車架縱梁折彎成型扭曲變形分析

莫云霞，李玉家，王 蕾，熊 偉，寧 波，何清月

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306；2.遂寧云內(nèi)動力機械制造有限公司，四川 遂寧 629000）

車架是汽車中最重要的承載部件，縱梁是其中的關(guān)鍵零件之一。汽車縱梁數(shù)控折彎生產(chǎn)線是汽車行業(yè)中新型載重卡車車架縱梁及加強梁的局部折彎成型的專用設(shè)備，實現(xiàn)了折彎成型的柔性化生產(chǎn)，對于不同寬度、高度以及長度的U型梁，通過觸摸屏可自動調(diào)用相應(yīng)的折彎程序進行加工，既適合現(xiàn)代化工廠的多品種小批量的生產(chǎn)狀況，又可適應(yīng)縱梁的大批量生產(chǎn)，大大減輕了工人勞動強度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

汽車縱梁數(shù)控折彎生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)過程中，成型后的縱梁會產(chǎn)生不同程度的扭曲變形。本章重點分析了折彎后縱梁扭曲變形的主要原因以及降低扭曲變形程度能夠采取的有效措施。

表1 鋼板和鋼帶的厚度允施偏差 單位：mm

1 縱梁折彎后扭曲變形原因

1.1 化學(xué)成分、物理性能因素

即使汽車縱梁的幾何形狀完全相同，其化學(xué)成分的穩(wěn)定性以及晶體顆粒的均勻性都會導(dǎo)致其力學(xué)性能不盡相同。

參照汽車大梁用熱軋鋼板和鋼帶（GB／T 3273-2005）規(guī)定，以6mm～8mm鋼板和鋼帶為例：縱梁材料厚度（厚度6mm～8mm）公差普通精度為±0.36mm，詳見表1。實際大梁板供貨時板厚誤差在0.2mm左右。

根據(jù)矩形截面抗彎截面系數(shù)的計算公式：W=bh2/6（式中b為垂直于彎矩作用方向的長度，如圖1所示），可以看出因材料厚度誤差導(dǎo)致縱梁成型后，同截面內(nèi)縱梁理論抗彎截面系數(shù)（W）是非對稱的，即其中一側(cè)遠(yuǎn)大于另一側(cè)。

縱梁折彎后由于化學(xué)成分、物理性能方面的差異導(dǎo)致縱梁扭曲變形。

1.2 翼面高度差因素

某車架廠倉庫一批次縱梁，經(jīng)測量數(shù)據(jù)如下：翼面高差2mm占比約為50%，翼面高度差3mm占比約為50%。

車架縱梁形狀與圖2型鋼類似，型鋼抗彎截面系數(shù)公式如下：

根據(jù)型鋼截面抗彎截面系數(shù)計算公式，可以看出翼面高度對抗彎截面系數(shù)的影響是3次方關(guān)系，截面高度差越大，對抗彎截面系數(shù)的影響越大。

縱梁折彎后由于翼面高度差導(dǎo)致縱梁扭曲變形。

1.3 縱梁翼面、腹面直線度因素

某車架廠倉庫一批次縱梁，經(jīng)拉線測量數(shù)據(jù)如下：翼面直線度4mm占比約為18%，翼面直線度6mm占比約為42%，其余約為40%；腹面直線度4mm約為28%，腹面直線度6mm占比約為72%。較長縱梁腹面直線度更差一些。

從以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，成型后的縱梁經(jīng)過一系列運輸及存儲等，在各種原因的綜合影響下，折彎前縱梁本身已經(jīng)發(fā)生扭曲變形。

1.4 折彎線附近腹面、翼面非對稱孔因素

車架縱梁上存在很多孔，并且很多孔不是沿中心對稱分布。以圖3某車架縱梁為例，由圖可清晰看出，縱梁腹面折彎線附近存在大孔，且遠(yuǎn)離對稱中心線；折彎線附近還有很多非對稱布置的小孔分布在翼面和腹面上。

孔的抗彎截面系數(shù)公式為（d為孔的直徑）：

由上述公式可見，孔的直徑對抗彎截面系數(shù)的影響是3次方關(guān)系，尤其是大孔對抗彎截面系數(shù)影響很大。而且非對稱孔會大大破壞縱梁抗彎截面系數(shù)的對稱性，從而導(dǎo)致縱梁加工后的扭曲變形。歐洲某些車型車架縱梁的沖孔非常對稱，一定程度上降低了非對稱孔對縱梁扭曲變形的影響，如圖4所示。

2 降低縱梁折彎后扭曲變形的措施

（1）材質(zhì)的化學(xué)成分、物理性能對抗彎模數(shù)影響較大，進一步對縱梁折彎后的扭曲變形較大。但是目前我們暫時無法改變這一現(xiàn)狀，只能在選擇材料時盡量選擇大廠的、相對較穩(wěn)定的鋼材產(chǎn)品。

（2）運輸及存儲等中間環(huán)節(jié)對縱梁腹面、翼面變形造成的影響，可以通過改善運輸條件，加強生產(chǎn)管理等一系列措施進行一定程度的有效控制。

（3）降低縱梁孔位對折彎成型的影響。目前大多數(shù)車架廠的生產(chǎn)工藝都是先沖孔后折彎。這就導(dǎo)致沖腹面及翼面孔時，若孔為非對稱型，會產(chǎn)生新的非對稱內(nèi)應(yīng)力。尤其是折彎線附近的腹面及翼面孔，會導(dǎo)致折彎線附近各截面抗彎系數(shù)的嚴(yán)重不對稱，縱梁內(nèi)部因此產(chǎn)生不均勻的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致縱梁折彎后扭曲變形?；蛘邇?nèi)部雖然存在內(nèi)應(yīng)力，雖尚不足以使縱梁產(chǎn)生變形，但是存在潛在趨勢，當(dāng)有新的外力出現(xiàn)時，產(chǎn)生合力，該類型的變形會出現(xiàn)且有放大的趨勢。所以在車架設(shè)計時，盡量避免在折彎線附近出現(xiàn)大孔，或者不對稱分布的小孔。

3 結(jié)束語

折彎成型加工過程中，縱梁的扭曲變形不可能完全消除。有針對性的鋼材選型、控制運輸存儲等中間環(huán)節(jié)，以及不斷優(yōu)化車架設(shè)計及生產(chǎn)工藝等措施能夠有效減小折彎后縱梁的扭曲變形。