加強(qiáng)型橫梁工藝設(shè)計(jì)

■ 中國(guó)重型汽車集團(tuán)有限公司 （山東濟(jì)南 250002） 張延發(fā) 唐紹頌 李 永

1. 產(chǎn)品特性及加工難點(diǎn)

加強(qiáng)型橫梁是重型汽車車架部件，裝在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱底部，聯(lián)接著下擺臂、方向機(jī)和車體的車架橫梁，其作用是托起并且固定發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱，同時(shí)還能通過(guò)橫向聯(lián)接，增加車身強(qiáng)度，也會(huì)在一定程度上保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)、油底殼，不會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱直接受到撞擊。因此，加強(qiáng)型橫梁在車輛行駛過(guò)程中會(huì)不斷受到各種形式的擠壓、拉伸、沖擊和扭曲等影響，容易出現(xiàn)開裂失效的問(wèn)題，所以，需要有較高的強(qiáng)度和抗彎剛度來(lái)保證使用壽命。

加工這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，通常先用剪板機(jī)剪出所需塊狀毛坯，然后沖壓成形。為保證成形工序的金屬材料合理流動(dòng)性，在成形工序前需先局部修邊出對(duì)稱形狀，最后再進(jìn)行局部修邊和沖裝配孔，以至達(dá)到裝配要求。由于成形過(guò)程較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、料厚變薄等問(wèn)題，最終可能導(dǎo)致產(chǎn)品開裂。

2. CAE成形模擬分析驗(yàn)證

利用C A E分析成形過(guò)程中的料厚、內(nèi)應(yīng)力和等效應(yīng)力的變化，如圖1～圖3所示。

由圖1可知，黃色區(qū)域（R角處）變薄最為嚴(yán)重。

由圖2可知，綠色漸黃色區(qū)域（R角處與大弧處）內(nèi)應(yīng)力集中最為嚴(yán)重。

由圖3可知，綠色漸黃色區(qū)域（R角處與大弧處）成形等效應(yīng)變最為嚴(yán)重。

圖 1

圖 2

經(jīng)過(guò)CAE分析，壓型后R角處與大弧處最薄，內(nèi)應(yīng)力最為集中，等效應(yīng)變最為嚴(yán)重，這些區(qū)域最容易出現(xiàn)開裂的情況。通過(guò)對(duì)前期加強(qiáng)型橫梁售后問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)，其開裂現(xiàn)象與CAE分析結(jié)果一致，如圖4所示。

3. 材料分析

經(jīng)過(guò)對(duì)材料強(qiáng)度和零件的受力分析，該產(chǎn)品材料需要有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，同時(shí)生產(chǎn)工藝要求材料延伸率要高，所以將材料由傳統(tǒng)工藝的T510L改為ZQS500L，材料主要性能指標(biāo)如附表所示。

通過(guò)對(duì)比可知，相對(duì)于T510，ZQS500L材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率都有了大幅提高。所以，選用ZQS500L材料不但可以降低零件成形過(guò)程中斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，而且大大減少了成形后零件存在的隱形裂紋，消除了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

4. 工藝分析及優(yōu)化

工藝優(yōu)化主要體現(xiàn)在將成形工序由一次成形分為兩序成形，以減少潛在的起皺、開裂風(fēng)險(xiǎn)。在板材彎曲成形過(guò)程中，隨著凸模進(jìn)入凹模的深度不同，凹模圓角半徑支撐點(diǎn)的位置及彎曲件毛坯彎曲半徑r發(fā)生變化，支撐點(diǎn)距離L和彎曲半徑r逐漸減小，彎曲力P逐漸增大，彎矩M也增大。當(dāng)毛坯的彎曲半徑達(dá)到一定值時(shí)，毛坯在彎曲凸模圓角半徑處開始塑性變形，最后將板料彎曲成與凸模形狀一致的工件。彎曲變形區(qū)主要在彎曲處的圓角部分，板料外層切向纖維受拉而伸長(zhǎng)，應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)如圖5所示；內(nèi)層切向纖維受壓而縮短，應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示；變形如圖7所示。應(yīng)變中性層位置內(nèi)移，變形區(qū)內(nèi)板材變薄和增長(zhǎng)。

圖 4

在整個(gè)成形過(guò)程中，由于一次成形材料的彎曲內(nèi)應(yīng)力得不到有效釋放，變形區(qū)外層纖維切向受拉會(huì)出現(xiàn)裂紋、內(nèi)層纖維切向受壓會(huì)起皺變形，影響板料成形時(shí)材料進(jìn)入模具型腔的正常流動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至出現(xiàn)廢品，所以，將壓型階段分為預(yù)成形和整形兩道工序。由于產(chǎn)品成形形狀復(fù)雜， 第一次預(yù)成形先將平板坯料彎成大體形狀，彎曲R角較大，變形區(qū)板料外層受拉和內(nèi)層受壓變形較小，強(qiáng)度和剛度損失小，此工序所需壓力較小，如圖8所示。第二次成形為整形，修整工件的型腔高度、長(zhǎng)寬度及裝配面平面度，將已經(jīng)預(yù)彎曲過(guò)的工件經(jīng)過(guò)整形達(dá)到最終使用要求。整形時(shí)，變形區(qū)R角進(jìn)一步減小。由于受回彈因素的影響，整形后模具閉合進(jìn)行5～8s的保壓校正，此工序所需壓力較大，如圖9所示。

材料主要性能指標(biāo)

圖 5

圖 8

圖 9

（1）預(yù)成形階段。壓力計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)1為自由彎曲力；b為彎曲件寬度（此處可按成形周長(zhǎng)估算）；r為彎曲件內(nèi)彎曲半徑；σb為材料抗拉強(qiáng)度；t為板材厚度；k為系數(shù)，一般取k＝1.0～1.3。

由以上公式估算出預(yù)成形階段所需壓力F1≈6 860kN。

（2）整形階段。壓力計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)2為校正彎曲力；A為校正部分投影面積；q為單位面積上的校正力。

由以上公式估算出整形階段所需壓力F2≈13 034kN。比較F1和F2可知，整形工序所需壓力遠(yuǎn)大于預(yù)成形工序。

綜上所述，通過(guò)原材料和工藝改進(jìn)，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前公司已經(jīng)按照新工藝實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，實(shí)踐證明改進(jìn)效果十分理想。成品如圖10所示。

圖 10

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)原材料的合理選擇，首先提高了抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率，再將成形工序分為預(yù)成形和整形兩個(gè)步驟，徹底釋放成形過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，可以有效解決產(chǎn)品在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂的問(wèn)題。

[1] 姜奎華. 沖壓工藝及沖模設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 吳詩(shī)悙. 沖壓工藝學(xué)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1987.

[3] 王芳. 冷沖壓模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.