汽車梁類制件三序工藝設計研究

文/龔玉祿·長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術研究中心

梁類件在整車車身結構中占有極大比例，是整車強度、抗變形結構的重要組成部分。依據(jù)所在整車部位，梁類件可分為上車身、下車身兩大類。本文主要針對下車身橫梁制件進行分析，闡述其三序工藝設計，可為后期類似制件工藝、結構設計提供參考。

某車型橫梁類制件，其零件圖如圖1 所示。材質為雙相高強度冷軋鋼板HC340/590DP，鋼的顯微組織為鐵素體和馬氏體。具有較低的屈強比和較高的加工硬化性能，在同等屈服強度水平下，相對于高強度低合金鋼而言具有更高的強度，是結構類零件首選材料之一。零件的厚度為0.8mm，外形尺寸為685mm×135mm×40mm。

圖1 制件形狀及外形尺寸

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，該橫梁制件尺寸中等，除法蘭面存在波浪造型外，大體結構呈“幾”字形。上部存在5 處孔，包含左右兩側安裝精定位孔(同時也是制件檢測定位孔)。工藝設計階段需重點對成形性及修邊沖孔進行分析。

常規(guī)工藝設計

按照常規(guī)工藝，該“幾”字形梁類制件工藝實現(xiàn)方式為：OP10 拉延(圖2)、OP20 修邊沖孔、OP30二次修邊沖孔(圖3)、OP40 整形沖孔(圖4)。因制件成形深度較淺，拉延階段可一次性將“幾”字形成形到位，為便于廢料順利下滑及降低自動化生產(chǎn)中卡廢料問題的出現(xiàn)，制件周邊廢料區(qū)域需分兩次切除，二序切除一部分，三序切除剩余部分。同時，考慮“幾”字形制件可能出現(xiàn)的側壁及法蘭邊回彈問題，四序需增加整形工序，對制件的回彈加以抑制，便于現(xiàn)場回彈問題的整改。

三序工藝設計

圖3 OP20、OP30 修邊工序安排

圖4 OP40 整形沖孔

為降低模具開發(fā)成本，優(yōu)化模具成形工藝，結合產(chǎn)品數(shù)據(jù)狀態(tài)分析，制定三序工藝方案如表1 所示。

更改為三序工藝后，變化點如下：

⑴OP10 取消拉延，改為周圈修邊。

原梁類件成形工藝OP10 工序均為拉延，拉延對機床成形力、頂桿數(shù)量與位置要求極高，此次工藝OP10 采用修邊工序(圖5)，板料周圍廢料由上下模修邊鑲塊直接一次性切除，降低了成形時對機床的要求。工藝設計階段需要考慮生產(chǎn)過程中制件定位問題。常規(guī)工藝中，制件定位可依靠外形進行定位。但此三序工藝中，板料經(jīng)OP10 周圈修邊成形的工序件，并無特殊造型，無法在后序模具中進行準確定位，故需在OP10 階段沖出后序生產(chǎn)用定位孔?？紤]到制件在后工序成形中可能出現(xiàn)的偏移現(xiàn)象，故此生產(chǎn)用定位孔選擇在產(chǎn)品長圓孔中心部位沖孔，檢測用定位孔在最后一序進行沖裁，以保證孔位精度。

圖5 OP10 修邊工序

表1 某橫梁類制件三序成形工藝安排

⑵取消制件多次修邊工序，OP20 采用壓型成形方式。

原梁類件成形工藝OP20、OP30為兩次修邊沖孔，此三序成形工藝OP20 采用壓型方式，將OP10 修邊后工序件依靠上下模一次性壓彎成形至產(chǎn)品狀態(tài)。此工藝方法可消除修邊工序帶來的毛刺問題，且模具結構簡單，便于現(xiàn)場維護保養(yǎng)，具體如圖6 所示。

圖6 OP20 壓型工序(右側為截面圖)

⑶以壓芯鐓死整形方式替代整形鑲塊整形。

原梁類件成形工藝OP40 采用上模成形鑲塊配合下模凸模實現(xiàn)整形工藝?，F(xiàn)三序工藝采用上模壓芯鐓死方式，模具結構使用鐓死塊直接將壓力機力源作用于壓料芯，壓料芯再傳遞鐓死力于制件上，完成鐓死整形過程。按此方式更改后，模具結構得到簡化，降低模具開發(fā)成本，同時可保證制件法蘭邊品質及精度。

分析結果

按照上述三序方式進行工藝設計，在AutoForm中分析結果顯示，制件FLD趨勢(圖7)、減薄率(圖8)、線性失效(圖9)均在成形所允許范圍內(nèi)，成形狀態(tài)無問題，可保證制件使用需求。同時為確認此工藝方式對制件精度是否存在不利影響，在AutoForm 中對制件進行夾持回彈分析，通過分析結果(圖10)，可看出制件法蘭邊回彈數(shù)值均在±0.5mm 范圍內(nèi)，則三序工藝狀態(tài)下，制件成形性能、精度均可滿足使用需求。

圖7 制件FLD 圖

圖8 制件減薄情況

圖9 制件線性失效結果

圖10 制件回彈結果

現(xiàn)場實物狀態(tài)

按照三序工藝方式進行模具設計與現(xiàn)場實際生產(chǎn)，實際制件狀態(tài)如圖11 所示。制件成形狀態(tài)良好，無起皺、開裂等表面質量缺陷問題，與AutoForm 軟件分析結果基本一致，同時，制件精度檢測結果在合格范圍內(nèi)，可滿足產(chǎn)品的使用需求，保證整車搭接性能。

圖11 現(xiàn)場實物狀態(tài)

三序工藝效果

梁類件按照此三序工藝方案設計，開發(fā)及實物階段可在以下四方面展現(xiàn)優(yōu)良效果。

⑴投資遞減。

根據(jù)以上沖壓工藝，僅需開發(fā)3 套模具便可實現(xiàn)制件造型，與前期項目的橫梁類制件相比，減少一套拉延模具開發(fā)，可節(jié)約模具開發(fā)成本15 萬元左右。材料利用率較前期項目的橫梁類制件相比可提升25%，單件可降低板料采購費用0.5 元左右。

⑵存放空間。減少一套模具開發(fā)，可節(jié)省模具存放面積1.4m×0.8m 左右。

⑶維護保養(yǎng)。按照前期工藝，為維持制件量產(chǎn)穩(wěn)定性，拉延凸凹模、整形鑲塊需作表面處理，取消拉延工序、壓芯鐓死替代整形可避免拉延凸凹模、整形鑲塊表面處理維護。日常生產(chǎn)保養(yǎng)階段，減少一套模具，可降低人員維護工時4h，減輕人員負擔。

⑷產(chǎn)品質量。板料優(yōu)先進行一序周圈修邊，各處部位修邊角度一致，無特殊修邊部位，上模壓料芯壓料范圍大，下模型面符型區(qū)平順，可避免制件邊緣毛刺現(xiàn)象，保證制件表面品質。使用鐓死塊鐓死整形，將機床力直接傳遞至制件上，能在成形過程中提供足夠的整形力，便于制件成形到位。

結束語

汽車行業(yè)高速發(fā)展，競爭異常激烈，整車安全性能對于提升整車競爭優(yōu)勢具有重要意義。梁類件是提升整車安全性能的重要一環(huán)。本文是針對某車型梁類件三序工藝設計方法的詳細闡述，對后期其他車型梁類件設計、制作而言，具有一定借鑒及指導意義。