轎車前縱梁模具技術分析

文/楊威，高志純·一汽-大眾汽車有限公司

左/右前縱梁沖壓件是轎車車身中重要的保安件，在整車安全性和結構尺寸匹配準確性上起著至關重要的作用。在全自動化沖壓生產(chǎn)線上，我們首次采用了左/右前縱梁一模雙件（Tandem）的生產(chǎn)方式進行全自動化批量生產(chǎn)，徹底克服了因制件重量大、尺寸狹長、結構形狀復雜而不適用全自動化生產(chǎn)的難題，達到了整線連續(xù)生產(chǎn)運行節(jié)拍7.5次/分鐘的國際水平。

技術難點

左/右前縱梁沖壓件產(chǎn)品特性要求高，實現(xiàn)困難

RPS基準孔和基準面是沖壓件和總成焊接的尺寸測量、定位、找正、對中基準，兩個RPS基準孔的形狀、尺寸公差為+0.2mm，位置公差為±0.2mm；兩個RPS基準面的Z向位置公差為0mm。

由于左/右前縱梁法蘭面和翼面分別與縱梁蓋板、前/后支撐塊輔助支架、前地板梁、前地板等零件都有匹配和焊接要求，且該沖壓件的強度很高，決定著焊接總成和白車身結構尺寸是否合格與穩(wěn)定，故其翼面的形狀公差為+0.7mm。

高強度激光拼焊鋼板不利于制件成形

高強度激光拼焊鋼板，抗拉強度達到430MPa，屈服強度達到330MPa，斷裂延伸率是26%，制件拉延深度大、成形和整形困難，需要的成形力很大。

前縱梁為帶法蘭邊、兩端開口的U形制件，其兩翼面最窄截面間距分別為19.5mm(左件）、6mm(右件），制件長度為1739mm，在截面上腹面與法蘭面之間的高度為85mm，制件整體高度為731mm，三段激光拼焊鋼板存在厚度差異（分別為2mm、2.85mm、1.35mm），對成形穩(wěn)定性的影響較大，對制件的回彈、扭曲變形、縮頸、裂紋、波浪皺褶的控制難度大。

一模雙件模具的排布困難

由于受壓力機工作臺送料方向尺寸（4500mm×2400mm）的限制，給一模雙件模具的結構設計帶來很大困難。又由于拉延工序需要工藝補充，并且左、右件是分成兩片的高強度板料，如何克服因模具布置空間不足而產(chǎn)生模具結構安全性的問題，顯得格外重要。

考慮到未來生產(chǎn)廠產(chǎn)能不足時便于模具外委，特別是在小工作臺面的壓力機上使用，需要將一模雙件的模具，物流設計成可拆卸的兩套獨立模具，并將兩套模具共同安裝在一個聯(lián)合安裝墊板上使用，更加劇了模具布置的困難程度。

工藝與模具結構分析

生產(chǎn)方式

為了提高產(chǎn)能，左/右前縱梁采用一模雙件的沖壓生產(chǎn)方式。即在每道工序的模具中，左/右制件的板料或工序件是分成兩件，左/右制件模具是兩套相對獨立的模具。

采取以送料方向的垂直方向為縱梁長度的布置方向，左/右制件在送料方向上做錯開布置，這樣可以適應全自動化生產(chǎn)線的要求，并解決了生產(chǎn)技術難點，如圖1所示。

圖1 左/右前縱梁采用一模雙件的布置方式

采用該布置方式的優(yōu)勢是：左/右件模具在與物流方向相垂直的方向上（壓力機工作臺長度方向）可以做部分交錯，緩解了一模雙件模具布置空間不足的問題；在物流方向上（壓力機工作臺寬度方向），左/右件模具分布在生產(chǎn)線機械化主杠的兩側，解決了制件各工序間沖壓方向變化大、制件端頭過高、與機械化主杠干涉的問題；緩解了設備下氣墊受力不均衡的問題，并通過平衡托桿來平衡下氣墊的受力狀態(tài)；左/右件板料在堆垛、拆垛、識別、傳輸、定位等環(huán)節(jié)都能包含在自動化生產(chǎn)線上料單元的控制范圍內，可以滿足模具及自動化的精度要求，如圖2所示。

