汽車后橋橫梁的工藝分析及模具設(shè)計(jì)

陶海玲，韓耀東

1.武漢中原電子集團(tuán)有限公司（湖北武漢 430073）

2.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

汽車是由眾多的零部件組合而成，其中底盤件是車輛的主要組成部件，而底盤上又包含眾多其它零部件，比如前、后橋兩大重要部件。底盤作用是支承、安裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，使汽車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，保證正常行駛。其中后橋是汽車底盤上的關(guān)鍵制件之一，它是連接車輪與車身的機(jī)構(gòu)，對(duì)車身起支撐和減振的作用。主要是傳遞車輪和車架之間的力，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，衰減由此引起的震動(dòng)，以保證汽車能平順地行駛。后橋可以按多種形式來劃分，總體上主要分為兩大類，獨(dú)立懸掛和非獨(dú)立懸掛。獨(dú)立懸掛可以簡(jiǎn)單理解為，左右兩個(gè)車輪間沒有硬軸進(jìn)行剛性連接，一側(cè)車輪的懸掛部件全部都只與車身相連。而非獨(dú)立懸掛兩個(gè)車輪間不是相互獨(dú)立的，之間有硬軸進(jìn)行剛性連接。從結(jié)構(gòu)上看，獨(dú)立懸掛由于兩個(gè)車輪間沒有干涉，可以有更好的舒適性和操控性。而非獨(dú)立懸掛兩個(gè)車輪間有硬軸連接物，會(huì)發(fā)生相互干涉，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有更好的剛性。扭力梁式懸掛相對(duì)于獨(dú)立式懸掛舒適性要差一些，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，也不占空間，而且維修費(fèi)用也比獨(dú)立懸掛低，所以扭力梁懸掛多用在小型車和緊湊型車的后橋上。扭轉(zhuǎn)梁式懸掛的結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)車輪之間沒有硬軸直接相連，而是通過一根扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行連接，扭轉(zhuǎn)梁可以在一定范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)。但如果一個(gè)車輪遇到非平整路面時(shí)，之間的扭轉(zhuǎn)梁仍然會(huì)對(duì)另一側(cè)車輪產(chǎn)生一定的干涉，嚴(yán)格上說，扭轉(zhuǎn)梁式懸掛屬于半獨(dú)立式懸掛。圖1所示為某車型扭轉(zhuǎn)梁后橋的基本構(gòu)成。

圖1 扭轉(zhuǎn)梁后橋構(gòu)成

根據(jù)車型的不同，扭轉(zhuǎn)梁后橋的尺寸和形狀會(huì)有些差異，但基本形式和功能相同，在車輛運(yùn)動(dòng)中，總成制件有嚴(yán)格的強(qiáng)度和安全指標(biāo)要求，為避免疲勞斷裂，沖壓件不允許出現(xiàn)沖壓凹接口，焊接部位焊縫質(zhì)量要求非常高，制件的孔和面是裝配孔或裝配面，精度要求較高，其尺寸的好壞，直接影響到整車裝配和整車的質(zhì)量性能。由此可見，后橋橫梁的質(zhì)量、尺寸直接影響汽車后橋的穩(wěn)定性和安全性。所以沖壓工藝的設(shè)計(jì)，決定了該制件的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、批量生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性以及生產(chǎn)效率的高效性。本文僅就后橋橫梁的沖壓工藝分析和模具結(jié)構(gòu)方面，進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2 制件沖壓工藝分析

后橋橫梁如圖2所示，材料S500MC Q/BQB311-2009，料厚3.95±0.15mm，該制件材料強(qiáng)度較高，板料較厚，成形壁厚有嚴(yán)格要求，制件的型面、焊接邊線、孔位均有要求，必須滿足后續(xù)機(jī)器人總成焊接和總成尺寸要求。其中型面、焊接邊線要求穩(wěn)定，確保機(jī)器人焊接時(shí)，焊縫不偏移，制件焊接變形穩(wěn)定，沖壓毛刺≤0.2mm。

