韓耀東，韓明彥

（武漢中人瑞眾汽車零部件產(chǎn)業(yè)有限公司，湖北武漢 430073）

1 引言

轎車主要是由底盤件、動力總成和車身件等組成，其中車身件又包括車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件等，結(jié)構(gòu)件相當于人體的骨骼，支撐著整個車身，所以通常又叫骨架件。在骨架結(jié)構(gòu)中，類似π形的零件比較多，比如：左右主縱梁加強板、左右前內(nèi)縱梁、左右前縱梁、左右內(nèi)縱梁、左右后縱梁、中通道等等，如圖1所示。

縱梁是指在轎車沿橋梁軸向設(shè)置并支承于橫梁上的梁，具有支持梁上物體的作用。車架縱梁又是其中的關(guān)鍵零件之一，縱梁在轎車上起到重要的承載作用。汽車的邊梁式車架、中梁式車架等均含有縱梁，縱梁通常用低合金鋼板沖壓而成，斷面形狀一般為槽型，也有的做成Z字型或者箱型斷面。

圖1 車身骨架件

轎車形式的不同和結(jié)構(gòu)布置的要求，縱梁的結(jié)構(gòu)形式比較多，可以在水平面內(nèi)或縱向平面內(nèi)做成彎曲的以及等斷面或非等斷面的。

縱梁一方面支撐整個車身的剛性和強度，起重要的承載作用，另一方面，對汽車碰撞吸收能力至關(guān)重要。因此設(shè)計和制造出耐撞性能優(yōu)良的車身結(jié)構(gòu)，對保護乘員在汽車發(fā)生碰撞時的生命安全便顯得尤為重要。為了減輕車身的重量和整車強度要求，縱梁一般采用高強度板成形，設(shè)計時一般采用變截面形狀、不等厚板或激光拼焊板的結(jié)構(gòu)形式。

2 縱梁結(jié)構(gòu)特點

縱梁零件一般安裝在底盤附近，大多為鍍鋅高強度板，其截面形狀近似于π形，如圖2所示。厚度一般在1～2mm，而且是左右件一般是成對出現(xiàn)（對稱件）。U形縱梁類零件在汽車零部件中應(yīng)用廣泛，由于其結(jié)構(gòu)形狀復雜，成形時，材料不能全部進入屈服流動，使塑性變形不充分，容易出現(xiàn)回彈、翹曲等問題，降低零件的成形精度，給整車匹配帶來不利影響。近年來，為了滿足燃油經(jīng)濟性要求，汽車零部件輕量化趨勢日益明顯，各種高強度、超高強度鋼板廣泛應(yīng)用于汽車縱梁等U形件的制造，但是材料強度的提高會帶來回彈、翹曲等缺陷。

圖2 縱梁截面圖

從縱梁的整體結(jié)構(gòu)看，制件有的底面是平面或曲面結(jié)構(gòu)；有的側(cè)面是平面或曲面結(jié)構(gòu)；有的端頭包圓角，有的端頭是敞開式；有的U型槽深，有的U型槽淺；有的有法蘭面，有的沒有法蘭面；有的是幾種情況的復合結(jié)構(gòu)等等。制件的形狀不一樣，材料強度不一樣，所制定的工藝方案就不一樣。為此，從沖壓工藝分析和回彈解決方案兩方面進行描述。

3 縱梁的工藝分析

（1）制件底面和側(cè)面為平面，端頭敞開的工藝分析。

根據(jù)制件的特點，制件的外形和側(cè)面都是是平面且端頭是敞開結(jié)構(gòu)時，一般采用壓彎成形的方式。當材料強度不是很高時，壓彎件的回彈通過凹模包圓角的方式成形（見圖3），凸凹模之間產(chǎn)生塑性變形，并且通過修正壓彎角度來消除回彈。對于高強度板，一般采用側(cè)整形的方式消除回彈；對DP780以上材料的制件，一般采用側(cè)整形的方式消除回彈。側(cè)面如果僅是平面，沒有法蘭面的制件，可以直接壓彎成形；對于有法蘭面的制件，一般需要2次壓彎，法蘭面先成形出來，再成形U形彎，避免側(cè)壁不平和法蘭面不穩(wěn)定。有法蘭面的制件如果一次壓彎成形，往往側(cè)壁會產(chǎn)生凹陷，而且回彈不易控制，這一點必須特別注意，如圖3所示。

