輕卡縱梁工藝分析與模具設計

■ 山東濰坊福田模具有限責任公司 （261061）

林 明 李樹新

縱梁是卡車車架總成的骨架構(gòu)件，作為承載最大的零件，也是最關(guān)鍵的零件之一，直接制約底盤的質(zhì)量與整車的性能，因此保證縱梁成形的精度至關(guān)重要。

圖1為一輕卡車車架縱梁。其材料為510L，料厚5m m，零件外形尺寸為5 805mm×214mm× 65mm；精度要求為扭曲<2mm，開口<2 m m，翹曲及腹面落差±1.5m m，翼面落差±1m m。為降低成本，模具要滿足多品種的生產(chǎn)要求。零件特點是縱梁為U 形變截面件，翼面高度65mm，腹面起伏落差30mm，前端翼面落差85mm，后端翼面落差40mm。該零件孔較多，裝配鉚接孔的位置需要保證；為細長件，毛坯的內(nèi)應力和料厚公差會影響到縱梁的精度。

只有在產(chǎn)品設計過程中對縱梁零件工藝性能進行優(yōu)化，模具開發(fā)中對沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)進行合理設計，才能保證零件的精度及質(zhì)量、降低沖壓成本。

圖1 車架縱梁圖

沖壓工藝設計

在車架縱梁的產(chǎn)品設計過程中，工藝人員通過SE活動進行產(chǎn)品缺陷預測和工藝策劃，以ECR報告形式溝通反饋，提高產(chǎn)品的工藝性。將沖壓FEMA技術(shù)應用到模具設計中，保證沖壓模具開發(fā)的低成本和高質(zhì)量。

1. 零件SE工藝性分析

（1）導正孔優(yōu)化：在滿足產(chǎn)品的使用前提下，每間隔600mm左右設計一個工藝孔，在前端落差材料流動設計30mm×35mm長圓孔，保證導正銷規(guī)格統(tǒng)一及模具工藝孔和裝配工藝孔的統(tǒng)一。

（2）材料利用率：在滿足產(chǎn)品功能和強度的前提下，對產(chǎn)品影響材料消耗的翻邊高度和形狀提出建議（見圖2），下翼面輪廓改直，提升材料利用率。

（3）孔徑的設計優(yōu)化：參考數(shù)控沖的模位數(shù)量與孔徑規(guī)劃，盡量減少產(chǎn)品孔徑規(guī)格，規(guī)范各種孔徑的用途，方便車架裝配及后續(xù)模具維修和標準件的儲備。各孔徑及用途如附表所示。

產(chǎn)品孔徑規(guī)格及用途表

（4）孔徑的布置：由于變截面的存在，布置在多料和缺料區(qū)域的孔若先沖后成形則會存在變形，重要孔應避開變形區(qū)，避免成形后再沖孔。

（5）匹配面的設計優(yōu)化：縱梁與加強板匹配，縱梁與加強板圓角設計空開；縱梁與車身支架的裝配，在腹面的變形區(qū)內(nèi)的孔，此區(qū)域產(chǎn)品易存在變形，位置應調(diào)整避開。

（6）拓展產(chǎn)品的優(yōu)化設計：考慮不同軸距、形狀變化較小的產(chǎn)品的開發(fā)拓展，盡可能實現(xiàn)落沖、成形模具共用，提前對工藝孔進行布置確認。

2. 工藝方案確定

根據(jù)縱梁零件的形狀特點和工廠生產(chǎn)條件，該零件工藝方案有如下兩種：

（1）方案1：開卷下單件條料→數(shù)控沖孔→落料沖孔→成形。工藝要點：①數(shù)控沖孔工序主要根據(jù)各種同等規(guī)格的縱梁孔位差異情況及落沖機床的沖裁力大小決定沖孔數(shù)量，落沖模的導正孔要在數(shù)控沖工序中沖出，前端和尾端的重要孔、導正孔在落沖模上沖出。②前后邊必須都進行切邊，否則存在應力影響縱梁成形的精度。

