汽車防撞橫梁沖壓工藝研究及模具設(shè)計(jì)探討

李博睿

摘 要：汽車行業(yè)是全球制造業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。防撞橫梁是汽車覆蓋件的重要組成部分，是汽車的保護(hù)裝備，在汽車制造中占有重要地位。本文深入探討了汽車防撞A橫梁工藝流程及模具設(shè)計(jì)內(nèi)容，以期提高模具設(shè)計(jì)效率，保障防撞橫梁生產(chǎn)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：沖壓工藝；CAE技術(shù)；沖壓模具設(shè)計(jì)；缺陷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.030

汽車行業(yè)是全球制造業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著科技的發(fā)展及市場(chǎng)需求量的不斷增長(zhǎng)，汽車更新頻率不斷加快，其中，影響汽車更新的重要因素是汽車覆蓋件的功能與外觀的更新。汽車防撞橫梁是汽車覆蓋件的重要組成部分，是汽車吸收碰撞能量的重要裝置，在汽車生產(chǎn)中占有重要地位。由于汽車橫梁成形過(guò)程較為復(fù)雜，是一個(gè)大撓度、大變形的復(fù)雜塑形過(guò)程，因此，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮應(yīng)力作用下金屬的流動(dòng)性及強(qiáng)化性，并考慮可能出現(xiàn)的金屬破裂、起皺等特性，因此，有必要探討CAE技術(shù)在防撞橫梁沖壓模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以期對(duì)汽車防撞橫梁沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到提高制件合格率，縮短模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間的目的。提高生產(chǎn)效率。

1 汽車防撞橫梁沖壓工藝設(shè)計(jì)

1.1 沖壓工藝的概念

所謂沖壓工藝是在金屬塑性變形的基礎(chǔ)上，通過(guò)模具在壓力作用下分離或變形，從而得到一定形狀的工件的加工方法。使用沖壓方法加工的工件被稱為沖壓件，沖壓工藝是汽車制造生產(chǎn)中的重要工藝重要步驟。相較于其他制件而言，覆蓋件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸面積大、塑型難度大、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，因此，常用沖壓加工成型方法加工此類零件。

1.2 沖壓加工工序的分類

在沖壓加工生產(chǎn)中，沖壓加工方法可分為兩個(gè)大類工序，即分離與成型工序。分離工序主要是對(duì)制件和坯料沿確定的輪廓進(jìn)行分離，從而達(dá)到預(yù)期的效果。成型工序是指在確保坯料完整的前提對(duì)坯料進(jìn)行塑性變形加工，從而得到預(yù)期尺寸和形狀的防撞橫梁制件。按沖壓加工方式進(jìn)行劃分，可將沖壓過(guò)程分為落料、沖孔、切斷、彎曲、拉伸、翻邊、修邊和整形。

1.3 沖壓工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟

由于汽車防撞橫梁形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量要求和剛度要求高，一次成型難度大，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)工序才能得到符合要求的制件。在汽車防撞橫梁沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮多種因素，不僅要滿足現(xiàn)階段汽車生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率需求，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合工藝生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)因素，并對(duì)防撞橫梁沖壓生產(chǎn)工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核。其步驟包括：沖壓件分析、沖壓工藝方案制定、確定沖壓工藝方案、模具類型及結(jié)構(gòu)形式的選定和沖壓設(shè)備的選擇。

1.3.1 沖壓工藝

汽車防撞橫梁位于保險(xiǎn)杠的內(nèi)側(cè)，通常由冷軋鋼板沖壓制成U型槽，與汽車車架縱梁相連接，是吸收和保護(hù)車輛撞擊能力的重要裝置，成形性好的制件能夠滿足其抗碰撞的性能要求，同時(shí)，該制件為非外觀件，其性能要求較高，因此，在防撞橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮防撞橫梁成型后應(yīng)具有一定的剛度。