圖3 凹模包圓角結(jié)構(gòu)及側(cè)壁凹陷圖

左右前內(nèi)縱梁的制件有2種形式，材料規(guī)格也是2種，分別是：H380LAD+Z，t=1.17mm；另一種是：DP780 G7/7，t=1.17mm，如圖4所示。

圖4 左右前內(nèi)縱梁（2種）

a.材料為H380LAD+Z，t=1.17mm，制定的工藝方案是：①沖孔落料毛坯；②孔定位，翻法蘭面、壓底面凸包、翻孔；③正壓U形彎，凹模包圓角，回彈角度通過凹模的角度補償實現(xiàn)；④沖孔側(cè)沖孔，完成制件的整個生產(chǎn)過程。左右件工序一致，落料毛坯共用。成形要點：法蘭面先壓彎成形，是為了防止側(cè)面凹陷。具體工序如圖5所示。

b.材料為DP780 G7/7，t=1.17mm，制定的工藝方案是：①沖孔落料毛坯；②孔定位，法蘭面和側(cè)面預成形、壓底面凸包；③斜楔側(cè)整法蘭面和側(cè)壁，回彈角度通過調(diào)整斜楔的深淺實現(xiàn)；④沖孔側(cè)沖孔翻孔，完成制件的整個生產(chǎn)過程。左右件工序一致，落料毛坯共用，預彎工序把制件的壓彎線成形出來，高強度板的回彈通過斜楔側(cè)整實現(xiàn)。成形要點：法蘭面和側(cè)面同時整形，同樣可以解決回彈和防止側(cè)面凹陷的問題。具體工序如圖6所示。

這個制件成形的關(guān)鍵工序是側(cè)整形，其模具結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。模具鑄造成整體斜楔機構(gòu)，成本低，模具緊湊，效果良好。

（2）制件的底面平面,側(cè)面為平面或曲面，端頭敞開的工藝分析。

左右主縱梁加強板，H300LAD+Z，t=0.97mm，制件形狀如圖8所示。

圖5 左右前內(nèi)縱梁（H380）工序圖

圖6 左右前內(nèi)縱梁（DP780）工序圖

圖7 側(cè)整形的模具結(jié)構(gòu)圖

圖8 左右主縱梁加強板（H300）

制定的工藝方案：①沖孔落料毛坯；②孔定位，壓彎平面?zhèn)鹊姆ㄌm面和底面壓凸包、端頭局部的小壓彎以及曲側(cè)面以邊的預壓工藝成形筋（見放大圖）；③正壓U形彎，成形側(cè)壁及另一側(cè)的曲側(cè)壁和法蘭面，凹模包圓角，回彈角度通過凹模的角度補償實現(xiàn)；④整形沖孔，將制件進行一次全部的整形，并沖出所有的孔，完成制件的整個生產(chǎn)過程。左右件工序一致，落料毛坯共用，具體工序圖如圖9所示。成形要點：由于制件的一側(cè)面曲線型，法蘭面無法提前成形，所以在工序2預壓的工藝成形筋（見圖9-OP20工序圖），在工序3壓彎的過程中，通過局部（預壓筋）產(chǎn)生明顯的塑性變形，可以克服側(cè)壁的凹陷情況，有效地解決了在曲側(cè)面和法蘭面同時成形時，側(cè)壁凹陷的問題。這一措施，對類似制件成形的處理，非常有幫助，制件直接成形與預壓筋成形的過程原理圖對比，如圖10所示。

