載貨汽車縱梁成形工藝及設(shè)備探討

蔣 紅，趙升噸，李 帆，李雙江，周 昊

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 前言

在載貨汽車、重型車等車型中，車架是汽車底盤的骨干元件，用于支承、安裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其他各部件，同時(shí)，車架是汽車重要的傳力構(gòu)件，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力通過變速器、傳動(dòng)軸將扭矩傳給驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)汽車行駛，汽車承載的質(zhì)量及動(dòng)力都作用于車架；而縱梁則是車架的重要構(gòu)成部件，是汽車的關(guān)鍵承載部件及其他零部件裝配的基礎(chǔ)，也是制約車架總成質(zhì)量和能力的瓶頸[1,2]。載貨汽車縱梁常采用16 MnL、550 L等高強(qiáng)鋼為材料，其高強(qiáng)度對制造工藝提出了高要求，縱梁截面一般為U形，其厚度范圍常見7.0～10 mm，寬度220～320 mm，高度70～90 mm，長度5 500～11 500 mm，按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為直截面和變截面兩大類[1,3]。載貨汽車縱梁的成形方式影響縱梁的成形質(zhì)量及生產(chǎn)成本，縱梁常見的成形方式有沖壓成形、輥壓成形等。

1 沖壓成形工藝及設(shè)備

如圖1所示為縱梁的兩大種類，傳統(tǒng)汽車縱梁的成形方式為沖壓成形，一般是通過安裝在大型壓力機(jī)上的上下模具對板料進(jìn)行沖壓，得到所需形狀的縱梁。通過模具的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)直截面、變截面縱梁的生產(chǎn)，沖壓成形的生產(chǎn)效率高、但模具成本高、適合單品種、大批量、少批次的縱梁生產(chǎn)。隨著對縱梁多品種需求的增加，沖壓成形的模具出現(xiàn)了組合模具，通過更換模具能滿足長短、外形尺寸等不同的縱梁生產(chǎn)，但同時(shí)也增加了換模時(shí)間和有存在偏心載荷的風(fēng)險(xiǎn)[1,3,4]。

圖1 縱梁的兩大種類

國內(nèi)外眾多學(xué)者對縱梁的沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，為縱梁沖壓成形工藝提供了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)。王敏[5]等人利用伺服壓力機(jī)和熱沖壓模具等進(jìn)行不同潤滑條件下汽車縱梁的成形質(zhì)量和組織性能研究，實(shí)驗(yàn)比較后發(fā)現(xiàn)玻璃潤滑Al-Si涂層板對減小縱梁表面粗糙度、組織性能等具有最佳表現(xiàn)性能，為縱梁的生產(chǎn)提供了借鑒，如圖2所示為其團(tuán)隊(duì)采用的縱梁熱沖壓模具。周杰[6]等人進(jìn)行縱梁整體沖壓成形的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)試制，分析了縱梁硬區(qū)、軟區(qū)的力學(xué)性能及組織特性，并通過數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果獲得合理的工藝參數(shù)。毛衛(wèi)國[7]利用Autoform軟件對汽車縱梁沖壓工藝進(jìn)行成形模擬，對變形過程中的拉、壓應(yīng)力進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)預(yù)測了縱梁的回彈趨勢。

圖2 縱梁熱沖壓實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?/p>

國內(nèi)外眾多公司在汽車縱梁沖壓生產(chǎn)上投入了大量的資金和人力，以致力于獲得質(zhì)量良好的汽車縱梁。如圖3所示為縱梁采用的大型模具及東風(fēng)汽車公司十堰基地的4 000 kN的壓力機(jī)[8]。

圖3 縱梁沖壓模具及其壓力機(jī)