圖2 后橋總成及橫梁圖片

初步分析的工藝方案是：①?zèng)_孔落料完成毛坯落料；②翻邊成形；③整形；④修邊沖孔側(cè)沖孔；⑤沖孔側(cè)沖孔切槽；⑥修邊側(cè)修邊，具體工序圖如圖3所示。

3 工藝方案說明

（1）落料沖孔。將塊料用外形定位，沖出2個(gè)工藝孔和一個(gè)防反孔，用于后續(xù)工序的定位使用；兩側(cè)4處修邊，是為了解決制件法蘭面成形時(shí)兩個(gè)型面的交接過渡問題，事先修出過渡邊線；兩端的修邊，主要是解決制件成形后，角部正修邊和側(cè)修邊交刀困難的問題，預(yù)先修出一部分邊線，同時(shí)對(duì)塊料的兩端邊線進(jìn)行修邊，保證邊線的一致性，后續(xù)有定位作用。

（2）翻邊成形。制件用孔和防反孔定位，翻邊成形為產(chǎn)品需要的形狀。

（3）整形。用工藝孔防反孔定位，將成形的工序件整形到制件需要的精度要求。

（4）修邊沖孔側(cè)沖孔。用工序件的U型和外形邊線定位，防反孔防反，沖出部分底面孔和部分側(cè)面孔，沖部分孔的原因是因?yàn)楣ば蚣目拙嗵?，模具?qiáng)度不夠，需要間隔孔位沖孔。

（5）沖孔側(cè)沖孔切槽。制件底面的圓孔和長圓孔定位，沖壓所有上工序未沖完的孔，同時(shí)一次性沖出4個(gè)半圓槽（總成焊接時(shí)，與高壓管配合的部分），一次沖壓完成，相對(duì)尺寸較好保證，制件一致性好，有利于后續(xù)的焊接過程。

圖3 沖壓工序圖

（6）修邊側(cè)修邊。由于在底盤件成形的過程中，材料的邊線存在不整齊，更主要的是成形過程中，邊線附件存在一定的成形內(nèi)應(yīng)力缺陷，所以，需要進(jìn)行一次完整的修邊，將邊緣處隱藏的缺陷部分全部切除，確保底盤件的強(qiáng)度和安全性。

4 成形工藝的CAE分析

（1）首先按照初步工藝方案對(duì)制件的成形過程進(jìn)行CAE模擬分析，具體結(jié)果如圖4所示。

從成形過程分析，制件的側(cè)壁及法蘭面有明顯的起皺現(xiàn)象，需要對(duì)成形模具的凹模型面進(jìn)行更改，改善其成形時(shí)材料的變形趨勢(shì)。

（2）在凹模的入口處，對(duì)型面進(jìn)行修改，使材料流向分布均勻，防止材料嚴(yán)重起皺，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（3）模具型面修改后，再次CAE分析成形過程，具體結(jié)果如圖6所示。

從分析結(jié)果看，材料起皺明顯變小，而且變得平緩，沒有材料堆積的情況產(chǎn)生，通過整形可以消除皺紋。

（4）制件的回彈情況分析，具體結(jié)果如圖7所示。

圖4 CAE分析報(bào)告

圖5 凹模型面更改圖

圖6 改善后的CAE分析報(bào)告

圖7 成形回彈報(bào)告

從分析結(jié)果看，制件底部最大回彈量1.227mm，側(cè)壁最大回彈量2.760mm。此件一次成形到底的最大回彈不超過3mm，不需要側(cè)整模來整治回彈，下一步進(jìn)行回彈補(bǔ)償和計(jì)算的工作。模具設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)回彈量修正模具的型面尺寸，補(bǔ)償回彈量，另一方面，通過整形消除回彈并使局部圓角達(dá)到圖紙要求。

（5）材料厚度變化情況分析，具體結(jié)果如圖8所示。

從分析結(jié)果看，局部由于產(chǎn)品造型和工藝布置，局部翻邊多料有增厚趨勢(shì)，最大厚度4.3mm，最小料厚3.5mm，但整體不影響制件精度，外觀可接受。

