載貨汽車縱梁成形工藝及設備探討

蔣 紅，趙升噸，李 帆，李雙江，周 昊

(西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 前言

在載貨汽車、重型車等車型中，車架是汽車底盤的骨干元件，用于支承、安裝汽車發動機及其他各部件，同時，車架是汽車重要的傳力構件，發動機輸出動力通過變速器、傳動軸將扭矩傳給驅動橋，驅動汽車行駛，汽車承載的質量及動力都作用于車架；而縱梁則是車架的重要構成部件，是汽車的關鍵承載部件及其他零部件裝配的基礎，也是制約車架總成質量和能力的瓶頸[1,2]。載貨汽車縱梁常采用16 MnL、550 L等高強鋼為材料，其高強度對制造工藝提出了高要求，縱梁截面一般為U形，其厚度范圍常見7.0～10 mm，寬度220～320 mm，高度70～90 mm，長度5 500～11 500 mm，按其結構特點可以分為直截面和變截面兩大類[1,3]。載貨汽車縱梁的成形方式影響縱梁的成形質量及生產成本，縱梁常見的成形方式有沖壓成形、輥壓成形等。

1 沖壓成形工藝及設備

如圖1所示為縱梁的兩大種類，傳統汽車縱梁的成形方式為沖壓成形，一般是通過安裝在大型壓力機上的上下模具對板料進行沖壓，得到所需形狀的縱梁。通過模具的設計能實現直截面、變截面縱梁的生產，沖壓成形的生產效率高、但模具成本高、適合單品種、大批量、少批次的縱梁生產。隨著對縱梁多品種需求的增加，沖壓成形的模具出現了組合模具，通過更換模具能滿足長短、外形尺寸等不同的縱梁生產，但同時也增加了換模時間和有存在偏心載荷的風險[1,3,4]。

圖1 縱梁的兩大種類

國內外眾多學者對縱梁的沖壓成形進行數值模擬分析和實驗研究，為縱梁沖壓成形工藝提供了大量寶貴的經驗。王敏[5]等人利用伺服壓力機和熱沖壓模具等進行不同潤滑條件下汽車縱梁的成形質量和組織性能研究，實驗比較后發現玻璃潤滑Al-Si涂層板對減小縱梁表面粗糙度、組織性能等具有最佳表現性能，為縱梁的生產提供了借鑒，如圖2所示為其團隊采用的縱梁熱沖壓模具。周杰[6]等人進行縱梁整體沖壓成形的數值模擬和實驗試制，分析了縱梁硬區、軟區的力學性能及組織特性，并通過數值模擬優化結果獲得合理的工藝參數。毛衛國[7]利用Autoform軟件對汽車縱梁沖壓工藝進行成形模擬，對變形過程中的拉、壓應力進行分析，并結合實驗預測了縱梁的回彈趨勢。

圖2 縱梁熱沖壓實驗模具

國內外眾多公司在汽車縱梁沖壓生產上投入了大量的資金和人力，以致力于獲得質量良好的汽車縱梁。如圖3所示為縱梁采用的大型模具及東風汽車公司十堰基地的4 000 kN的壓力機[8]。

圖3 縱梁沖壓模具及其壓力機

山東蓬翔汽車有限公司擁有成套的自動化縱梁沖壓生產線，包括THP29-6300A大型數顯液壓機1臺、AMCP-1200平板數控沖床2臺、EXA3000數控等離子切割機1臺等專精尖設備，能夠生產寬度350～500 mm、厚度5～10 mm、長度4.5～12 m范圍內的直截面、變截面縱梁，年產量可高達6萬臺份，在縱梁沖壓方面擁有多項專利。圖4a、圖4b所示為山東蓬翔汽車有限公司縱梁沖壓生產線及其沖壓過程，圖4c為其模具的斷面圖。

圖4 山東蓬翔汽車有限公司縱梁沖壓設備

2 輥壓成形工藝及設備

隨著市場競爭增強，車架設計更加多樣化，整車功能配置頻繁變化，縱梁向著“多品種、小批量、多批次”的方向發展，生產車間對柔性化制造需求增大，縱梁成形工藝不斷改進，輥壓成形作為一種較新的成形工藝已經進入到汽車縱梁生產領域中。輥壓成形(Roll Forming,又稱冷彎成形)是將板材通過帶有型槽的多組成形輥子，利用多道次輥子的型面，漸次進行彎曲成形，從而得到所需截面形狀的零件，輥壓成形原理圖如圖5所示，輥壓成形工藝特別適用于生產大批量的等截面長工件，并可與多種工藝過程(如開卷、校平、沖孔、焊接、定尺剪切等)結合，組成連續化生產線[9,10]。傳統的輥壓線只能生產直截面縱梁，在傳統輥壓工藝中新興的變截面輥壓成形(Flexible roll forming)，能解決變截面型材的成形需求，傳統的輥壓成形中輥子位置固定，變截面縱梁要求輥子能在輥壓線的橫向有相對運動，同時完成板材成形[11,12]。在變截面區域成形過程中，板材產生拉、壓應力，這些區域非常關鍵，因為過度的拉壓應力會導致板材破裂、起皺[13]。輥壓成形的特點是生產效率較高，產品質量穩定，柔性化程度比沖壓成形更高，更適合多品種、少批量、多批次的縱梁生產，變截面縱梁輥壓成形線上輥子位置可調節，但其結構比直截面輥壓線更為復雜。

