劉智彬， 彭金明， 李海全， 許蘭鋒， 方玉榮， 賈穎蓮

（1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江西 南昌 330031；2.江鈴汽車股份有限公司， 江西 南昌 330200）

0 引 言

輕型卡車在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中占據(jù)著越來越重要的地位，為響應(yīng)國家實現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，各汽車制造企業(yè)加大汽車輕量化設(shè)計技術(shù)的研發(fā)力度，以減少燃料的消耗，降低CO2的排放量。研究結(jié)果[1]表明，傳統(tǒng)汽車整車質(zhì)量每減輕10%，可降低燃料消耗6%～8%，車輛每減輕質(zhì)量100 kg，CO2排放量可減少約5 g∕km。車架作為卡車最重要的承重構(gòu)件，其強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)乎整車的安全性能，該總成質(zhì)量約占整車質(zhì)量的1∕4[2]。因而，在保證車身性能的前提下，將車架進(jìn)行輕量化設(shè)計可為整車減輕質(zhì)量帶來顯著效果?？v梁作為該總成中質(zhì)量最大的單一零件，采用高強(qiáng)鋼可實現(xiàn)縱梁減薄與減輕質(zhì)量。

輕型卡車縱梁具有變截面特點（見圖1），其型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，諸多學(xué)者及生產(chǎn)廠家對縱梁的沖壓成形研究大多集中在屈服強(qiáng)度低于500 MPa的鋼材，而隨著鋼板強(qiáng)度的增加，縱梁的成形性能變差，尺寸偏差更難控制。吳國峰等[3]針對屈服強(qiáng)度大于250 MPa的高強(qiáng)鋼沖壓成形的特點，分析了此類鋼板典型沖壓問題，提出了對角度控制、縱向扭曲的解決方案。鄭光文等[4]通過Dynaform仿真軟件分析了屈服強(qiáng)度為430 MPa的卡車變截面縱梁成形情況，并采用過彎法修正模型，指導(dǎo)模具開發(fā)。胡乃兵等[5]研究了屈服強(qiáng)度為450 MPa高強(qiáng)鋼變截面縱梁腹面回彈問題，通過多次回彈整改，滿足了零件開發(fā)要求。楊向鵬等[6]統(tǒng)計了不同屈服強(qiáng)度的縱梁材料在不同卡車主機(jī)廠的生產(chǎn)情況，其中屈服強(qiáng)度低于500 MPa的板材多采用沖壓工藝生產(chǎn)，而QStE650T強(qiáng)度級別鋼材則多采用輥壓成形工藝（見表1）。因此，通過模擬高強(qiáng)鋼縱梁的沖壓成形過程有助于提高其工藝的可行性和模具結(jié)構(gòu)的合理性。

表1 國內(nèi)主要卡車品牌縱梁的成形工藝

圖1 縱梁結(jié)構(gòu)形式

綜上所述，已有科研人員對卡車縱梁的成形工藝進(jìn)行了較多研究，并取得了一些可借鑒的成果。然而，針對輕型卡車變截面縱梁用屈服強(qiáng)度大于650 MPa、板厚大于4.5 mm的高強(qiáng)鋼沖壓成形工藝研究卻較少，現(xiàn)以某輕型卡車縱梁為載體，研究了QStE650TM高強(qiáng)鋼的變截面縱梁在沖壓過程中的扭曲與回彈控制，以實現(xiàn)該車型縱梁的輕量化。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗以該縱梁的沖壓工藝量產(chǎn)為目的，采用4.5 mm厚的QStE650TM高強(qiáng)鋼，經(jīng)等離子體發(fā)射光譜儀檢測其化學(xué)成分如表2所示。

表2 QStE650TM高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 試驗方法

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 228.1-2010對QStE650TM高強(qiáng)鋼進(jìn)行拉伸性能測試。在2批次板料上分別截取了與軋制方向平行（0°）、傾斜（45°）、垂直（90°）3個方向的拉伸試樣。采用Autoform軟件對4.5 mm厚QStE650TM高強(qiáng)鋼變截面縱梁進(jìn)行沖壓成形性仿真，此外，采用ATOS 5X高精度三維藍(lán)光掃描儀對零件的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行檢測，并針對超差點制定模具回彈補(bǔ)償方案，指導(dǎo)模具修正以達(dá)到量產(chǎn)質(zhì)量要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料力學(xué)性能

圖2所示為QStE650TM在3個不同方向截取試樣的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，相應(yīng)的力學(xué)性能結(jié)果如表3所示。與軋制平行、傾斜以及垂直3個方向的QStE650TM高強(qiáng)鋼均具有高于700 MPa的屈服強(qiáng)度，同時還兼具20.0%左右的斷裂延伸率，這表明該板材強(qiáng)度滿足縱梁強(qiáng)度要求且具有一定的沖壓可行性。此外，從塑性應(yīng)變比和硬化指數(shù)可以看出材料在3個方向上存在各向異性，且該板材的抗失穩(wěn)、變薄能力較弱、沖壓成形相對困難。有研究表明[7]，力學(xué)性能的各向異性對彎曲板料的回彈行為有顯著影響，這也可能是此縱梁在成形過程出現(xiàn)扭曲、回彈的內(nèi)因。