（2）方案2：開卷下單件條料→數(shù)控沖孔→激光割（或等離子割）外形（見圖3）→成形。工藝要點：①激光割或者等離子割時以導正孔定位割外形。②毛坯寬度方向兩邊必須是割出，否則產(chǎn)生應力不均，造成毛坯扭曲加大。③毛坯的扭曲影響到縱梁零件的精度，校正工序?qū)ψ灾貤l件扭曲超過1.5mm的進行校正。

圖2 縱梁前端圖

方案1和方案2只是料片的實現(xiàn)方式不同。方案1通過落料沖孔實現(xiàn)，適合小品種大批量的生產(chǎn)；方案2通過“數(shù)控沖孔+等離子切割”來實現(xiàn)，適合多品種小批量的生產(chǎn)，柔性化程度較高。考慮到產(chǎn)品品種較多且每個品種換模時間約1～2h，而縱梁孔位隨市場變化頻繁調(diào)整以滿足整車功能配置需求，前期生產(chǎn)量較小，規(guī)劃暫不開發(fā)落料沖孔模具，故采用方案2“等離子切割+數(shù)控平板沖沖孔”?，F(xiàn)平板數(shù)控沖設備配有自動化上下料的吸盤與傳送帶，可以按邊或中心定位進行沖孔，滿足現(xiàn)有產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3. 成形工藝難點

（1）扭曲：縱梁形狀細長，腹面和翼面都存在彎曲形狀，造成零件扭曲。

（2）底面翹曲：縱梁腹面存在彎曲起伏，且翼面多料和少料，成形后弧度回彈，造成零件翹曲。

（3）兩翼面回彈：縱梁板材厚（5mm以上）、強度高，翼面豎直翻邊，回彈張口；頂件器頂出力大或者小時出現(xiàn)腹面凸或凹心，零件張口或收口。

（4）零件翼面落差：成形時內(nèi)圓角壓應力和外圓角的拉應力，引起翼面落差的回彈。

圖3 切割料片外形

由于C A E分析技術(shù)在縱梁的應用還不十分成熟，開發(fā)模具時，大多憑經(jīng)驗值在設計時進行腹面扭曲補償，CAE驗證修正。在調(diào)試時，調(diào)整腹面間隙、側(cè)壁間隙、補償腹面偏差和壓力參數(shù)等，以保證精度要求。但調(diào)整腹面間隙、側(cè)壁間隙和壓力參數(shù)經(jīng)常不能完全解決扭曲問題。如果用戶精度要求很嚴，調(diào)試如扭曲回彈超差較大的通常需要重新模面補償，這時需要局部拼塊退火重新加工模具，模具生產(chǎn)廠若沒有縱梁的設備，則會造成調(diào)試整改運輸?shù)木嚯x較遠，調(diào)試周期較長（一般為2～5個月），調(diào)試成本也急劇增加。

4. 工藝數(shù)模設計

成形工藝數(shù)模準確設計是此件工藝設計的難點。根據(jù)已有知識經(jīng)驗，針對上面的原因分析，結(jié)合CAE分析進行優(yōu)化設計，具體過程如下：

（1）用原始產(chǎn)品數(shù)模結(jié)合公差要求進行模面設計。公差漂移：對數(shù)模加寬0.2mm，凸模圓角減小0.5°，導正銷位置確定。凹?？谠O計：凹模口模面采取一致的15°斜面和R圓角組成，倒角高度30m m（見圖4B—B斷面）；按各處同時翻邊原則設計凹模口高度，頂件器行程確定為105mm。

