韩耀东，韩明彦

（武汉中人瑞众汽车零部件产业有限公司，湖北武汉 430073）

1 引言

轿车主要是由底盘件、动力总成和车身件等组成，其中车身件又包括车身覆盖件和结构件等，结构件相当于人体的骨骼，支撑着整个车身，所以通常又叫骨架件。在骨架结构中，类似π形的零件比较多，比如：左右主纵梁加强板、左右前内纵梁、左右前纵梁、左右内纵梁、左右后纵梁、中通道等等，如图1所示。

纵梁是指在轿车沿桥梁轴向设置并支承于横梁上的梁，具有支持梁上物体的作用。车架纵梁又是其中的关键零件之一，纵梁在轿车上起到重要的承载作用。汽车的边梁式车架、中梁式车架等均含有纵梁，纵梁通常用低合金钢板冲压而成，断面形状一般为槽型，也有的做成Z字型或者箱型断面。

图1 车身骨架件

轿车形式的不同和结构布置的要求，纵梁的结构形式比较多，可以在水平面内或纵向平面内做成弯曲的以及等断面或非等断面的。

纵梁一方面支撑整个车身的刚性和强度，起重要的承载作用，另一方面，对汽车碰撞吸收能力至关重要。因此设计和制造出耐撞性能优良的车身结构，对保护乘员在汽车发生碰撞时的生命安全便显得尤为重要。为了减轻车身的重量和整车强度要求，纵梁一般采用高强度板成形，设计时一般采用变截面形状、不等厚板或激光拼焊板的结构形式。

2 纵梁结构特点

纵梁零件一般安装在底盘附近，大多为镀锌高强度板，其截面形状近似于π形，如图2所示。厚度一般在1～2mm，而且是左右件一般是成对出现（对称件）。U形纵梁类零件在汽车零部件中应用广泛，由于其结构形状复杂，成形时，材料不能全部进入屈服流动，使塑性变形不充分，容易出现回弹、翘曲等问题，降低零件的成形精度，给整车匹配带来不利影响。近年来，为了满足燃油经济性要求，汽车零部件轻量化趋势日益明显，各种高强度、超高强度钢板广泛应用于汽车纵梁等U形件的制造，但是材料强度的提高会带来回弹、翘曲等缺陷。

图2 纵梁截面图

从纵梁的整体结构看，制件有的底面是平面或曲面结构；有的侧面是平面或曲面结构；有的端头包圆角，有的端头是敞开式；有的U型槽深，有的U型槽浅；有的有法兰面，有的没有法兰面；有的是几种情况的复合结构等等。制件的形状不一样，材料强度不一样，所制定的工艺方案就不一样。为此，从冲压工艺分析和回弹解决方案两方面进行描述。

3 纵梁的工艺分析

（1）制件底面和侧面为平面，端头敞开的工艺分析。

根据制件的特点，制件的外形和侧面都是是平面且端头是敞开结构时，一般采用压弯成形的方式。当材料强度不是很高时，压弯件的回弹通过凹模包圆角的方式成形（见图3），凸凹模之间产生塑性变形，并且通过修正压弯角度来消除回弹。对于高强度板，一般采用侧整形的方式消除回弹；对DP780以上材料的制件，一般采用侧整形的方式消除回弹。侧面如果仅是平面，没有法兰面的制件，可以直接压弯成形；对于有法兰面的制件，一般需要2次压弯，法兰面先成形出来，再成形U形弯，避免侧壁不平和法兰面不稳定。有法兰面的制件如果一次压弯成形，往往侧壁会产生凹陷，而且回弹不易控制，这一点必须特别注意，如图3所示。

