修邊后分兩序翻邊到位（圖2d、e）后，工序再側整回彈（圖2f），圓孤處側壁的孔最后一序側沖（圖2f）。完成弧形處的內容，需要貫穿全工序，大孔斜面處的孔因不能側沖，故在OP30 左右件分離（圖2d），后工序旋轉零件正沖該處的孔（圖2e、f）。

圖2 原工藝排布

因大孔所在面大且平，拉延過程不充分，在大孔內工藝面上做造型，工藝造型周邊為零件大平面且面較低，拉延過程有輕微起皺，實物見圖3。零件翻邊開裂常見在OP30 或者OP40，若OP30 翻邊未開裂便在OP40 翻邊到位開裂，開裂處常見三處，其中一處開裂其他兩處便不開裂，實物見圖4。

圖3 大孔周邊起皺實物圖

圖4 開裂位置實物圖

1.3 零件全工序仿真以及開裂起皺問題解析

該零件開裂發生在第4 工序或者第5 工序，即OP30 翻邊整形工序以及OP40 翻邊整形，基于Autoform軟件對零件的工藝方案進行了全工序仿真，如圖5 所示。通過對開裂區域的成形過程、主次應變分布、成形后的零件減薄率及最大失效值等進行分析，研究零件的開裂原因。

零件開裂區域屬于曲率圓弧翻邊整形，邊緣因直邊變為圓弧邊（缺料）而存在拉伸減薄（圖5a），減薄率超出參考值16%，且零件曲率越大，翻邊深度越深，邊部應力越集中，減薄越嚴重，最大失效值越大（圖5b），超出參考值0.7，板材邊界處的塑性功超過臨界極限，則可能出現邊部裂紋，臨界塑性功來源于沿邊部的臨界應變。CAE 仿真根據臨界應變即最大邊部應變（Max Edge Strain）值在材料定義中設置臨界應變，邊部的質量不同，邊部翻邊開裂的值就不同，磨損后的切割更符合實際的修邊結果，仿真中選擇磨損后的切割，所得邊部翻邊開裂顯示的值見圖5c，超出參考值0.8 ，零件有開裂風險。此外，零件修邊過程中存在毛刺，易導致局部應力過度集中而發生開裂。

圖5 原工藝方案仿真分析結果檢查

2 工藝優化及仿真驗證

針對零件翻邊開裂區域，在前期向設計部提出ECR（engineer change request）工程更改申請書，優化零件，減少弧形區域側壁的高度。該處采用拉延到底，如圖6（a）（b）所示，后序側切，再側整整回彈的工藝。拉延到底避免了切邊毛刺引起翻邊開裂，以及邊部修邊后再翻邊整形引起邊部應變超出最大臨界應變值而引起開裂。帶法蘭與直側壁過渡的一側，壓料面在滿足于跟上型面趨勢差不多一致的情況下，直側壁盡量拉延出來，如圖6（c）（d）所示，后序整形量減少可以減輕側壁起皺。優化后的仿真結果顯示如圖7 所示，各項檢查都在參考值范圍內。

圖6 工藝對比

圖7 優化工藝后仿真結果檢查

針對大圓孔周邊的焊接搭接面起皺的問題，在拉延工序增加上壓料，上模向下運動與壓邊圈壓料后，繼續向下運動，板料成型，在到底50 mm 處上模壓料區域接觸板料，基于Autorform 建模如圖8a，仿真結果如圖8b 所示，拉延過程無起皺。

圖8 優化后Autoform 仿真

3 生產驗證

針對弧形翻邊開裂問題，優化零件減少弧形處側壁高度，采用拉延到位、后序側切側整形的工藝，拉延到底避免了切邊毛刺引起翻邊開裂以及多次翻邊引起開裂的問題。大孔處平面區域在拉延模具增加上壓料的設計，上壓料行程50 mm，在該處面起皺之前上壓料壓住板料，防止起皺。沖壓件的結果如圖9 所示，曲率側壁區域無肉眼可見微裂紋以及開裂情況，大孔面無起皺，成形后零件質量良好。

圖9 后縱梁前段現場圖片

4 結論

（1）通過對左右后縱梁前段開裂零件進行全工序仿真及零件開裂區域分析，找出零件開裂原因，并利用AutoForm 軟件對優化方案進行仿真評估。

（2）左右后縱梁前段大孔所在面起皺問題，可以在拉延模具在該處增加上壓料的結構解決起皺問題。

（3）生產驗證結果表明，左右后縱梁前段弧形區域的側壁在拉延序成型到位，后序整回彈的工藝和大孔所在的大面在拉延模具上模增加強壓的結構，能夠穩定生產尺寸精度合格、外觀品質良好的產品。