加強型橫梁工藝設計

■ 中國重型汽車集團有限公司 （山東濟南 250002） 張延發 唐紹頌 李 永

1. 產品特性及加工難點

加強型橫梁是重型汽車車架部件，裝在發動機、變速箱底部，聯接著下擺臂、方向機和車體的車架橫梁，其作用是托起并且固定發動機、變速箱，同時還能通過橫向聯接，增加車身強度，也會在一定程度上保護發動機、油底殼，不會使發動機和變速箱直接受到撞擊。因此，加強型橫梁在車輛行駛過程中會不斷受到各種形式的擠壓、拉伸、沖擊和扭曲等影響，容易出現開裂失效的問題，所以，需要有較高的強度和抗彎剛度來保證使用壽命。

加工這種結構的產品，通常先用剪板機剪出所需塊狀毛坯，然后沖壓成形。為保證成形工序的金屬材料合理流動性，在成形工序前需先局部修邊出對稱形狀，最后再進行局部修邊和沖裝配孔，以至達到裝配要求。由于成形過程較為復雜，容易出現應力集中、料厚變薄等問題，最終可能導致產品開裂。

2. CAE成形模擬分析驗證

利用C A E分析成形過程中的料厚、內應力和等效應力的變化，如圖1～圖3所示。

由圖1可知，黃色區域（R角處）變薄最為嚴重。

由圖2可知，綠色漸黃色區域（R角處與大弧處）內應力集中最為嚴重。

由圖3可知，綠色漸黃色區域（R角處與大弧處）成形等效應變最為嚴重。

圖 1

圖 2

經過CAE分析，壓型后R角處與大弧處最薄，內應力最為集中，等效應變最為嚴重，這些區域最容易出現開裂的情況。通過對前期加強型橫梁售后問題的統計，其開裂現象與CAE分析結果一致，如圖4所示。

3. 材料分析

經過對材料強度和零件的受力分析，該產品材料需要有較強的抗拉強度和屈服強度，同時生產工藝要求材料延伸率要高，所以將材料由傳統工藝的T510L改為ZQS500L，材料主要性能指標如附表所示。

通過對比可知，相對于T510，ZQS500L材料的抗拉強度、屈服強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程中斷裂的風險，而且大大減少了成形后零件存在的隱形裂紋，消除了潛在的風險。

4. 工藝分析及優化

工藝優化主要體現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、開裂風險。在板材彎曲成形過程中，隨著凸模進入凹模的深度不同，凹模圓角半徑支撐點的位置及彎曲件毛坯彎曲半徑r發生變化，支撐點距離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。當毛坯的彎曲半徑達到一定值時，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。彎曲變形區主要在彎曲處的圓角部分，板料外層切向纖維受拉而伸長，應變、應力狀態如圖5所示；內層切向纖維受壓而縮短，應變、應力狀態如圖6所示；變形如圖7所示。應變中性層位置內移，變形區內板材變薄和增長。

圖 4

在整個成形過程中，由于一次成形材料的彎曲內應力得不到有效釋放，變形區外層纖維切向受拉會出現裂紋、內層纖維切向受壓會起皺變形，影響板料成形時材料進入模具型腔的正常流動，導致產品質量下降甚至出現廢品，所以，將壓型階段分為預成形和整形兩道工序。由于產品成形形狀復雜， 第一次預成形先將平板坯料彎成大體形狀，彎曲R角較大，變形區板料外層受拉和內層受壓變形較小，強度和剛度損失小，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、長寬度及裝配面平面度，將已經預彎曲過的工件經過整形達到最終使用要求。整形時，變形區R角進一步減小。由于受回彈因素的影響，整形后模具閉合進行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

圖 5

圖 8

圖 9

（1）預成形階段。壓力計算公式為

式中，F1為自由彎曲力；b為彎曲件寬度（此處可按成形周長估算）；r為彎曲件內彎曲半徑；σb為材料抗拉強度；t為板材厚度；k為系數，一般取k＝1.0～1.3。

由以上公式估算出預成形階段所需壓力F1≈6 860kN。

（2）整形階段。壓力計算公式為

式中，F2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大于預成形工序。

綜上所述，通過原材料和工藝改進，可以提高產品質量。目前公司已經按照新工藝實現了批量生產，實踐證明改進效果十分理想。成品如圖10所示。

圖 10

5. 結語

通過原材料的合理選擇，首先提高了抗拉強度、屈服強度和延伸率，再將成形工序分為預成形和整形兩個步驟，徹底釋放成形過程中產生的內應力，可以有效解決產品在使用過程中出現斷裂的問題。

[1] 姜奎華. 沖壓工藝及沖模設計[M]. 北京：機械工業出版社，2000.

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