山東蓬翔汽車有限公司擁有成套的自動(dòng)化縱梁沖壓生產(chǎn)線，包括THP29-6300A大型數(shù)顯液壓機(jī)1臺(tái)、AMCP-1200平板數(shù)控沖床2臺(tái)、EXA3000數(shù)控等離子切割機(jī)1臺(tái)等專精尖設(shè)備，能夠生產(chǎn)寬度350～500 mm、厚度5～10 mm、長度4.5～12 m范圍內(nèi)的直截面、變截面縱梁，年產(chǎn)量可高達(dá)6萬臺(tái)份，在縱梁沖壓方面擁有多項(xiàng)專利。圖4a、圖4b所示為山東蓬翔汽車有限公司縱梁沖壓生產(chǎn)線及其沖壓過程，圖4c為其模具的斷面圖。

圖4 山東蓬翔汽車有限公司縱梁沖壓設(shè)備

2 輥壓成形工藝及設(shè)備

隨著市場競爭增強(qiáng)，車架設(shè)計(jì)更加多樣化，整車功能配置頻繁變化，縱梁向著“多品種、小批量、多批次”的方向發(fā)展，生產(chǎn)車間對柔性化制造需求增大，縱梁成形工藝不斷改進(jìn)，輥壓成形作為一種較新的成形工藝已經(jīng)進(jìn)入到汽車縱梁生產(chǎn)領(lǐng)域中。輥壓成形(Roll Forming,又稱冷彎成形)是將板材通過帶有型槽的多組成形輥?zhàn)?，利用多道次輥?zhàn)拥男兔妫瑵u次進(jìn)行彎曲成形，從而得到所需截面形狀的零件，輥壓成形原理圖如圖5所示，輥壓成形工藝特別適用于生產(chǎn)大批量的等截面長工件，并可與多種工藝過程(如開卷、校平、沖孔、焊接、定尺剪切等)結(jié)合，組成連續(xù)化生產(chǎn)線[9,10]。傳統(tǒng)的輥壓線只能生產(chǎn)直截面縱梁，在傳統(tǒng)輥壓工藝中新興的變截面輥壓成形(Flexible roll forming)，能解決變截面型材的成形需求，傳統(tǒng)的輥壓成形中輥?zhàn)游恢霉潭?，變截面縱梁要求輥?zhàn)幽茉谳亯壕€的橫向有相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)完成板材成形[11,12]。在變截面區(qū)域成形過程中，板材產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力，這些區(qū)域非常關(guān)鍵，因?yàn)檫^度的拉壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致板材破裂、起皺[13]。輥壓成形的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率較高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，柔性化程度比沖壓成形更高，更適合多品種、少批量、多批次的縱梁生產(chǎn)，變截面縱梁輥壓成形線上輥?zhàn)游恢每烧{(diào)節(jié)，但其結(jié)構(gòu)比直截面輥壓線更為復(fù)雜。

圖5 輥壓成形原理圖

國內(nèi)外有眾多學(xué)者對縱梁輥壓成形工藝進(jìn)行大量研究，北方工業(yè)大學(xué)在縱梁輥壓成形方面做了大量的有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究，盧平山[14]對變截面縱梁輥壓成形設(shè)備進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)及ADAMS動(dòng)力學(xué)模擬、CAE軟件中進(jìn)行工況模擬，得到了成形部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)特性曲線并對其進(jìn)行優(yōu)化；姚凱[15]利用Abaqus模擬變截面縱梁輥壓成形過程，分析了不同截面的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，對于生產(chǎn)中容易出現(xiàn)的褶皺、回彈等缺陷進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，為實(shí)際生產(chǎn)提供了借鑒。Gül?eken[16]等人利用COPRA RF和MSC Marc等有限元軟件進(jìn)行變截面縱梁輥壓成形的輥型設(shè)計(jì)和成形過程模擬，分析了縱梁變截面的腿高分布情況和法向應(yīng)力分布特點(diǎn)。

國內(nèi)外有眾多公司、研究者采用輥壓成形生產(chǎn)和研究汽車縱梁的成形質(zhì)量和特點(diǎn)。國內(nèi)在縱梁輥壓領(lǐng)域內(nèi)的研究正在不斷追趕國外技術(shù)，一些汽車公司或者做輥壓加工的廠商致力于解決縱梁的輥壓成形問題，如一汽解放公司引進(jìn)STAM公司的輥壓線，專業(yè)生產(chǎn)大卡車和載貨汽車的縱梁；濰坊仁通冷彎機(jī)械有限公司有生產(chǎn)汽車縱梁的輥壓設(shè)備等。