圖2 QStE650TM高強(qiáng)鋼3個方向的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表3 不同批次QStE650TM在3個方向的拉伸力學(xué)性能

2.2 沖壓仿真分析

根據(jù)拉伸試驗獲得的力學(xué)性能參數(shù)，利用Autoform對QStE650TM變截面縱梁進(jìn)行成形仿真分析，其中材料參數(shù)設(shè)置如圖3所示，該縱梁端部變截面區(qū)域的腹面和翼面存在較大的面超差，這也預(yù)示沖壓后此端部將產(chǎn)生型面回彈（見圖4（a））。根據(jù)以往模具開發(fā)經(jīng)驗并結(jié)合仿真結(jié)果，針對回彈量大的區(qū)域，在模具設(shè)計時就要完成1輪回彈補(bǔ)償。圖4（b）、（c）分別為早期模具試制零件腹面和翼面的藍(lán)光掃描狀態(tài)，從圖4（b）可以看出，縱梁變截面區(qū)域的腹面存在5.5～7.4 mm的回彈；從圖4（c）可以看出，縱梁變截面區(qū)域翼面存在不同趨勢的型面變形，靠近A側(cè)的翼面型面存在正超差，而靠近B側(cè)的翼面存在負(fù)超差。因此，從試制零件的檢測數(shù)據(jù)可以確認(rèn)其變截面區(qū)域存在腹面回彈以及翼面的扭曲。

圖3 Autoform仿真材料參數(shù)

2.3 仿真分析指導(dǎo)模具維修

回彈、扭曲是影響沖壓件幾何精度的重要因素，對于高強(qiáng)鋼縱梁更是如此?？紤]零件板材性能及造型，在設(shè)計回彈修正工藝時應(yīng)從腹面經(jīng)側(cè)壁再過渡到翼面。為滿足零件裝車要求，進(jìn)行了3輪回彈、扭曲修正。第1輪在模具設(shè)計階段實施，以確定回彈修正方向為主并預(yù)留足夠修改模具零件的余量，第2輪明確回彈整改量，第3輪根據(jù)修正后的尺寸狀態(tài)進(jìn)行微調(diào)，其中后2輪的回彈補(bǔ)償量約為藍(lán)光掃描所測零件回彈量的2倍。模具維修如圖5所示，其中腹面區(qū)域的回彈修正主要是對變截面區(qū)成形凸凹模進(jìn)行調(diào)整。如圖5（a）所示，對圖示1#、2#凹模鑲件墊高15 mm，此后根據(jù)圖4（b）所示回彈量的2倍反向修正零件圖進(jìn)行數(shù)控加工，凸模對應(yīng)凹模隨形修正。此外，針對翼面扭曲狀態(tài)，對翼面朝外回彈的凹模進(jìn)行補(bǔ)焊和加高，并在對應(yīng)的凸模鑲件立面設(shè)計3°負(fù)角（見圖5（b）），以增加成形時朝“U”形口內(nèi)側(cè)的側(cè)向擠壓力。修正后模具實物如圖6所示，生產(chǎn)所得零件的掃描檢測狀態(tài)如圖7所示，變截面區(qū)域的腹面回彈和翼面扭曲都得到了有效改善。通過沖壓成形仿真結(jié)合模具修正經(jīng)驗值，對模具進(jìn)行了3輪有效維修，經(jīng)量產(chǎn)確認(rèn)零件尺寸合格，實現(xiàn)了QStE650TM變截面縱梁的沖壓生產(chǎn)。

圖4 QStE650TM變截面縱梁Autoform仿真及試制零件藍(lán)光掃描結(jié)果

圖5 模具維修

圖6 模具變截面區(qū)凹模型面修正后狀態(tài)

圖7 修正后零件變截面區(qū)域

3 結(jié)束語

通過分析材料力學(xué)性能對縱梁沖壓成形的影響，結(jié)合Autoform仿真及零件試制結(jié)果，對零件回彈及扭曲變形原因進(jìn)行分析，指導(dǎo)模具維修，確定QStE650TM變截面縱梁的沖壓生產(chǎn)可行。

（1）QStE650TM高強(qiáng)鋼在與軋制平行、傾斜以及垂直3個方向均具有高于700 MPa的屈服強(qiáng)度，但同時也存在各向異性，對零件回彈預(yù)測有一定影響。

（2）沖壓成形性仿真有助于預(yù)測變截面縱梁的回彈趨勢，但由于變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變以及材料硬化指數(shù)的變化，實際回彈或扭曲量與仿真結(jié)果有所差異。

（3）通過仿真模擬結(jié)合模具回彈修正經(jīng)驗，實現(xiàn)了此高強(qiáng)鋼縱梁在行業(yè)內(nèi)的量產(chǎn)突破，不僅滿足了車輛載重對零件的強(qiáng)度要求，還在一定程度上對車輛的降耗減排做出貢獻(xiàn)。