以某汽車防撞橫梁為例，防撞橫梁材質(zhì)為B510L，其長(zhǎng)度約為1.2m，寬度約為0.4m，坯料厚度為1.5mm，拉深深度為90mm。汽車防撞橫梁制件應(yīng)在滿足客戶設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)，因此，防撞橫梁外觀、減薄率、變形充分程度和沖孔位置等應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，成品件還應(yīng)當(dāng)滿足硬度及強(qiáng)度要求，且無(wú)褶皺和裂紋等缺陷。此外，由于該制件外觀輪廓不規(guī)則，變形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，屬于典型的大尺寸復(fù)雜拉深件，因此，沖壓工藝要點(diǎn)包括：拉深深度大，不易充分成形，需要較大的拉深力，需采用拉深力大、行程大、壓力分布均勻的機(jī)械設(shè)備；在沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮廢料的大小及模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，針對(duì)制件外邊緣位置可先進(jìn)行垂直修邊或側(cè)修，最后進(jìn)行整形；汽車防撞橫梁上方有一個(gè)規(guī)則的圓形孔，直徑為37mm，可將沖孔與修邊工序合并，降低加工工藝的數(shù)量。

1.3.2 坯料分析

B510L是常見(jiàn)的汽車橫梁沖壓材質(zhì)，具有良好的冷成形性能和強(qiáng)度性能，該材料具有質(zhì)量高、表面光潔度高、焊接性能好、便于涂油、上漆等特點(diǎn)。通過(guò)Dynaform軟件對(duì)坯料進(jìn)行分析，得出坯料尺寸為：長(zhǎng)1200mm、寬340mm、厚度為1.5mm。

1.3.3 沖壓工藝方案的確定

根據(jù)防撞橫梁結(jié)構(gòu)要求及性能特點(diǎn)，確定采用沖壓工藝流程為：拉伸、一次側(cè)修邊、沖孔、二次修邊和側(cè)修邊和整形。根據(jù)制件尺寸和數(shù)據(jù)，可通過(guò)以下公式計(jì)算拉伸力：

首次拉深力計(jì)算：

各次拉深力計(jì)算：

式中：為拉深力（t）；

k1、k2為修正系數(shù)；

d1、di為拉深工序件直徑（mm）

t為坯料厚度（mm）；

為拉深件的抗拉強(qiáng)度（MPa）。

根據(jù)拉深力計(jì)算公式，計(jì)算出防撞橫梁一次修邊理論修邊力為163t，理論壓邊力為8t；二次修邊力為88t，理論壓邊力為4t；整形力為173t，理論壓邊力為26t。

1.3.4 拉深工序設(shè)計(jì)

在拉深設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定每個(gè)工序的工作坐標(biāo)系，即沖壓方向與數(shù)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)。沖壓方向的確定是設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵工序，其正確性直接影響坯料的形狀及后續(xù)拉深工序的質(zhì)量。沖壓工序的確定應(yīng)綜合考慮多個(gè)因素：沖壓方向應(yīng)注意不應(yīng)造成負(fù)角，確保沖壓能夠成形出預(yù)期的空間形狀，盡量將拉深高度差降至最低，進(jìn)而降低因金屬流動(dòng)性和變形不均勻性而產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題。在拉深開始時(shí)，應(yīng)對(duì)凸模及板料之間的接觸狀態(tài)進(jìn)行檢查，避免因凸模與板料產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而影響沖壓效率，提高制件表面質(zhì)量。

其次，在壓料面設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到合格的沖壓制件，應(yīng)確保亞面料光滑平整，防止在壓料過(guò)程中出現(xiàn)板料起皺的情況。同時(shí)，壓料面設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，以平面、斜面為宜，避免在某一方向上形成較大的側(cè)向力。

1.3.5 修邊沖孔工序設(shè)計(jì)

由于汽車防撞橫梁制件尺寸較大，如采用一次成形工藝，可能導(dǎo)致沖孔形成的廢料無(wú)法及時(shí)排出，因此，在防撞衡量沖孔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取兩道工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，即側(cè)修邊沖孔和側(cè)修邊。根據(jù)要求確定修邊線，采取垂直修邊和斜楔修邊相結(jié)合的方式，在修邊的同時(shí)沖出圓孔。

在確定修邊線后，應(yīng)確定修邊防線，盡量采取垂直于防撞橫梁型面的方向。當(dāng)條件不適宜時(shí)，可采用斜楔工藝方法進(jìn)行修邊。當(dāng)采用該斜楔方法時(shí)，應(yīng)確保修邊方向應(yīng)與型面角度小于15°，不宜大于30°。在確定修邊方向后，應(yīng)當(dāng)充分考慮后續(xù)模具設(shè)計(jì)的工序，盡量保證模具結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化，避免對(duì)后續(xù)工序帶來(lái)不必要的麻煩。

1.3.6 整形工序設(shè)計(jì)