圖4 凹模斷面

（ 2 ） C A E 模 擬 分 析。AUTOFORM 5.2中分析，分析輸入條件，按產(chǎn)品在U G做好工具片體和毛坯線。分析過程如下：新建分析文件；分別導入凸模、凹模、壓件器及產(chǎn)品等工具數(shù)模和毛坯的輪廓和孔線；選定材料510L，確定材料參數(shù)；設置沖壓線（成形工序+回彈計算）；設置毛坯（用導入輪廓及孔線）；設置沖壓工具（見圖5）及沖壓參數(shù)、摩擦系數(shù)等，摩擦系數(shù)為0.15，回彈約束條件選自由回彈；模擬參數(shù)設置，因進行回彈分析，engineering phase選擇FV，分析結(jié)果及輸出等均可用缺省狀態(tài)，然后提交計算；重新打開文件，進行后處理，查看機床壓力、成形性及回彈等結(jié)果。

（3）分析結(jié)果解析與補償。①腹面翹曲（腹面落差回彈）：其現(xiàn)象為縱梁成形后，腹面的兩端翹起，落差超差。產(chǎn)生原因：縱梁的腹面有“臺階”，腹面的圓角較大，翼面存在多料和少料，造成成形后的回彈，回彈就帶來了縱梁腹面的翹曲。解決方法：在腹面根據(jù)CAE結(jié)果進行1∶1補償；前端根部向下補償8mm，前端向下補償15mm；在成形的模具的凹?？冢ㄒ妶D6）上局部做凸起（見圖7、圖4中A—A部分），控制翻邊的先后順序，達到控制腹面回彈大小的目的，調(diào)整以達到工作量小、效率高、周期短及成本低。②整體扭曲：其現(xiàn)象為縱梁成形回彈后，出現(xiàn)像麻花一樣的扭曲。產(chǎn)生原因：縱梁的翼面輪廓不是直線，存在拐彎的形狀，拐彎造成板料存在多、少料的現(xiàn)象，多料和少料使得縱梁成形時產(chǎn)生的壓應力和拉應力，應力釋放中，造成扭曲。解決方法：在少料的部位腹面設計凸起鼓包，緩解少料產(chǎn)生拉應力，在多料的部位腹面下踩一個三角凹坑（見圖7），使得多余的料有地方去，減少壓應力，這樣扭曲減緩，甚至消失了。③翼面開口：現(xiàn)象為縱梁的兩翼面，開口變大。產(chǎn)生原因：翼面翻邊后圓角塑性成形不徹底，產(chǎn)生回彈。解決方法：在底面做凸圓弧，凸圓弧回彈后間接起到了減緩翼面回彈的效果（見圖8），1處上弓0.8～1.6mm不等；在腹面局部做空開處理，使得塑性成形性加大；凸模直線段側(cè)壁空開0.5mm處理；頂出力的大小對開口回彈至關(guān)重要，需在生產(chǎn)中控制。④翼面落差回彈：現(xiàn)象為縱梁的兩翼面落差不對。產(chǎn)生原因：翼面翻邊后塑性成形不徹底。解決方法：此件分析基本在公差之內(nèi)，可調(diào)整間隙解決。

圖5 沖壓工具設置

圖6 凹模口

（4）工藝數(shù)模確定。根據(jù)上述理論、方法及CAE分析結(jié)果，進行工藝數(shù)模補償設計，用CAE進行再分析，完善工藝數(shù)模。工藝數(shù)模用CAE軟件分析驗證，將在1mm以內(nèi)作為最后的結(jié)果（見圖9）?？紤]調(diào)試，進行安全裕度改造。

（5）加工數(shù)模設計。進行凸模讓空設計，凸模底面非符型區(qū)設計0.8mm讓空，但是在轉(zhuǎn)彎區(qū)、起伏區(qū)和縱梁凸模的兩端頭底面要求保持符型；輪廓側(cè)壁凹模不等間隙設計。