圖2 自動化生產(chǎn)線的上料單元

工藝方案與模具結構分析

左/右前縱梁成形模具為兩組6道工序的模具，所涉及的工序為：OP10板料開卷、剪切→OP20拉延成形→OP30/40修邊、沖孔→OP50翻邊整形→OP60整形→OP70修邊、沖孔、翻孔。

⑴OP10板料開卷、剪切工序。

根據(jù)產(chǎn)品對激光拼焊板料的要求和拉延模擬的板料輪廓形狀，確定板料的激光焊縫位置和輪廓形狀，由鋼板廠家提供片料。片料規(guī)格為1845mm×455mm，分成尺寸為2.0mm×219mm×370mm、2.85mm×1007 mm×455mm、1.35mm×619mm×395mm三塊板料。板料輪廓形狀和大小應滿足拉延后的標準要求（板料輪廓不能全部流入拉延檻內等），滿足成形模具的要求；滿足安全要求（板料輪廓或廢料不能有過尖的形狀），滿足堆垛板料輪廓平齊以及至少有兩個方向的直邊要求。

在沖壓自動化生產(chǎn)線的拆垛單元中，左/右件板料分裝在兩個板料托盤中。為了便于在沖壓生產(chǎn)中識別左/右件板料，將左/右件板料輪廓按對稱形狀制作。

根據(jù)拉延模具沖壓方向、工藝補充部分形狀和壓料要求，板料在長度方向上以及在模具中呈傾斜的初始狀態(tài)，為了保證板料在模具中的位置穩(wěn)定，在板料的中部兩側輪廓邊開出兩個缺口，作為板料在OP20拉延模具的主定位。

⑵OP20拉延成形工序。

為了減小拉延成形件的回彈、扭曲變形，將產(chǎn)品開口端在拉延工序封閉，形成封閉的拉延形狀，如圖3所示。為了保證制件法蘭面形狀，將制件法蘭面沿周輪廓延長至大于修邊輪廓區(qū)域，形成工藝補充的型面，并以該型面輪廓做為拉延凸模輪廓，如圖4所示。

圖3 產(chǎn)品開口端封閉

圖4 拉延型面輪廓設計

由于制件中部兩側翼面與法蘭面交匯處圓角過小，且法蘭面截面形狀變化大，在拉延時對該區(qū)域的法蘭型面和兩側翼面交匯處圓角做適于拉延成形的、接近產(chǎn)品的圓角和法蘭型面，再通過后續(xù)整形工序使該區(qū)域滿足產(chǎn)品要求，如圖5所示。

圖5 拉延件形狀

在壓料面平面寬度以外的20mm處設置拉延檻。在制件中部傾斜腹面接近薄料的彎折區(qū)域，由于制件在沖壓方向的拉延深度相對較深（法向的拉延深度相對均勻），為了使板料在成形時便于流動，板料輪廓在該區(qū)域做成凹入形狀，并在該區(qū)域做成無拉延檻的壓料面。

由于制件一側翼面形狀凸凹變化大，在拉延成形時會給工藝補充區(qū)域帶來波浪缺陷，同時，在該區(qū)域翻直整形時，屬于缺少板料翻邊成形，為了在拉延工序預存多余板料，在翻直整形工序可以釋放出需要的板料，在該區(qū)域設置多個工藝凸包。

為了便于目視檢查拉延成形的到底狀態(tài)，在工藝補充中接近水平面、相距較遠且在修邊后至少可以保留大半個標記的位置上，設置兩個拉延到位標記，如圖6所示的藍色標記處。

圖6 拉延成形到位標記（2個藍色標記處）

為了保證制件腹面的表面平整度（主要是RPS面），將拉延模具凹模底部的腹面做成活芯，在成形初期就開始壓料，在成形的終止位置做鐓死處理，最大限度地保持制件腹面的表面平整。為了適應高強度鋼板成形性能和生產(chǎn)綱領的要求，制件壓料面和凹模由經(jīng)淬火處理（58～62HRC）的鍛造Cr12MoV鑲塊拼接構成。

為了解決因模具錯開布置而導致壓力機下氣墊受力偏載的問題，在左/右件的模具上，靠近壓力機橫向中心線（與送料方向垂直）的無壓料力區(qū)域設置平衡托桿，來平衡下氣墊受力偏載。在制件成形時，為了避免板料激光焊縫對模具的過度磨損，在不影響制件成形及質量的情況下，在焊縫區(qū)域的模具凸凹模成形面、壓料面等處做空開處理。

