汽車后橋橫梁的工藝分析及模具設計

陶海玲，韓耀東

1.武漢中原電子集團有限公司（湖北武漢 430073）

2.武漢中人瑞眾汽車零部件產業有限公司（湖北武漢 430073）

1 引言

汽車是由眾多的零部件組合而成，其中底盤件是車輛的主要組成部件，而底盤上又包含眾多其它零部件，比如前、后橋兩大重要部件。底盤作用是支承、安裝汽車發動機及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發動機的動力，使汽車產生運動，保證正常行駛。其中后橋是汽車底盤上的關鍵制件之一，它是連接車輪與車身的機構，對車身起支撐和減振的作用。主要是傳遞車輪和車架之間的力，并且緩沖由不平路面傳給車架或車身的沖擊力，衰減由此引起的震動，以保證汽車能平順地行駛。后橋可以按多種形式來劃分，總體上主要分為兩大類，獨立懸掛和非獨立懸掛。獨立懸掛可以簡單理解為，左右兩個車輪間沒有硬軸進行剛性連接，一側車輪的懸掛部件全部都只與車身相連。而非獨立懸掛兩個車輪間不是相互獨立的，之間有硬軸進行剛性連接。從結構上看，獨立懸掛由于兩個車輪間沒有干涉，可以有更好的舒適性和操控性。而非獨立懸掛兩個車輪間有硬軸連接物，會發生相互干涉，但其結構簡單，有更好的剛性。扭力梁式懸掛相對于獨立式懸掛舒適性要差一些，但結構簡單可靠，也不占空間，而且維修費用也比獨立懸掛低，所以扭力梁懸掛多用在小型車和緊湊型車的后橋上。扭轉梁式懸掛的結構中，兩個車輪之間沒有硬軸直接相連，而是通過一根扭轉梁進行連接，扭轉梁可以在一定范圍內扭轉。但如果一個車輪遇到非平整路面時，之間的扭轉梁仍然會對另一側車輪產生一定的干涉，嚴格上說，扭轉梁式懸掛屬于半獨立式懸掛。圖1所示為某車型扭轉梁后橋的基本構成。

圖1 扭轉梁后橋構成

根據車型的不同，扭轉梁后橋的尺寸和形狀會有些差異，但基本形式和功能相同，在車輛運動中，總成制件有嚴格的強度和安全指標要求，為避免疲勞斷裂，沖壓件不允許出現沖壓凹接口，焊接部位焊縫質量要求非常高，制件的孔和面是裝配孔或裝配面，精度要求較高，其尺寸的好壞，直接影響到整車裝配和整車的質量性能。由此可見，后橋橫梁的質量、尺寸直接影響汽車后橋的穩定性和安全性。所以沖壓工藝的設計，決定了該制件的生產經濟性、批量生產的質量穩定性以及生產效率的高效性。本文僅就后橋橫梁的沖壓工藝分析和模具結構方面，進行簡單介紹。

2 制件沖壓工藝分析

后橋橫梁如圖2所示，材料S500MC Q/BQB311-2009，料厚3.95±0.15mm，該制件材料強度較高，板料較厚，成形壁厚有嚴格要求，制件的型面、焊接邊線、孔位均有要求，必須滿足后續機器人總成焊接和總成尺寸要求。其中型面、焊接邊線要求穩定，確保機器人焊接時，焊縫不偏移，制件焊接變形穩定，沖壓毛刺≤0.2mm。

圖2 后橋總成及橫梁圖片

初步分析的工藝方案是：①沖孔落料完成毛坯落料；②翻邊成形；③整形；④修邊沖孔側沖孔；⑤沖孔側沖孔切槽；⑥修邊側修邊，具體工序圖如圖3所示。

3 工藝方案說明

（1）落料沖孔。將塊料用外形定位，沖出2個工藝孔和一個防反孔，用于后續工序的定位使用；兩側4處修邊，是為了解決制件法蘭面成形時兩個型面的交接過渡問題，事先修出過渡邊線；兩端的修邊，主要是解決制件成形后，角部正修邊和側修邊交刀困難的問題，預先修出一部分邊線，同時對塊料的兩端邊線進行修邊，保證邊線的一致性，后續有定位作用。

（2）翻邊成形。制件用孔和防反孔定位，翻邊成形為產品需要的形狀。

（3）整形。用工藝孔防反孔定位，將成形的工序件整形到制件需要的精度要求。

（4）修邊沖孔側沖孔。用工序件的U型和外形邊線定位，防反孔防反，沖出部分底面孔和部分側面孔，沖部分孔的原因是因為工序件的孔距太近，模具強度不夠，需要間隔孔位沖孔。

（5）沖孔側沖孔切槽。制件底面的圓孔和長圓孔定位，沖壓所有上工序未沖完的孔，同時一次性沖出4個半圓槽（總成焊接時，與高壓管配合的部分），一次沖壓完成，相對尺寸較好保證，制件一致性好，有利于后續的焊接過程。

