汽車防撞橫梁沖壓工藝研究及模具設計探討

李博睿

摘 要：汽車行業是全球制造業中的支柱產業，在國民經濟中占有重要地位。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計內容，以期提高模具設計效率，保障防撞橫梁生產質量。

關鍵詞：沖壓工藝；CAE技術；沖壓模具設計；缺陷

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

汽車行業是全球制造業中的支柱產業。隨著科技的發展及市場需求量的不斷增長，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，在汽車生產中占有重要地位。由于汽車橫梁成形過程較為復雜，是一個大撓度、大變形的復雜塑形過程，因此，在模具設計時應充分考慮應力作用下金屬的流動性及強化性，并考慮可能出現的金屬破裂、起皺等特性，因此，有必要探討CAE技術在防撞橫梁沖壓模具設計中的應用，以期對汽車防撞橫梁沖壓工藝和模具設計進行優化調整，達到提高制件合格率，縮短模具設計和生產時間的目的。提高生產效率。

1 汽車防撞橫梁沖壓工藝設計

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上，通過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，覆蓋件具有結構復雜、尺寸面積大、塑型難度大、質量要求高等特點，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

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

1.3 沖壓工藝設計內容與步驟

由于汽車防撞橫梁形狀復雜、結構尺寸大、質量要求和剛度要求高，一次成型難度大，需要經過多個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計時，需要綜合考慮多種因素，不僅要滿足現階段汽車生產企業生產效率需求，還應當結合工藝生產成本、經濟因素，并對防撞橫梁沖壓生產工藝方案進行設計復核。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、模具類型及結構形式的選定和沖壓設備的選擇。

1.3.1 沖壓工藝

汽車防撞橫梁位于保險杠的內側，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，該制件為非外觀件，其性能要求較高，因此，在防撞橫梁設計時，必須考慮防撞橫梁成型后應具有一定的剛度。

以某汽車防撞橫梁為例，防撞橫梁材質為B510L，其長度約為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在滿足客戶設計需求的基礎上進行生產，因此，防撞橫梁外觀、減薄率、變形充分程度和沖孔位置等應符合設計要求。同時，成品件還應當滿足硬度及強度要求，且無褶皺和裂紋等缺陷。此外，由于該制件外觀輪廓不規則，變形結構較為復雜，屬于典型的大尺寸復雜拉深件，因此，沖壓工藝要點包括：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、壓力分布均勻的機械設備；在沖壓工藝設計時，應當考慮廢料的大小及模具結構的復雜度，針對制件外邊緣位置可先進行垂直修邊或側修，最后進行整形；汽車防撞橫梁上方有一個規則的圓形孔，直徑為37mm，可將沖孔與修邊工序合并，降低加工工藝的數量。

1.3.2 坯料分析

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

1.3.3 沖壓工藝方案的確定

根據防撞橫梁結構要求及性能特點，確定采用沖壓工藝流程為：拉伸、一次側修邊、沖孔、二次修邊和側修邊和整形。根據制件尺寸和數據，可通過以下公式計算拉伸力：

首次拉深力計算：

各次拉深力計算：

式中：為拉深力（t）；

k1、k2為修正系數；

d1、di為拉深工序件直徑（mm）

t為坯料厚度（mm）；

為拉深件的抗拉強度（MPa）。

根據拉深力計算公式，計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 拉深工序設計

在拉深設計時，首先應確定每個工序的工作坐標系，即沖壓方向與數模基準點。沖壓方向的確定是設計工作的關鍵工序，其正確性直接影響坯料的形狀及后續拉深工序的質量。沖壓工序的確定應綜合考慮多個因素：沖壓方向應注意不應造成負角，確保沖壓能夠成形出預期的空間形狀，盡量將拉深高度差降至最低，進而降低因金屬流動性和變形不均勻性而產生的質量問題。在拉深開始時，應對凸模及板料之間的接觸狀態進行檢查，避免因凸模與板料產生相對運動而影響沖壓效率，提高制件表面質量。

其次，在壓料面設計時，為了得到合格的沖壓制件，應確保亞面料光滑平整，防止在壓料過程中出現板料起皺的情況。同時，壓料面設計應盡量簡單，以平面、斜面為宜，避免在某一方向上形成較大的側向力。

1.3.5 修邊沖孔工序設計

由于汽車防撞橫梁制件尺寸較大，如采用一次成形工藝，可能導致沖孔形成的廢料無法及時排出，因此，在防撞衡量沖孔設計時，應采取兩道工藝進行設計，即側修邊沖孔和側修邊。根據要求確定修邊線，采取垂直修邊和斜楔修邊相結合的方式，在修邊的同時沖出圓孔。

在確定修邊線后，應確定修邊防線，盡量采取垂直于防撞橫梁型面的方向。當條件不適宜時，可采用斜楔工藝方法進行修邊。當采用該斜楔方法時，應確保修邊方向應與型面角度小于15°，不宜大于30°。在確定修邊方向后，應當充分考慮后續模具設計的工序，盡量保證模具結構的簡單化，避免對后續工序帶來不必要的麻煩。

1.3.6 整形工序設計

整形工序是整個沖壓工藝的最后一步，經過上述工藝，坯料形狀已接近制件成品形態，但需要對局部進行整形處理，因此，在防撞橫梁工藝設計時，必須經過整形處理，以便于對防撞橫梁形狀進行校正和檢查。由于防撞橫梁型面較為復雜，部分圓角的半徑較小，在整形時容易出現拉裂、損傷等缺陷，因此，可結合實際情況，在整形時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滿足設計要求，應在整形工序中對圓角進行精加工處理，調整制件最終形態，提高制件加工尺寸精度，進而滿足制件設計要求。

2 汽車防撞橫梁沖壓模具設計

在汽車防撞橫梁生產中，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，拉深模具是后續模具的基礎，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計方法。

2.1 凸模設計

汽車防撞橫梁凸模設計包括防撞橫梁凸模制作和型面部分制作。凸模設計時，應從防撞橫梁型面向上拉伸成一個長方體，并對凸模型面進行修正，對減重孔、導板安裝位置等進行設計，從而得到拉深凸模本體。在型面部分設計時，制作步驟與凸模設計步驟一致，以拉伸分模線對型面進行裁剪，最終形成型面。

2.2 凹模設計

為了達到減重的目的，制作汽車防撞橫梁的拉深凹模時，可中間型面向上拉伸出一個長方體，并以拉深分模線方向對凹模進行修剪，以所得到的型面與凹模長方體進行布爾減運算，從而得到防撞橫梁拉深模框架，在此基礎上對框架進行挖空處理。同時，在凹模內部增加部分筋條，從而得到凹模本體。

2.3 壓料芯設計

壓料芯模具設計時，首先應創建一定尺寸的長方體，確定拉伸型面的外邊廓線，并以長方體和布爾減運算對長方體進行操作，創建壓料芯彈頂裝置，對彈頂裝置、下模頂板、頂桿進行誰，最終得出壓料芯設計方案。

2.4 定位裝置設計

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。在定位裝置設計時，其裝置高度應考慮壓料面的高度，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垂直。在定位裝置設計時，應考慮壓料面高度等因素。

3 結語

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計過程中，應制定詳細的工藝方案，借助CAE技術，對拉深工藝進行分析和研究，優化工序參數。同時，借助UG軟件對沖壓模具進行設計，以此簡化沖壓工藝及模具設計工序，提高模具設計效率，保障防撞橫梁制件質量。

參考文獻：

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