（3）制件底面為平面，側(cè)面為平面和曲面，端頭包圓角的工藝分析。

左右內(nèi)縱梁，H340LAD+Z 50/50，t=1.5mm，制件形狀如圖11所示。

制定的工藝方案：①落料毛坯；②拉伸；③修邊沖孔；④整形翻孔，將制件進行一次全部的整形；⑤沖孔側(cè)沖孔修邊，沖壓所有的孔及局部修邊，完成制件的整個生產(chǎn)過程。左右件工序一致，落料毛坯共用，具體工序圖如圖12所示。成形要點：工序2拉伸成形，模具的型面事先經(jīng)過回彈補償處理，將側(cè)面及端頭包圓角的部分一次拉伸出來，通過拉伸筋控制制件的塑性變形，有效地克服了側(cè)壁的凹陷及回彈情況，這類雙端頭包圓角的制件，一般都是采用拉伸成形工藝，效果非常明顯。

圖9 左右主縱梁加強板（H300）工序圖

圖10 制件直接成形與預壓筋成形過程對比圖

圖11 左右內(nèi)縱梁（H340）

（4）制件底面為曲面，側(cè)面為平面和曲面，端頭包圓角的工藝分析。

左右后內(nèi)縱梁，HC420/780DPD+Z，t=1.4mm，制件形狀如圖13所示。

圖12 左右內(nèi)縱梁的工序圖

圖13 左右后內(nèi)縱梁（DP780）

制定的工藝方案：①成雙拉伸；②修邊沖孔；③整形打??；④沖孔側(cè)沖孔修邊切斷；完成制件的整個生產(chǎn)過程，左右件成雙生產(chǎn)，效率較高。具體工序圖如圖14所示。成形要點：工序1拉伸成形，模具的型面是經(jīng)過回彈補償處理的，將側(cè)面及端頭包圓角的部分一次拉伸出來，通過拉伸筋控制制件的塑性變形，有效地克服了側(cè)壁的凹陷及回彈情況，這類一端頭包圓角制件，往往采用成雙拉伸成形工藝，工序比較簡潔實用，效果較好。

（5）制件底面為曲面，側(cè)面為曲面，端頭敞開，U型槽較深的工藝分析。

中通道，H260YD+Z 50/50，t=1.5mm，制件形狀如圖15所示。

制定的工藝方案：①拉伸；②修邊沖孔；③整形；④沖孔側(cè)沖孔。具體工序圖如圖16所示。

圖14 左右后內(nèi)縱梁的工序圖

圖15 中通道（H260YD+Z）

成形要點：由于制件的U形槽較深，拉伸過程中，仍然存在側(cè)壁凹陷及回彈的問題，回彈可以通過型面補償實現(xiàn)，凹陷需要通過型面修正和拉伸筋的控制完成。對于這種U型槽尺寸比較大，材料強度比較高的制件，在模具設(shè)計時一般采用二次拉伸筋的結(jié)構(gòu)形式。如圖17所示。