意大利的Stam公司、Gasparini公司、Piemme公司等為生產(chǎn)縱梁輥壓線設(shè)備的典型代表。目前，意大利公司Stam在縱梁的輥壓成形方面有量產(chǎn)的生產(chǎn)線，該公司在1989年向瑞典Volvo公司提供第1條輥型線，目前在美國Metalsa、墨西哥Metalsa 及比利時(shí)Sadef等公司已經(jīng)投產(chǎn)10余條輥壓線[17]。意大利Stam公司的輥壓線采用開式輥壓單元，以高強(qiáng)鋼卷材為原料，經(jīng)過開卷、校平后進(jìn)入輥壓線，通過十幾道次機(jī)架進(jìn)行輥壓成形，隨后由切斷裝置切斷[18]。該輥壓線只能生產(chǎn)幾種規(guī)格范圍內(nèi)的縱梁，輥壓線占用空間大，如需更改工藝，需要更換輥?zhàn)樱匦陆M裝生產(chǎn)線，耗時(shí)耗力，柔性化程度低。如圖6所示，為Stam公司的縱梁輥壓線。

圖6 Stam公司的縱梁輥壓線及產(chǎn)品

意大利Piemme公司的輥壓線能生產(chǎn)板材最大厚度為10 mm的縱梁，該生產(chǎn)線集成了沖孔、輥壓、打標(biāo)、浮雕、激光切割、噴砂等工藝于一體，自動(dòng)進(jìn)行縱梁的裝卸載。該公司的輥壓線和成形的縱梁如圖7所示[19]。該輥壓線采用閉式輥壓單元，一條生產(chǎn)線如需滿足多種規(guī)格縱梁生產(chǎn)時(shí)，需要更換輥?zhàn)又虚g的對分隔片以及更換新的圓角輥?zhàn)?，且對輥?zhàn)有螤钜蟾撸荒艹尚屋佔(zhàn)有螤钕薅ǖ目v梁截面；當(dāng)更改工藝時(shí)，整條輥壓線改動(dòng)幅度大，柔性化程度低。

圖7 Piemme公司的輥壓線

變截面型材成形的典型代表有DataM公司的3D輥壓成形中心(3D roll forming或Flexible roll forming)，可用于變截面縱梁成形，具有以下優(yōu)點(diǎn)：比壓力成形、傳統(tǒng)沖壓成形柔性化程度更高；連續(xù)生產(chǎn)時(shí)節(jié)約成本；在單一裝置上集成了所有制造單元；對于高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、鋁材等更容易成形。該3D輥壓成形中心的輥?zhàn)訖C(jī)架可調(diào)節(jié)，板材成形前為異形，根據(jù)最終要成形的截面設(shè)定初始板材形狀后，用輥?zhàn)有螤詈瓦\(yùn)動(dòng)軌跡來成形所需要的截面[20]，如圖8所示。

圖8 DataM公司的3D輥壓成形

該輥壓線成形變截面部分，利用板材上下表面的輥?zhàn)拥男螤詈洼佔(zhàn)友剌亯壕€橫向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)成形，縱梁成形依賴輥?zhàn)有螤睿瑢佔(zhàn)拥男螤罴鞍惭b位置要求極高，僅在變截面部分增加輥?zhàn)右粋€(gè)自由度，工藝柔性化程度有待提高。

3 結(jié)束語

沖壓成形和輥壓成形都能得到質(zhì)量穩(wěn)定的汽車縱梁，兩種方式均有一定量的公司和研究者在不斷改進(jìn)當(dāng)前工藝，相比較而言，輥壓比沖壓工藝柔性化程度更高，更容易實(shí)現(xiàn)對汽車縱梁多品種多批次的市場需求，同時(shí)兼顧成本、環(huán)保等綜合指標(biāo)，更符合作為汽車縱梁制造方法的發(fā)展趨勢。