整形工序是整個(gè)沖壓工藝的最后一步，經(jīng)過(guò)上述工藝，坯料形狀已接近制件成品形態(tài)，但需要對(duì)局部進(jìn)行整形處理，因此，在防撞橫梁工藝設(shè)計(jì)時(shí)，必須經(jīng)過(guò)整形處理，以便于對(duì)防撞橫梁形狀進(jìn)行校正和檢查。由于防撞橫梁型面較為復(fù)雜，部分圓角的半徑較小，在整形時(shí)容易出現(xiàn)拉裂、損傷等缺陷，因此，可結(jié)合實(shí)際情況，在整形時(shí)將拉深圓角改大一些，以便于拉深操作。在整形工序中，為了防撞橫梁制件最終形態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)在整形工序中對(duì)圓角進(jìn)行精加工處理，調(diào)整制件最終形態(tài)，提高制件加工尺寸精度，進(jìn)而滿足制件設(shè)計(jì)要求。

2 汽車防撞橫梁沖壓模具設(shè)計(jì)

在汽車防撞橫梁生產(chǎn)中，模具是沖壓工藝的必要組成，按功能、工藝的不同，可將汽車防撞橫梁模具分為拉深模具、修邊沖孔模具、修邊模具、整形模具，拉深模具是后續(xù)模具的基礎(chǔ)，限于文章篇幅，本文主要以汽車防撞橫梁的拉深模具為例，從凸模、凹模、定位裝置等方面介紹汽車防撞橫梁模具設(shè)計(jì)方法。

2.1 凸模設(shè)計(jì)

汽車防撞橫梁凸模設(shè)計(jì)包括防撞橫梁凸模制作和型面部分制作。凸模設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從防撞橫梁型面向上拉伸成一個(gè)長(zhǎng)方體，并對(duì)凸模型面進(jìn)行修正，對(duì)減重孔、導(dǎo)板安裝位置等進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而得到拉深凸模本體。在型面部分設(shè)計(jì)時(shí)，制作步驟與凸模設(shè)計(jì)步驟一致，以拉伸分模線對(duì)型面進(jìn)行裁剪，最終形成型面。

2.2 凹模設(shè)計(jì)

為了達(dá)到減重的目的，制作汽車防撞橫梁的拉深凹模時(shí)，可中間型面向上拉伸出一個(gè)長(zhǎng)方體，并以拉深分模線方向?qū)Π寄＿M(jìn)行修剪，以所得到的型面與凹模長(zhǎng)方體進(jìn)行布爾減運(yùn)算，從而得到防撞橫梁拉深?？蚣埽诖嘶A(chǔ)上對(duì)框架進(jìn)行挖空處理。同時(shí)，在凹模內(nèi)部增加部分筋條，從而得到凹模本體。

2.3 壓料芯設(shè)計(jì)

壓料芯模具設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)創(chuàng)建一定尺寸的長(zhǎng)方體，確定拉伸型面的外邊廓線，并以長(zhǎng)方體和布爾減運(yùn)算對(duì)長(zhǎng)方體進(jìn)行操作，創(chuàng)建壓料芯彈頂裝置，對(duì)彈頂裝置、下模頂板、頂桿進(jìn)行誰(shuí)，最終得出壓料芯設(shè)計(jì)方案。

2.4 定位裝置設(shè)計(jì)

定位裝置是防撞橫梁上的定位裝置， 用于固定拉深模具上下模。在定位裝置設(shè)計(jì)時(shí)，其裝置高度應(yīng)考慮壓料面的高度，確保定位塊安放位置與板料線保持垂直，為確保定位塊安放位置與板料線保持相對(duì)垂直。在定位裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮壓料面高度等因素。

3 結(jié)語(yǔ)

汽車防撞橫梁是汽車覆蓋件的重要組成部分，也是汽車碰撞時(shí)吸收碰撞能量的重要裝置，在汽車裝置中占有重要地位。在車防撞橫梁沖壓工藝研究及模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)制定詳細(xì)的工藝方案，借助CAE技術(shù)，對(duì)拉深工藝進(jìn)行分析和研究，優(yōu)化工序參數(shù)。同時(shí)，借助UG軟件對(duì)沖壓模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此簡(jiǎn)化沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)工序，提高模具設(shè)計(jì)效率，保障防撞橫梁制件質(zhì)量。

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