汽車后地板左/右縱梁沖壓成形性分析及模具設(shè)計(jì)

文/王海玲，陳世濤，何鵬申·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

汽車后地板左/右縱梁沖壓成形性分析及模具設(shè)計(jì)

文/王海玲，陳世濤，何鵬申·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

本文主要對汽車后地板左/右縱梁的沖壓工藝進(jìn)行成形性分析，并通過CAE軟件進(jìn)行有限元仿真模擬，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化工藝方案，規(guī)避后期工裝開發(fā)難點(diǎn)。此外，針對該縱梁沖壓件調(diào)試過程中容易出現(xiàn)的起皺、回彈、扭曲問題，提供有效的控制方法和解決措施。

王海玲，主要從事汽車車身沖壓件工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，曾參與多款車型的汽車車門、頂蓋、前圍外板及高強(qiáng)鋼零件等沖壓件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；獲得實(shí)用新型專利二十五項(xiàng)。

汽車梁類件起著支撐車體輪廓和承受車體重量的作用，是重要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和安全部件，而縱梁則是各種車輛的基本骨架，在整車裝配時對其尺寸精度、搭接要求較高，其模具設(shè)計(jì)在汽車模具領(lǐng)域具有特殊地位。

如圖1所示，汽車后地板左/右縱梁一般為細(xì)長槽形件，腹面、翼面多有落差，不僅在高度方向上有起伏，在水平方向上也有彎曲，對于鉚合式底盤的裝配，其尺寸精度要求較高。后地板左/右縱梁除具備與后地板有很好的協(xié)調(diào)裝配間隙精度、表面一致性之外，在機(jī)械方面還必須滿足一定的剛度，以保證其在整個底盤件中對車身的支撐、減振等方面起著重要的作用。

圖1 某轎車后地板左縱梁

產(chǎn)品成形性分析

以我公司某車型轎車后地板左縱梁開發(fā)為例，如圖1所示，該縱梁采用B340LA材質(zhì)，料厚1.4mm，零件所用板料較厚且鋼板強(qiáng)度較大，采用兩端開口拉延，會導(dǎo)致板件成形效果較差，極易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象且后期無法消除。該后地板左/右縱梁采用局部開口的封閉拉延成形方式，由于封閉拉延時金屬切向減薄嚴(yán)重，容易出現(xiàn)拉延開裂，因此對毛坯形狀也有一定的要求，選用圖2所示的坯料形狀時，可有效緩解上述問題。

圖2 后地板左/右縱梁坯料形狀

對上述拉延成形工序進(jìn)行過程模擬，并針對成形結(jié)果進(jìn)行分析：

⑴在沖壓方向的垂直面上，測量毛坯各邊金屬流入凹模的量，發(fā)現(xiàn)該件成形時拐點(diǎn)處金屬流入量較多，分別為97.66mm、79.38mm；另一方面，成形時板件腹面料流難以控制，從而引起金屬的堆疊，最終導(dǎo)致成形時起皺。

⑵根據(jù)毛坯整體趨勢分布圖，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品成形后增厚率較低，滿足生產(chǎn)要求。在合模過程中由于拐點(diǎn)附近金屬流動困難，法蘭區(qū)域金屬流入凹模速度相對較緩。此外，當(dāng)凸緣切向壓應(yīng)力超過板材的臨界壓應(yīng)力時，會引起塑性失穩(wěn)，從而形成起皺趨勢，此過程直至合模結(jié)束，滯留金屬流向兩端及腹部，起皺趨勢逐漸減輕。

拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

拉延是板件成形的重要工序之一，其成形效果的好壞直接影響沖壓件的最終質(zhì)量，因此如何優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)有效控制坯料成形時的板料流動，從而避免起皺、開裂變得尤為重要。

普通拉延模主要依靠周圈拉延筋控制成形時周圈料流快慢，但對于后地板左/右縱梁的成形，由于板件較厚、形狀較復(fù)雜、材質(zhì)抗拉強(qiáng)度高，成形時中間區(qū)域的料流控制相對較弱，很容易造成產(chǎn)品中間區(qū)域起皺。該后地板左/右縱梁拉延模采用一種帶壓料芯結(jié)構(gòu)的拉延模具，可有效解決板料中間區(qū)域的起皺問題。

如圖3所示，該縱梁拉延模具中設(shè)計(jì)有壓料芯機(jī)構(gòu)，用于產(chǎn)品中間腹面區(qū)域的壓料，同時采用氮?dú)鈴椈蓙硖峁┏尚螘r的壓料力。根據(jù)產(chǎn)品拉延深度確定壓料芯的工作行程，初始狀態(tài)時，壓料芯上的凹模型面要低于凹模鑲塊構(gòu)成的凹模型面約5mm。工作時應(yīng)保證上模座與壓邊圈配合壓料，要先于壓料芯與凸模配合壓料約5mm，即上模座與壓邊圈配合壓住板料時壓料芯尚未接觸板料。

圖3 后地板左縱梁拉延模剖視圖

沖壓生產(chǎn)過程中，上模座隨著壓機(jī)向下運(yùn)動，凹模鑲塊與壓邊圈鑲塊配合將坯料周圈壓緊，然后上模座與壓邊圈共同向下運(yùn)動，坯料開始成形。隨后，在板料周圈壓緊后、凸模剛開始成形時，壓料芯與板料接觸并將板料中間區(qū)域壓緊，控制坯料中間區(qū)域的料流。

經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，該種帶有壓料芯結(jié)構(gòu)的拉延模具可有效控制板件中間區(qū)域成形多料起皺的質(zhì)量問題。