圖5 輥壓成形原理圖

國內外有眾多學者對縱梁輥壓成形工藝進行大量研究，北方工業大學在縱梁輥壓成形方面做了大量的有限元模擬和實驗研究，盧平山[14]對變截面縱梁輥壓成形設備進行樣機設計及ADAMS動力學模擬、CAE軟件中進行工況模擬，得到了成形部件的運動學動力學特性曲線并對其進行優化；姚凱[15]利用Abaqus模擬變截面縱梁輥壓成形過程，分析了不同截面的應力應變分布規律，對于生產中容易出現的褶皺、回彈等缺陷進行工藝參數調節，為實際生產提供了借鑒。Gül?eken[16]等人利用COPRA RF和MSC Marc等有限元軟件進行變截面縱梁輥壓成形的輥型設計和成形過程模擬，分析了縱梁變截面的腿高分布情況和法向應力分布特點。

國內外有眾多公司、研究者采用輥壓成形生產和研究汽車縱梁的成形質量和特點。國內在縱梁輥壓領域內的研究正在不斷追趕國外技術，一些汽車公司或者做輥壓加工的廠商致力于解決縱梁的輥壓成形問題，如一汽解放公司引進STAM公司的輥壓線，專業生產大卡車和載貨汽車的縱梁；濰坊仁通冷彎機械有限公司有生產汽車縱梁的輥壓設備等。

意大利的Stam公司、Gasparini公司、Piemme公司等為生產縱梁輥壓線設備的典型代表。目前，意大利公司Stam在縱梁的輥壓成形方面有量產的生產線，該公司在1989年向瑞典Volvo公司提供第1條輥型線，目前在美國Metalsa、墨西哥Metalsa 及比利時Sadef等公司已經投產10余條輥壓線[17]。意大利Stam公司的輥壓線采用開式輥壓單元，以高強鋼卷材為原料，經過開卷、校平后進入輥壓線，通過十幾道次機架進行輥壓成形，隨后由切斷裝置切斷[18]。該輥壓線只能生產幾種規格范圍內的縱梁，輥壓線占用空間大，如需更改工藝，需要更換輥子，重新組裝生產線，耗時耗力，柔性化程度低。如圖6所示，為Stam公司的縱梁輥壓線。

圖6 Stam公司的縱梁輥壓線及產品

意大利Piemme公司的輥壓線能生產板材最大厚度為10 mm的縱梁，該生產線集成了沖孔、輥壓、打標、浮雕、激光切割、噴砂等工藝于一體，自動進行縱梁的裝卸載。該公司的輥壓線和成形的縱梁如圖7所示[19]。該輥壓線采用閉式輥壓單元，一條生產線如需滿足多種規格縱梁生產時，需要更換輥子中間的對分隔片以及更換新的圓角輥子，且對輥子形狀要求高，只能成形輥子形狀限定的縱梁截面；當更改工藝時，整條輥壓線改動幅度大，柔性化程度低。

圖7 Piemme公司的輥壓線

變截面型材成形的典型代表有DataM公司的3D輥壓成形中心(3D roll forming或Flexible roll forming)，可用于變截面縱梁成形，具有以下優點：比壓力成形、傳統沖壓成形柔性化程度更高；連續生產時節約成本；在單一裝置上集成了所有制造單元；對于高強鋼、超高強鋼、鋁材等更容易成形。該3D輥壓成形中心的輥子機架可調節，板材成形前為異形，根據最終要成形的截面設定初始板材形狀后，用輥子形狀和運動軌跡來成形所需要的截面[20]，如圖8所示。

圖8 DataM公司的3D輥壓成形

該輥壓線成形變截面部分，利用板材上下表面的輥子的形狀和輥子沿輥壓線橫向移動實現成形，縱梁成形依賴輥子形狀，對輥子的形狀及安裝位置要求極高，僅在變截面部分增加輥子一個自由度，工藝柔性化程度有待提高。

3 結束語

沖壓成形和輥壓成形都能得到質量穩定的汽車縱梁，兩種方式均有一定量的公司和研究者在不斷改進當前工藝，相比較而言，輥壓比沖壓工藝柔性化程度更高，更容易實現對汽車縱梁多品種多批次的市場需求，同時兼顧成本、環保等綜合指標，更符合作為汽車縱梁制造方法的發展趨勢。