圖7 工藝數(shù)模

圖8 斷面圖

圖9 回彈結(jié)果

模具結(jié)構(gòu)設計

落沖模為通常的常規(guī)組合結(jié)構(gòu)，下面僅對成形模設計要點進行介紹（見圖10）。

1. 模架設計要點

（1）縱梁模具較長，為保證模具的剛性、穩(wěn)定性及壽命，采用鑄鋼模座，在空間允許條件下，凹模拼塊和凸模拼塊設計為側(cè)把形式。

（2）模座中間采取8處導向腿，起到了導向和反側(cè)作用，提高了模具剛性。導向腿的導板后面設計了墊板，方便調(diào)整，提高了制造工藝性。

（3）為考慮兼顧產(chǎn)品，局部設計凹模安裝座，凸模也設計安裝座形式，不同產(chǎn)品可以通過更換安裝座上一組凹模和凸模安裝座、頂件器實現(xiàn)模具的轉(zhuǎn)換，同時解決模具的加工問題，如果模具整改可以只轉(zhuǎn)運部分組件。

（4）為了保證模具的清潔，下模座設計氧化皮槽和清理孔，上模座設計了流液孔。

（5）為了保證模具的存放、平衡及到底行程確認，模具設計了8個存放器和限制器。

2. 凸凹模結(jié)構(gòu)設計要點

（1）縱梁為厚板料，凸凹模鑲塊材質(zhì)均選用Cr12MoV，凹模鑲塊折彎處進行表面TD處理。

（2）縱梁較長，凸、凹模均采用鑲塊組合結(jié)構(gòu)，凸模鑲塊和凹模鑲塊分塊時考慮：拓展型產(chǎn)品生產(chǎn)，通過更換組件方式，采取鑲塊固定在安裝座的結(jié)構(gòu)；調(diào)試的快捷，方便調(diào)試時型面和間隙的調(diào)整，鑲塊下部或外部設計墊板，通過鉗工調(diào)整墊片，解決零件質(zhì)量問題、模具間隙問題，減少模具的運輸成本；拼塊優(yōu)先側(cè)向固定。

圖10 模具結(jié)構(gòu)

圖 11

（3）模具型面的補償和間隙設置均按工藝數(shù)模設計，凸模拼塊底面平直區(qū)下面設計讓空，但兩端和變截面區(qū)與頂件器符型。

（4）凸模鑲塊、凹模鑲塊設計時考慮側(cè)向力，設計擋墻和反側(cè)。

（5）鑲塊設計和起重絲孔設計。

（6）凸凹模的間隙考慮料的公差，按4.9mm設計加工，凹凹拼塊后側(cè)設計一組0.7mm鋼墊片，根據(jù)料厚實際情況，可以更換不同厚度墊片進行匹配。

3. 頂件器的結(jié)構(gòu)設計要點

（1）為提高頂件器壽命，頂件器用45鋼，頂部鑲T10鋼塊，頂件器輪廓與凹模間隙3m m，方便補償，頂件器下部倒角且便于氧化皮清理（見圖11）。

（2）頂件器前后側(cè)與凹模拼塊導向，頂件器導向部位鑲導板，對于凹模輪廓有調(diào)整可能的后面導板后面加墊，可以通過更換墊板保證導向間隙。

（3）因有加長和短兩種縱梁產(chǎn)品，所以頂件器懸空處加平衡墊。

（4）零件存在腹面起伏，頂件器成形有側(cè)向力，在頂件器端頭與上模組件設計直接反側(cè)。

（5）頂件器上設計直徑加大2mm導正銷的讓空孔。

（6）頂件器的運動主要靠機床頂桿的驅(qū)動實現(xiàn)，機床頂桿頂?shù)巾敳繒r頂件器頂面高出凹模口5～10mm。

4. 定位系統(tǒng)的設計

（1）導正銷設計要點：①導正銷的位置和數(shù)量按照沖高壓工藝提供的設計，轉(zhuǎn)彎處布置導正銷。②設計一個圓銷作為主定位，其余為棱形銷，棱形銷設計固定防轉(zhuǎn)。③導正銷用固定板向上固定在凸模上，凸模方便拆卸和更換。④導正銷的長度要大于頂銷的長度10mm。⑤導正銷的前端設計30°錐面。

