汽車左右后縱梁前段沖壓成形分析及工藝優(yōu)化

吳秀桃，周小鋼，雷玉霞，賈庚鳳

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

汽車左右后縱梁前段是車架的重要組成部分，而車架是汽車中最重要的承載部件，所以汽車左右后縱梁前段在汽車上起到重要的承載以及吸能作用[1]。隨著汽車大批量的生產(chǎn)，汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，各汽車生產(chǎn)廠家出于安全和節(jié)能的考慮，汽車車身沖壓件越來(lái)越多的使用高強(qiáng)度（高張力）鋼板，車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不受影響，質(zhì)量降低，從而降低了燃油消耗[2]。高強(qiáng)度鋼板因其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高，延伸率、n 值和R 值低，不僅使得其成形性較差，易產(chǎn)生起皺破裂缺陷，同時(shí)回彈問(wèn)題更加突出，影響制件尺寸穩(wěn)定，而且高強(qiáng)度鋼板對(duì)模具的磨損嚴(yán)重，影響模具使用壽命[3]。通過(guò)對(duì)雙向鋼HC340/590DP 左右后縱梁前段零件邊部局部開裂問(wèn)題、零件起皺的問(wèn)題解決方案的研究，總結(jié)該零件翻邊開裂問(wèn)題和零件起皺問(wèn)題的有效措施，以便指導(dǎo)后續(xù)車型零件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 零件的工藝分析以及開裂部位

1.1 零件特性

某車型后縱梁前段零件，如圖1 所示，材料料厚1.6 mm，材質(zhì)為雙向鋼HC340/590DP，零件一側(cè)法蘭過(guò)渡為直側(cè)壁，另一側(cè)除了弧形直側(cè)壁，其余無(wú)側(cè)壁；一端頭斷面圖為U 形；零件整體高度差大，中間型面較為平整；弧形側(cè)壁高度有125 mm，按照經(jīng)驗(yàn)該處翻邊有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 后縱梁前段零件圖

1.2 原工藝以及開裂部位

零件高低差較大，進(jìn)料程度不一樣，為避免拉延開裂需要開一套落料模具。左右件外形大致對(duì)稱，考慮模具開發(fā)成本、生產(chǎn)成本以及模具受力情況，采用左右件合并的工藝，原工藝方案：①OP05，落料；②OP10 拉延；③OP20,修邊+沖孔；④OP30，整形+修邊+分離；⑤OP40，側(cè)整形+整形+沖孔；⑥OP50，側(cè)整形+側(cè)沖孔+側(cè)修邊；⑦OP60 沖孔+側(cè)沖孔，工藝排布如圖2 所示。拉延工序的拉延深度最深為50 mm，壓料面在法蘭面上30 mm，后序整形量較大，弧形側(cè)壁面一半攤開在壓料面上，另一側(cè)側(cè)壁攤開在壓料面，以便后工序正切（修邊刀塊刃口方向與沖壓方向一致）（圖2b、c）；弧形位置修邊后分兩序翻邊到位（圖2d、e）后，工序再側(cè)整回彈（圖2f），圓孤處側(cè)壁的孔最后一序側(cè)沖（圖2f）。完成弧形處的內(nèi)容，需要貫穿全工序，大孔斜面處的孔因不能側(cè)沖，故在OP30 左右件分離（圖2d），后工序旋轉(zhuǎn)零件正沖該處的孔（圖2e、f）。

圖2 原工藝排布

因大孔所在面大且平，拉延過(guò)程不充分，在大孔內(nèi)工藝面上做造型，工藝造型周邊為零件大平面且面較低，拉延過(guò)程有輕微起皺，實(shí)物見圖3。零件翻邊開裂常見在OP30 或者OP40，若OP30 翻邊未開裂便在OP40 翻邊到位開裂，開裂處常見三處，其中一處開裂其他兩處便不開裂，實(shí)物見圖4。

圖3 大孔周邊起皺實(shí)物圖

圖4 開裂位置實(shí)物圖

1.3 零件全工序仿真以及開裂起皺問(wèn)題解析

該零件開裂發(fā)生在第4 工序或者第5 工序，即OP30 翻邊整形工序以及OP40 翻邊整形，基于Autoform軟件對(duì)零件的工藝方案進(jìn)行了全工序仿真，如圖5 所示。通過(guò)對(duì)開裂區(qū)域的成形過(guò)程、主次應(yīng)變分布、成形后的零件減薄率及最大失效值等進(jìn)行分析，研究零件的開裂原因。

