汽車后大梁回彈問題分析及改善

華萍萍，張方杰，谷方英，李 琳

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司山東分公司，山東青島 266000）

汽車沖壓件是汽車組成的重要部分，而大梁是制作汽車車架不可或缺的零件，作為汽車的主要支撐零件，對汽車的強度和整車裝配精度有著舉足輕重的作用。一個質量狀態(tài)好的大梁不僅能提高汽車整車結構強度，更能夠使汽車在行駛過程中保持穩(wěn)定，進而提高行駛安全系數(shù)。

1 大梁回彈問題的提出

目前影響大梁質量的主要問題是回彈，當回彈量超過允許的容差后，就會形成成型缺陷，影響零件幾何精度，從而影響后續(xù)車架的焊接及裝配。對于此問題從生產實際入手，著重分析汽車后大梁型面回彈產生的原因及整改方案。

此車型后大梁年產量20 萬件/年，拉伸類型為“U”形，加之長度為2 208 mm，板料為SAPH370，一種高強鋼，厚度2 mm，材料參數(shù)如表2 所示，側壁及底面形狀復雜，回彈產生的問題表現(xiàn)為一端開口變大及另一端位置扭曲，此問題具有普遍性，故選擇此大梁作為研究對象[1]。

大梁回彈問題集中在下列幾處位置，如圖1 所示。

其中，表1、表2 內數(shù)據(jù)是通過大梁檢具測得。

表1 大梁主要問題表

表2 大梁板料屬性

圖2 為后大梁在焊接總成中的問題表現(xiàn)，由于大梁模具成型后回彈扭曲嚴重，大梁開口嚴重超差，造成焊接時螺母板卡不住，焊接機器人報警無法焊接、蓋板錯邊、支撐座擋孔，需要焊接后返修，不僅增加了人工成本，更影響了生產效率。

圖2 大梁回彈對焊接影響圖示

為了解決大梁回彈問題，制作簡易返修工裝，臨時保證焊接生產，如圖3 所示，對大梁回彈位置施加側向力，減小開口大小。

圖3 大梁回彈返修工裝圖示

2 后大梁回彈分析

大梁在拉伸成型過程中，隨著外加彎曲力矩的增加，彎曲變形程度也越來越大，整體變形過程可成三個階段：彈性變形階段、彈塑性彎曲階段、立體純塑性彎曲階段。

2.1 彈性變形階段

板料在彎曲變形過程中，靠外層的材料受到模具施加的壓力拉伸變形，靠內層的材料受到壓縮變形，沿著板料厚度方向從外到內分為拉伸變形區(qū)、應力中性層、壓縮變形區(qū)，如圖4 所示，根據(jù)板料內外層材料應變εw，n-相對彎曲半徑（R/t）的函數(shù)

其中，相對彎曲半徑（R/t）表示彎曲變形過程中的變形程度，圖4 中的彎角α與相對彎曲半徑有關，R/t越大，彎角α越小，R/t越小，彎角α越大，反之不成立。整個彈性變形階段的特點是：相對彎曲半徑（R/t）大，當外加彎曲力矩卸載后，板料恢復到原先平直狀態(tài)。所以板料在彎曲變形過程中，按照設計初的曲率半徑進行彎曲是無法實現(xiàn)的，需要在彎曲變形的同時施加拉力，使板料進入塑性變形；對于壓彎的型材零件，需要采用補充模具回彈量的方法，使材料在回彈前進入塑形彎曲階段。

圖4 彈性變形階段

2.2 彈塑性彎曲階段

隨著彎曲力矩的繼續(xù)增大，板料內外層材料開始進行塑性變形，接著塑性變形區(qū)域逐漸向應力中性層擴展，整個過程中，板料上面的每一個點都可以近似認為是處于線性應力狀態(tài)，如圖5 所示，此階段的特點是：當卸去外加力矩，殘余變形會保存在塑性變形中的材料中，這樣就使零件成形。但是由于彈性變形區(qū)材料以及塑性變形區(qū)的材料會發(fā)生彈性恢復，從而會引起較大程度的回彈。這也是生產中大梁產生回彈的內因。

圖5 彈塑性彎曲階段

2.3 立體純塑性彎曲階段

當零件彎曲程度變大，彎曲半徑很小時，可以近似認為板料整個進入了塑性變形階段，板料中任意一點都處于三向應力狀態(tài)和平面應變狀態(tài)，稱為立體純塑性彎曲。在這一階段，任意分割出的小塊，其切向應力在拉伸變形區(qū)為拉應力，在壓縮變形區(qū)為壓應力。當零件卸載后，根據(jù)卸載定理，相當于施加了一個反向彎矩，此力矩在數(shù)值上與加載力矩大小相等，呈線性分布[2]，如圖6 所示。

圖6 立體純塑性彎曲階段

由以上分析可知，此類U 型大梁在成型時，變形區(qū)回彈主要發(fā)生在凸凹模圓角及相關過渡區(qū)域，側壁位置及法蘭邊位置發(fā)生少量塑性變形或者不發(fā)生變形。圓角位置的內層材料受壓縮變短，外層材料被拉伸變長，中間存在一個處于彈性變形階段的中性層。要想控制大梁的回彈，應盡量讓變形區(qū)處于純塑性彎曲階段，使這部分加工硬化程度最大。除此之外，大梁開口回彈量也與凸模圓角大小和模具間隙有關系，凸模圓角越小，模具間隙越小，大梁開口回彈也越小[3]；對于后大梁小頭一端單邊回彈和凹模圓角、模具間隙及板料強度有關系，板料強度越高，單邊回彈越大，凹模圓角和模具間隙無比例關系，存在一個最佳匹配值，使得此時回彈最小，只能在后續(xù)模具調試中優(yōu)化至最佳狀態(tài)。