（2）粗定位設計：①為滿足手工送料要求，在前后側(cè)設計4個導向擋料塊，右側(cè)設計擋料塊來進行粗定位。②為滿足將來自動線的使用，設計了前后側(cè)浮動的擋料塊和感應器，進行周邊定位。③浮動擋料塊依靠氣缸驅(qū)動。

5. 卸料裝置

凸模的卸料主要靠頂銷從凸模頂出，設計要點為：

（1）為提高卸料的可靠性且降低成本，頂銷設計氮氣彈簧和彈簧混合使用提供卸料力。在轉(zhuǎn)彎處和導正銷兩側(cè)設計用氮氣彈簧卸料，平直段用彈簧驅(qū)動。

（2）頂銷的長度，保證能把零件頂出凸模圓角。

（3）定銷的位置盡量均布，靠近折彎線處。

（4）頂銷布置注意避開縱梁產(chǎn)品的孔，不能定在孔的半邊或頂在孔上。

（5）從凹模中的卸料，靠頂件器的回程實現(xiàn)，在成形前，頂件器起到預彎和壓料的作用，頂出力的大小影響到開口大小。

6. 上下料裝置設計

在手工線生產(chǎn)時，模具靠機床一端安裝，上下料靠一端操作，設計端頭上料架滾輪，高度可調(diào)整；自動化生產(chǎn)時是由機械手進行操作，需要考慮操作空間。

模具制造與調(diào)試

1. 模具制造

模具的制造精度只有達到了設計條件，才能在調(diào)試過程中反映出CAE分析結(jié)果；模具的各安裝面和導向面、型面我們采取數(shù)控機床加工的工藝；因縱梁模具凸凹模鑲塊和頂件器鑲塊均選用整體淬火鋼，為了減少淬火變形對型面影響，保證模面精度，實施淬火后加工的工藝。

2. 模具的調(diào)試

早期縱梁模具的精益設計與工藝模擬分析補償，模具加工制造到位，是高效調(diào)試的前提，但是縱梁調(diào)試經(jīng)驗和理論也是必不可少的。

（1）頂出力和主壓力是影響縱梁精度的主要參數(shù)。頂出力小表現(xiàn)為縮口，頂出力大為開口，主壓小折彎圓角大，主壓大產(chǎn)生壓痕。掌握上述規(guī)律之后，參照C A E分析力之后，鉗工能很快找到合適的主壓和頂出力，然后在確定壓力參數(shù)下調(diào)試出合格零件。

（2）針對零件的局部開口偏大，主要通過局部的間隙和凸?；貜椊墙鉀Q。

（3）零件的調(diào)試結(jié)果。此縱梁模具調(diào)試中，參照CAE提供壓力參數(shù)數(shù)值，利用2次上機床機會，基本調(diào)試出合格零件（見圖12）。鉗工主要是圍繞圖4的圓角和側(cè)壁間隙調(diào)整。

結(jié)語

沖壓工藝性的好壞與縱梁產(chǎn)品材料利用率和零件質(zhì)量有直接關(guān)系，合理的工藝設計和模具結(jié)構(gòu)是制造合格縱梁的關(guān)鍵技術(shù)之一。借助CAE手段，利用縱梁公差漂移技術(shù)、模面補償技術(shù)、腹面三角區(qū)儲料及上弓技術(shù)、凹?？谙确夹g(shù)能有效縮短縱梁模具的開發(fā)調(diào)試周期，提高縱梁產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，在生產(chǎn)應用中取得了很好效果。

[1] 《沖模設計手冊》編寫組. 沖模設計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2] 《機械設計手冊》聯(lián)合編寫組. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，1982.