受壓力機工作臺面尺寸的限制，下模壓料板的安裝板兩端壁厚最大相差60mm，為了防止因安裝板兩端因壁厚不足導致模具損壞的問題，在下模結構中預留了安裝加固壓料板的安裝板螺桿夾緊裝置設計。

⑶OP30/40修邊、沖孔工序。

根據(jù)制件修邊位置和角度，采用垂直修邊的方式。制件修邊采用型面形狀定位，定位穩(wěn)定。修邊壓料采用垂直壓料的方式，區(qū)域為修邊沿周的20mm型面。根據(jù)修邊廢料的滑落、地溝廢料口的大小、凹模修邊鑲塊的制造工藝性及重量、修邊模具結構和強度的合理性等因素，確定采用二次完成沿周修邊的工藝方法。由于在制件中部區(qū)域需要做兩次整形處理，這些區(qū)域的修邊輪廓應由試驗決定。

考慮到主RPS孔的孔位和翻邊高度，采用在本工序的沖壓方向上沖制主RPS孔的底孔；考慮到腹面兩個主KTK孔沖制的工藝性，采用在本工序的沖壓方向上沖制兩個KTL孔。

⑷OP50翻邊整形工序。

制件用型面和兩個孔定位（非RPS孔），定位穩(wěn)定合理。在對兩側翼面和法蘭面交匯處圓角整形時，為了保證整形效果并防止整形對制件結構尺寸引起的扭曲變形，將上模的腹面壓料設計成彈性壓料芯，并設置了兩處翼面壓料。法蘭型面的翻邊整形除采用圓角整形的措施外，應將上模法蘭面整形側的整形塊設計成帶有腹面和翼面的彈性壓料。在本工序的沖壓方向上，壓制生產(chǎn)廠標記、產(chǎn)品標記、周標記。

⑸OP60整形工序。

本工序定位同OP50工序，并采用垂直腹面壓料的方式，斜楔對兩側翼面同時整形，設置預回彈角度為3°。

⑹OP70修邊、沖孔、翻孔工序。

本工序定位及壓料方式同OP60工序，并對制件一側端頭做終修邊?？紤]到RPS孔的孔位精度要求，在沖壓方向上做主RPS孔翻孔和輔助RPS孔（長圓孔）沖孔，并沖制完成其他全部孔?？紤]兩側翼面孔的孔位精度要求，采用吊楔沖制完成全部孔。沖孔壓料用套在沖頭上的橡膠實現(xiàn)。

工藝模型檢查分析

按標準制作拉延工藝模型和各工序標識，組織相關人員，根據(jù)各工序方法圖檢查項目，在模型上，直觀地檢查整體工藝方案的合理性并給出優(yōu)化措施，做方法圖的會簽，如圖7所示。

圖7 拉延工藝模型

實際生產(chǎn)和質量狀態(tài)與匹配效果

在尺寸狀態(tài)和匹配效果方面，制件經(jīng)過尺寸優(yōu)化和匹配試裝，完全可以滿足實際生產(chǎn)的質量要求。RPS點尺寸狀態(tài)如圖8所示，翼面和腹面尺寸狀態(tài)如圖9所示，法蘭面尺寸狀態(tài)如圖10所示。

在表面質量方面，沖壓單件AUDIT評價等級為1.2，缺陷點數(shù)為70點，其中C1類波浪缺陷3個，C類毛刺缺陷1個。優(yōu)于康采恩沖壓單件AUDIT評價等級1.5的質量狀態(tài)。

圖8 RPS點尺寸狀態(tài)

圖9 翼面和腹面尺寸狀態(tài)

圖10 法蘭面尺寸狀態(tài)

在9100t全自動化SPEEDBAR生產(chǎn)線上，采用1∶1.38節(jié)拍運行方式，單機的運行節(jié)拍為11次/分鐘，整線連續(xù)生產(chǎn)運行節(jié)拍為7.5次/分鐘。在大眾康采恩范圍內，開創(chuàng)了2/2.85/1.35mm料厚、1765mm長度、12.42kg單件重量、一模雙件、整線連續(xù)生產(chǎn)運行節(jié)拍7.5次/分鐘的先河，得到了大眾康采恩批量生產(chǎn)啟動檢查團的一致認可。