（6）綜合CAE分析的結(jié)果，初步制定的成形工藝方案是可行的，后續(xù)制件的沖孔修邊，對(duì)制件的成形幾乎沒有影響，而且沖孔修邊的尺寸比較穩(wěn)定，能夠滿足制件技術(shù)要求。

圖8 成形時(shí)材料的厚度變化報(bào)告

5 模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

模具結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，本制件的生產(chǎn)由6副模具組成。

圖9 模具結(jié)構(gòu)圖

（1）沖孔落料模。僅對(duì)局部進(jìn)行修邊，不需要對(duì)全部邊線落料，沖裁力小，節(jié)約原材料，提高了材料利用率，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（2）翻邊成形模。相當(dāng)于簡(jiǎn)單的U型壓彎模結(jié)構(gòu)，孔定位，有防反裝置，氮?dú)飧醉斄希苊饬藲鈮|壓力不穩(wěn)定的問題，制件質(zhì)量更穩(wěn)定。采用壓彎成形工藝，與拉伸工藝相比，工藝路線簡(jiǎn)單，材料利用率高，模具需要TD處理。

（3）整形模。對(duì)成形不到位的型面進(jìn)行整形，消除回彈和起皺現(xiàn)象，并校正圓角部分的尺寸，上模采用氮?dú)飧醉斄?，模具需要TD處理。

（4）修邊沖孔側(cè)沖孔模。主要是沖出底面上的大部分孔（包括定位孔）和兩端的圓弧邊線以及側(cè)面的部分孔，側(cè)沖孔要求兩側(cè)的力量對(duì)稱（兩側(cè)沖孔數(shù)量相等），避免模具受力不均而啃刃口。

（5）沖孔側(cè)沖孔切槽模。主要是沖出底面上的剩余的孔和側(cè)面剩余的孔，側(cè)沖孔要求兩側(cè)的力量對(duì)稱（兩側(cè)沖孔數(shù)量相等），同時(shí)還要側(cè)切槽（與高壓管配合焊接的4個(gè)半圓槽），沖槽凸模需要克服反側(cè)力，避免模具受力不均而啃刃口。

（6）修邊側(cè)修邊模。主要是將兩側(cè)的成形邊線進(jìn)行一次修邊（正修邊）；將兩側(cè)的U型側(cè)面進(jìn)行局部側(cè)修邊（橫梁兩端的側(cè)面，共4處），修邊凸模需要克服反側(cè)力。

整副模具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：模具結(jié)構(gòu)緊湊，材料利用率高，工序合理分解，提高了模具的使用壽命。模具的定位、防反措施以及沖壓反側(cè)力考慮周到，表面TD處理，模具工作部分大多采用鑲塊結(jié)構(gòu)，節(jié)約了模具的制造成本，易于維護(hù)和更換，對(duì)厚板料、高強(qiáng)度板的沖壓非常有利，生產(chǎn)的制件穩(wěn)定性好，整個(gè)生產(chǎn)過程順暢、穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

該副模具經(jīng)過調(diào)試，最終確定了毛坯尺寸，整個(gè)調(diào)試過程比較順利，而且與計(jì)算分析的結(jié)果基本一致。最終滿足產(chǎn)品要求，而且整個(gè)后橋總成疲勞強(qiáng)度合格，具體沖壓件實(shí)物如圖10所示。經(jīng)過一定批量的生產(chǎn)驗(yàn)證，模具工作過程穩(wěn)定，制件尺寸準(zhǔn)確，壁厚較均勻，外觀質(zhì)量好，該模具目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。通過本制件的工藝分析及模具設(shè)計(jì)，解決了厚板料、高強(qiáng)度板底盤件的生產(chǎn)問題，為類似制件的開發(fā)提供了借鑒。

圖10 最終成形件實(shí)物

沖壓工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到制件的成形性、成形質(zhì)量及調(diào)試周期等，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響模具制造、維護(hù)成本以及生產(chǎn)過程的可靠性和便利性。豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和模擬技術(shù)能為厚板料、高強(qiáng)度板底盤件成形模具提供有效的解決方案。本文通過底盤件成形工藝的計(jì)算分析、模具設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述，對(duì)底盤件成形模具設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。