圖16 左右后內(nèi)縱梁的工序圖

圖17 雙拉伸筋的結(jié)構(gòu)圖

對于深U形結(jié)構(gòu)的制件，沖壓回彈顯得更加明顯，模具設(shè)計的時候，一般考慮雙拉伸筋的結(jié)構(gòu)形式。模具工作開始時，先是壓邊圈的拉伸筋起作用，模具接近閉合狀態(tài)前，凹模上設(shè)置二次拉伸筋同時起作用，通過調(diào)整拉伸成形的壓邊力的大小，可以有效解決回彈問題。一方面拉伸筋可以增大材料在模具中的進料阻力，在拉伸過程中，使沖壓板料承受足夠的拉應(yīng)力，成形充分，從而大大提高材料的張力和制件的剛度，有效地減少制件回彈，最大限度地避免制件的凹陷、翹曲、波浪等沖壓缺陷；另一方面，由于制件形狀的特殊性，各部位的進料阻力也不可能完全一樣，通過對拉伸筋進行分段調(diào)整，使材料的流動性更加均勻，避免因局部進料過多而導致起皺；或者是局部進料過少，而導致制件開裂等缺陷發(fā)生。拉伸筋在制件成形過程中的工作過程是：模具開始拉伸時，第一拉伸筋起作用，第二拉伸筋的凸起部位還沒有與成形板料接觸，也就是說此時的第二拉伸筋并沒有參與成形，沒有起到拉伸筋的作用。拉伸成形接近閉合狀態(tài)前（也就是成形后期），當凹模繼續(xù)往下運行時，第二拉伸筋才開始工作，第二拉伸筋凸起部位逐步與沖壓板料接觸后,第二拉伸筋的凸、凹槽部位才開始工作，通過拉伸筋的阻力，限制板料的流動性，此時第一、第二拉伸筋同時起作用，進一步增大了材料成形時的進料阻力，改善材料在模具內(nèi)的合理流動性,保證板料的沖壓塑形變形更加充分，抑制各種沖壓缺陷的產(chǎn)生，比如：側(cè)壁凹陷、側(cè)壁回彈、型面翹曲等。

一般情況下，在沖壓拉伸初期，如果壓邊力過大，材料進料困難，很容易導致沖壓板料發(fā)生開裂現(xiàn)象；另一方面，如果壓邊力過小,材料進料容易，成形制件發(fā)生翹曲和回彈的可能性更加突出，伴隨著拉伸過程的不斷深入，制件的變形量會隨著模具的繼續(xù)下行而不斷增大，材料的加工硬化的效應(yīng)更加明顯，材料的屈服強度也隨之提高，材料的變形呈現(xiàn)出彈性變形狀態(tài)，由于材料的變形沒有達到充分的塑性變形狀態(tài)，模具上行之后，制件會發(fā)生明顯的凹陷、回彈、翹曲等等這些缺點?；跊_壓成形的這些缺陷問題，結(jié)合沖壓的成形原理，突破創(chuàng)新，提出了這種二次拉伸筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)想，在模具拉伸變形過程的后期階段，通過設(shè)置在凸模上的第二道拉伸筋同時參與工作，進一步增大沖壓材料進料阻力，使材料成形充分，有效提高材料的塑性變形的程度，對制件的回彈、凹陷和翹曲等沖壓缺陷很有幫助。同時為了保險起見，整形模具一般采用側(cè)整形的方式進行。這種經(jīng)驗措施，在類似制件成形過程中值得推廣。

4 結(jié)束語

通過對π形結(jié)構(gòu)的縱梁類制件的特點分析，沖壓工藝方案的針對性制定，各種制件的成形要點的總結(jié)，以及預壓工藝成形筋、二次拉伸筋、側(cè)整形機構(gòu)的應(yīng)用，模具型面尺寸的補償?shù)鹊却胧?，這幾種縱梁類制件的沖壓工藝設(shè)計比較合理，模具結(jié)構(gòu)比較典型，模具調(diào)試比較方便，最終滿足制件要求，生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。尤其是采用壓彎成形的生產(chǎn)工藝取代拉伸工藝，材料的利用率得到明顯提高。

經(jīng)過大量的實際經(jīng)驗總結(jié)，沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)都比較適用，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，制件尺寸準確，沒有材料折疊、制件起皺和開裂等沖壓風險，也沒有扭曲、凹陷等缺陷，制件質(zhì)量指標好，充分證明了工藝的可靠性。通過這些制件的具體工藝分析及針對性的模具設(shè)計，解決了底盤類縱梁件的沖壓工藝問題，對類似制件的成形有一定的參考作用。這些制件的生產(chǎn)過程，都可以采用機械手搬運實現(xiàn)，生產(chǎn)效率可以大大提高，生產(chǎn)成本可以明顯降低，為類似制件的開發(fā)提供了借鑒。