零件開裂區(qū)域?qū)儆谇蕡A弧翻邊整形，邊緣因直邊變?yōu)閳A弧邊（缺料）而存在拉伸減?。▓D5a），減薄率超出參考值16%，且零件曲率越大，翻邊深度越深，邊部應(yīng)力越集中，減薄越嚴(yán)重，最大失效值越大（圖5b），超出參考值0.7，板材邊界處的塑性功超過(guò)臨界極限，則可能出現(xiàn)邊部裂紋，臨界塑性功來(lái)源于沿邊部的臨界應(yīng)變。CAE 仿真根據(jù)臨界應(yīng)變即最大邊部應(yīng)變（Max Edge Strain）值在材料定義中設(shè)置臨界應(yīng)變，邊部的質(zhì)量不同，邊部翻邊開裂的值就不同，磨損后的切割更符合實(shí)際的修邊結(jié)果，仿真中選擇磨損后的切割，所得邊部翻邊開裂顯示的值見圖5c，超出參考值0.8 ，零件有開裂風(fēng)險(xiǎn)。此外，零件修邊過(guò)程中存在毛刺，易導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)度集中而發(fā)生開裂。

圖5 原工藝方案仿真分析結(jié)果檢查

2 工藝優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

針對(duì)零件翻邊開裂區(qū)域，在前期向設(shè)計(jì)部提出ECR（engineer change request）工程更改申請(qǐng)書，優(yōu)化零件，減少弧形區(qū)域側(cè)壁的高度。該處采用拉延到底，如圖6（a）（b）所示，后序側(cè)切，再側(cè)整整回彈的工藝。拉延到底避免了切邊毛刺引起翻邊開裂，以及邊部修邊后再翻邊整形引起邊部應(yīng)變超出最大臨界應(yīng)變值而引起開裂。帶法蘭與直側(cè)壁過(guò)渡的一側(cè)，壓料面在滿足于跟上型面趨勢(shì)差不多一致的情況下，直側(cè)壁盡量拉延出來(lái)，如圖6（c）（d）所示，后序整形量減少可以減輕側(cè)壁起皺。優(yōu)化后的仿真結(jié)果顯示如圖7 所示，各項(xiàng)檢查都在參考值范圍內(nèi)。

圖6 工藝對(duì)比

圖7 優(yōu)化工藝后仿真結(jié)果檢查

針對(duì)大圓孔周邊的焊接搭接面起皺的問(wèn)題，在拉延工序增加上壓料，上模向下運(yùn)動(dòng)與壓邊圈壓料后，繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，板料成型，在到底50 mm 處上模壓料區(qū)域接觸板料，基于Autorform 建模如圖8a，仿真結(jié)果如圖8b 所示，拉延過(guò)程無(wú)起皺。

圖8 優(yōu)化后Autoform 仿真

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

針對(duì)弧形翻邊開裂問(wèn)題，優(yōu)化零件減少弧形處側(cè)壁高度，采用拉延到位、后序側(cè)切側(cè)整形的工藝，拉延到底避免了切邊毛刺引起翻邊開裂以及多次翻邊引起開裂的問(wèn)題。大孔處平面區(qū)域在拉延模具增加上壓料的設(shè)計(jì)，上壓料行程50 mm，在該處面起皺之前上壓料壓住板料，防止起皺。沖壓件的結(jié)果如圖9 所示，曲率側(cè)壁區(qū)域無(wú)肉眼可見微裂紋以及開裂情況，大孔面無(wú)起皺，成形后零件質(zhì)量良好。

圖9 后縱梁前段現(xiàn)場(chǎng)圖片

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)左右后縱梁前段開裂零件進(jìn)行全工序仿真及零件開裂區(qū)域分析，找出零件開裂原因，并利用AutoForm 軟件對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真評(píng)估。

（2）左右后縱梁前段大孔所在面起皺問(wèn)題，可以在拉延模具在該處增加上壓料的結(jié)構(gòu)解決起皺問(wèn)題。

（3）生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果表明，左右后縱梁前段弧形區(qū)域的側(cè)壁在拉延序成型到位，后序整回彈的工藝和大孔所在的大面在拉延模具上模增加強(qiáng)壓的結(jié)構(gòu)，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)尺寸精度合格、外觀品質(zhì)良好的產(chǎn)品。