回彈、扭曲問題分析及其解決方法

由于后地板左/右縱梁自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，腹面、翼面均有落差，且在水平方向上為彎曲造型，其沖壓成形存在多種回彈、扭曲問題，大致可分為以下5種類型。

腹面拐點(diǎn)回彈

腹面拐點(diǎn)回彈主要是拐點(diǎn)處校形力不夠所致，大致由以下幾方面引起：⑴機(jī)床壓力不足；⑵未采取有效手段增加拐點(diǎn)區(qū)域校形力；⑶整形模對于運(yùn)動部件（如頂件器）未采取有效措施防止失穩(wěn)；⑷由于腹面落差比較大，凸模也承受一定側(cè)向力，而模具沒有設(shè)計(jì)相應(yīng)的防側(cè)偏裝置。

針對以上因素，在模具結(jié)構(gòu)和調(diào)試中采取以下控制方法：⑴增大壓制壓力；⑵為使腹面拐角區(qū)域充分校形，設(shè)計(jì)時凸模拐點(diǎn)區(qū)域高出相鄰面0.2 mm，并與相鄰面圓滑過渡；⑶增加整形模壓件器的穩(wěn)定性，為避免其沿長度方向產(chǎn)生竄動，導(dǎo)向間隙不宜過大，盡可能按滑配取值；⑷對于腹面落差比較大的產(chǎn)品，模具設(shè)計(jì)時上下模要設(shè)計(jì)有效的防側(cè)部件；⑸即使以上因素都得到控制，但由于此類制件的特殊性，不可能完全消除回彈，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取適當(dāng)?shù)幕貜椊堑窒貜棥?/p>

兩側(cè)翼面回彈

兩側(cè)翼面回彈主要包括張口、收口兩種特征，對于收口回彈現(xiàn)象，多數(shù)原因是由于壓邊圈壓料力不足或壓料初始位置頂件器上型面低于凹?？谒?。此外，成形壓力過大也會造成收口，此處不多論述，現(xiàn)主要分析張口回彈的主要原因及解決措施。

張口回彈形成的主要原因?yàn)椋孩艌A角部位校形力不夠，不足以克服其彈性變形或屈服強(qiáng)度；⑵凸、凹模間隙過大；⑶翼邊拐角區(qū)域間隙控制不好造成局部變形（張口或起皺）。

相應(yīng)解決措施：⑴整形凸模底面鏤空，增強(qiáng)圓角區(qū)校形；⑵凸、凹模間隙采取圓角鏤空；⑶針對拐角部位，適當(dāng)減小變薄區(qū)間隙，適當(dāng)放大增厚區(qū)間隙。

兩側(cè)翼面扭曲

⑴平直段間隙不均導(dǎo)致扭曲，通過提高加工、裝配與鉗工研磨質(zhì)量，能避免立邊產(chǎn)生的波紋變形。⑵退料器位置設(shè)置不合理，零件退料不平衡導(dǎo)致翼面變形。合理選擇退料器安裝位置，能避免此類問題的發(fā)生。⑶翼面翻邊整形時少料區(qū)域應(yīng)力不均衡，是造成翼面扭曲的主要原因，因此在拉延工序中相應(yīng)區(qū)域適當(dāng)做出工藝補(bǔ)充余料，可以從根本上解決此問題。

腹面扭曲

退料裝置位置設(shè)計(jì)不合理，會導(dǎo)致腹面變形。退料彈性頂銷及退料氣缸要均勻布置，在靠近拐點(diǎn)立邊平直部位設(shè)置退料器，若平直段較長，可再增加一組退料器，退料器前后兩側(cè)要保證同時與板料接觸。

整體外形扭曲、兩側(cè)翼邊高低不一

板件整體扭曲的主要原因：⑴縱梁腹面、翼邊多拐點(diǎn)，無導(dǎo)正措施。在凸模初始觸料與料流入凹模時，板料發(fā)生前后偏移，導(dǎo)致成形過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而成形結(jié)束后，其應(yīng)力釋放使縱梁外形變形；⑵翼邊拐點(diǎn)處因?yàn)椴牧献儽』蜃兒?，分別產(chǎn)生一組或幾組相反的應(yīng)力，脫模后應(yīng)力釋放無法抵消，進(jìn)而導(dǎo)致扭曲變形。

對于整體外形扭曲，生產(chǎn)中可采取以下措施解決：⑴在坯料易產(chǎn)生偏移的拐點(diǎn)區(qū)增加導(dǎo)正銷；⑵凹?？诓捎眯泵娼Y(jié)構(gòu)，使材料更易流入；⑶有效控制翼面拐角區(qū)域間隙，在不影響使用的前提下，相鄰拐點(diǎn)圓角應(yīng)盡可能一致；⑷成形中少料區(qū)域要設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝余料進(jìn)行補(bǔ)償，以減少應(yīng)力差。

通過以上改進(jìn)，最終得到的產(chǎn)品拉延件如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品拉延件

結(jié)束語

縱梁類沖壓件是整車開發(fā)中必不可少的沖壓件之一，起皺、扭曲、回彈等質(zhì)量問題普遍存在，開發(fā)難度較大，通過數(shù)值仿真模擬可有效實(shí)現(xiàn)成形過程分析，并有效指導(dǎo)產(chǎn)品過程開發(fā)。此外，經(jīng)過驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)帶有壓料芯結(jié)構(gòu)的拉延模可有效解決起皺現(xiàn)象，大幅提高沖壓件成形質(zhì)量。另一方面，企業(yè)可針對后地板左/右縱梁開發(fā)時存在扭曲、回彈問題，在生產(chǎn)調(diào)試階段進(jìn)行分析、驗(yàn)證，總結(jié)扭曲、回彈因素及其解決方法，為后續(xù)梁類沖壓件開發(fā)提供借鑒。