圖3 沖壓工序圖

（6）修邊側修邊。由于在底盤件成形的過程中，材料的邊線存在不整齊，更主要的是成形過程中，邊線附件存在一定的成形內應力缺陷，所以，需要進行一次完整的修邊，將邊緣處隱藏的缺陷部分全部切除，確保底盤件的強度和安全性。

4 成形工藝的CAE分析

（1）首先按照初步工藝方案對制件的成形過程進行CAE模擬分析，具體結果如圖4所示。

從成形過程分析，制件的側壁及法蘭面有明顯的起皺現象，需要對成形模具的凹模型面進行更改，改善其成形時材料的變形趨勢。

（2）在凹模的入口處，對型面進行修改，使材料流向分布均勻，防止材料嚴重起皺，具體結構如圖5所示。

（3）模具型面修改后，再次CAE分析成形過程，具體結果如圖6所示。

從分析結果看，材料起皺明顯變小，而且變得平緩，沒有材料堆積的情況產生，通過整形可以消除皺紋。

（4）制件的回彈情況分析，具體結果如圖7所示。

圖4 CAE分析報告

圖5 凹模型面更改圖

圖6 改善后的CAE分析報告

圖7 成形回彈報告

從分析結果看，制件底部最大回彈量1.227mm，側壁最大回彈量2.760mm。此件一次成形到底的最大回彈不超過3mm，不需要側整模來整治回彈，下一步進行回彈補償和計算的工作。模具設計時，需要根據回彈量修正模具的型面尺寸，補償回彈量，另一方面，通過整形消除回彈并使局部圓角達到圖紙要求。

（5）材料厚度變化情況分析，具體結果如圖8所示。

從分析結果看，局部由于產品造型和工藝布置，局部翻邊多料有增厚趨勢，最大厚度4.3mm，最小料厚3.5mm，但整體不影響制件精度，外觀可接受。

（6）綜合CAE分析的結果，初步制定的成形工藝方案是可行的，后續制件的沖孔修邊，對制件的成形幾乎沒有影響，而且沖孔修邊的尺寸比較穩定，能夠滿足制件技術要求。

圖8 成形時材料的厚度變化報告

5 模具結構及設計要點

模具結構圖如圖9所示，本制件的生產由6副模具組成。

圖9 模具結構圖

（1）沖孔落料模。僅對局部進行修邊，不需要對全部邊線落料，沖裁力小，節約原材料，提高了材料利用率，模具結構簡單。

（2）翻邊成形模。相當于簡單的U型壓彎模結構，孔定位，有防反裝置，氮氣缸頂料，避免了氣墊壓力不穩定的問題，制件質量更穩定。采用壓彎成形工藝，與拉伸工藝相比，工藝路線簡單，材料利用率高，模具需要TD處理。

（3）整形模。對成形不到位的型面進行整形，消除回彈和起皺現象，并校正圓角部分的尺寸，上模采用氮氣缸頂料，模具需要TD處理。

（4）修邊沖孔側沖孔模。主要是沖出底面上的大部分孔（包括定位孔）和兩端的圓弧邊線以及側面的部分孔，側沖孔要求兩側的力量對稱（兩側沖孔數量相等），避免模具受力不均而啃刃口。

（5）沖孔側沖孔切槽模。主要是沖出底面上的剩余的孔和側面剩余的孔，側沖孔要求兩側的力量對稱（兩側沖孔數量相等），同時還要側切槽（與高壓管配合焊接的4個半圓槽），沖槽凸模需要克服反側力，避免模具受力不均而啃刃口。

（6）修邊側修邊模。主要是將兩側的成形邊線進行一次修邊（正修邊）；將兩側的U型側面進行局部側修邊（橫梁兩端的側面，共4處），修邊凸模需要克服反側力。

整副模具設計的要點：模具結構緊湊，材料利用率高，工序合理分解，提高了模具的使用壽命。模具的定位、防反措施以及沖壓反側力考慮周到，表面TD處理，模具工作部分大多采用鑲塊結構，節約了模具的制造成本，易于維護和更換，對厚板料、高強度板的沖壓非常有利，生產的制件穩定性好，整個生產過程順暢、穩定。

6 結束語

該副模具經過調試，最終確定了毛坯尺寸，整個調試過程比較順利，而且與計算分析的結果基本一致。最終滿足產品要求，而且整個后橋總成疲勞強度合格，具體沖壓件實物如圖10所示。經過一定批量的生產驗證，模具工作過程穩定，制件尺寸準確，壁厚較均勻，外觀質量好，該模具目前已經投入批量生產。通過本制件的工藝分析及模具設計，解決了厚板料、高強度板底盤件的生產問題，為類似制件的開發提供了借鑒。

圖10 最終成形件實物

沖壓工藝設計的優劣直接影響到制件的成形性、成形質量及調試周期等，模具結構設計的好壞，直接影響模具制造、維護成本以及生產過程的可靠性和便利性。豐富的實踐經驗和模擬技術能為厚板料、高強度板底盤件成形模具提供有效的解決方案。本文通過底盤件成形工藝的計算分析、模具設計的詳細描述，對底盤件成形模具設計具有一定的指導作用。