由以上分析可知，此類U 型大梁在成型時，變形區(qū)回彈主要發(fā)生在凸凹模圓角及相關過渡區(qū)域，側壁位置及法蘭邊位置發(fā)生少量塑性變形或者不發(fā)生變形。圓角位置的內層材料受壓縮變短，外層材料被拉伸變長，中間存在一個處于彈性變形階段的中性層。要想控制大梁的回彈，應盡量讓變形區(qū)處于純塑性彎曲階段，使這部分加工硬化程度最大。除此之外，大梁開口回彈量也與凸模圓角大小和模具間隙有關系，凸模圓角越小，模具間隙越小，大梁開口回彈也越小[3]；對于后大梁小頭一端單邊回彈和凹模圓角、模具間隙及板料強度有關系，板料強度越高，單邊回彈越大，凹模圓角和模具間隙無比例關系，存在一個最佳匹配值，使得此時回彈最小，只能在后續(xù)模具調試中優(yōu)化至最佳狀態(tài)。

由于此后大梁模具較舊，圓角位置磨損嚴重，半徑相較于之前變大（正常狀態(tài)下凸模圓角R=5 mm，凹模圓角R=7 mm），凸模圓角最大位置達到R=5.8 mm，凹模圓角R=9.5 mm，由此可知，模具圓角的變化是是導致后大梁回彈的一個原因，顯然凹模圓角變化量為2.5 mm 較凸模圓角變化量0.8 mm 大，因此凹模圓角磨損變大是大梁部分位置開口變大的主要原因。

從工藝上面分析，后大梁模具有整形工序，對于拉延序的回彈有部分改善，但是整形后的大梁開口仍然不符合設計要求。通過對整形模具拆模檢驗，發(fā)現(xiàn)整形模部分凸模R角因磨損增大，導致部分位置側面與底面角度超過90°，整形不到位，上下模開模后大梁側壁回彈，導致整形量變小，從而使得大梁開口不能達到預期。

圖7 整形凸模側壁與底面設計角度為88°

3 技術整改方案

針對后大梁的回彈問題，我們圍繞控制彈塑性彎曲階段變形區(qū)的回彈，使變形區(qū)的材料盡可能處于塑性變形狀態(tài)的理論提出了一些整改方案，下面從材料、零件、工藝、模具材料四個方面進行方案確定：

（1）從板料選材看，應該選擇彈性模量大且屈服強度較小的板料；由于板料已經確定使用SAPH370，因此無法通過選擇強度較小的板料來減少回彈；

（2）從零件結構看，應該增加零件回彈區(qū)域的剛度，例如可以通過增加一條沿大梁側壁分布的加強肋；由于該方案不適用于量產大梁，所以暫不考慮；

（3）從工藝方法分析，可以通過適當降低拉延序和整形序的下死點，使得上下模接觸面間隙略微小于板料厚度。此方法在大梁產量小的時候可以使用，經常使用會對壓機設備造成損傷，所以不適用于大批量生產；

（4）后大梁拉延模具由于使用時間較長，造成凸凹模磨損，R角變大，模具維修困難。只能通過重投拉延模。模具重投時考慮到回彈，在回彈位置做適當回彈補償，如圖8 所示；另外凸模R角和凹模R角大小適當減小1～ 1.5 mm，做成3.5～ 4 mm，側壁與底面角度做成88°，經過生產驗證（表3），可以有效減少回彈量。

圖8 拉延模凸?；貜椦a償圖示

表3 新、舊拉延?；貜椓繉Ρ缺?/p>

對于整形模，作為對拉延序開口大小的修整，整形量的大小關系到產品最終開口尺寸，也是改善大梁回彈的最后一道工序。在經過幾輪生產對比后，發(fā)現(xiàn)模具側壁與底面的角度對整形量影響最大，通過模具補焊、加工研配及負角優(yōu)化驗證，確認當負角為5°～7°的時候，可以使大梁開口穩(wěn)定在107～109 mm范圍內。

4 整改效果

經過新投拉延模和對整形模進行負角優(yōu)化，后大梁兩端回彈最終穩(wěn)定在合格范圍內，中間的起皺扭曲在經過減少兩側位置的平衡墊片（增大壓料力，控制材料流入）后，也得到有效控制，大梁兩側間隙在檢具狀態(tài)如圖9 所示，切邊線符合標準、大梁左右間隙也符合公差，控制在中值附近，其扭曲問題得到解決。

圖9 大梁在檢具上的狀態(tài)圖

大梁在檢具測量合格后，通過焊接驗證，蓋板搭接切邊線和大梁法蘭邊切線已對齊，錯邊問題解決，由于后大梁無扭曲，車架總成也無扭曲，支撐座擋孔問題也迎刃而解，如圖10 所示。

圖10 焊接后蓋板和支撐座狀態(tài)圖

5 結束語

大梁回彈是汽車沖壓過程中普遍存在的缺陷之一，本文只是通過分析大梁變形過程及此過程中回彈產生的機理，再結合模具實際情況，從中找到解決回彈問題的方法，對于類似結構的大梁回彈有借鑒意義。在解決問題過程中，也應注意通過仿真分析，確認對產品結構做輕微改動（例如設置加強筋等）是否可以解決回彈，從產品設計層面避免此問題產生。

后大梁回彈的產生是因為拉延模具較舊，凸凹模R角磨損變大，整形模負角變小所致，為保證產品輸出質量穩(wěn)定，建議定期對模具做保養(yǎng)檢查，建立模具保養(yǎng)臺賬，從而能夠對模具狀態(tài)做到持續(xù)監(jiān)控。