图3 凹模包圆角结构及侧壁凹陷图

左右前内纵梁的制件有2种形式，材料规格也是2种，分别是：H380LAD+Z，t=1.17mm；另一种是：DP780 G7/7，t=1.17mm，如图4所示。

图4 左右前内纵梁（2种）

a.材料为H380LAD+Z，t=1.17mm，制定的工艺方案是：①冲孔落料毛坯；②孔定位，翻法兰面、压底面凸包、翻孔；③正压U形弯，凹模包圆角，回弹角度通过凹模的角度补偿实现；④冲孔侧冲孔，完成制件的整个生产过程。左右件工序一致，落料毛坯共用。成形要点：法兰面先压弯成形，是为了防止侧面凹陷。具体工序如图5所示。

b.材料为DP780 G7/7，t=1.17mm，制定的工艺方案是：①冲孔落料毛坯；②孔定位，法兰面和侧面预成形、压底面凸包；③斜楔侧整法兰面和侧壁，回弹角度通过调整斜楔的深浅实现；④冲孔侧冲孔翻孔，完成制件的整个生产过程。左右件工序一致，落料毛坯共用，预弯工序把制件的压弯线成形出来，高强度板的回弹通过斜楔侧整实现。成形要点：法兰面和侧面同时整形，同样可以解决回弹和防止侧面凹陷的问题。具体工序如图6所示。

这个制件成形的关键工序是侧整形，其模具结构图如图7所示。模具铸造成整体斜楔机构，成本低，模具紧凑，效果良好。

（2）制件的底面平面,侧面为平面或曲面，端头敞开的工艺分析。

左右主纵梁加强板，H300LAD+Z，t=0.97mm，制件形状如图8所示。

图5 左右前内纵梁（H380）工序图

图6 左右前内纵梁（DP780）工序图

图7 侧整形的模具结构图

图8 左右主纵梁加强板（H300）

制定的工艺方案：①冲孔落料毛坯；②孔定位，压弯平面侧的法兰面和底面压凸包、端头局部的小压弯以及曲侧面以边的预压工艺成形筋（见放大图）；③正压U形弯，成形侧壁及另一侧的曲侧壁和法兰面，凹模包圆角，回弹角度通过凹模的角度补偿实现；④整形冲孔，将制件进行一次全部的整形，并冲出所有的孔，完成制件的整个生产过程。左右件工序一致，落料毛坯共用，具体工序图如图9所示。成形要点：由于制件的一侧面曲线型，法兰面无法提前成形，所以在工序2预压的工艺成形筋（见图9-OP20工序图），在工序3压弯的过程中，通过局部（预压筋）产生明显的塑性变形，可以克服侧壁的凹陷情况，有效地解决了在曲侧面和法兰面同时成形时，侧壁凹陷的问题。这一措施，对类似制件成形的处理，非常有帮助，制件直接成形与预压筋成形的过程原理图对比，如图10所示。

（3）制件底面为平面，侧面为平面和曲面，端头包圆角的工艺分析。

左右内纵梁，H340LAD+Z 50/50，t=1.5mm，制件形状如图11所示。

制定的工艺方案：①落料毛坯；②拉伸；③修边冲孔；④整形翻孔，将制件进行一次全部的整形；⑤冲孔侧冲孔修边，冲压所有的孔及局部修边，完成制件的整个生产过程。左右件工序一致，落料毛坯共用，具体工序图如图12所示。成形要点：工序2拉伸成形，模具的型面事先经过回弹补偿处理，将侧面及端头包圆角的部分一次拉伸出来，通过拉伸筋控制制件的塑性变形，有效地克服了侧壁的凹陷及回弹情况，这类双端头包圆角的制件，一般都是采用拉伸成形工艺，效果非常明显。

图9 左右主纵梁加强板（H300）工序图

图10 制件直接成形与预压筋成形过程对比图

图11 左右内纵梁（H340）

（4）制件底面为曲面，侧面为平面和曲面，端头包圆角的工艺分析。

左右后内纵梁，HC420/780DPD+Z，t=1.4mm，制件形状如图13所示。

图12 左右内纵梁的工序图

图13 左右后内纵梁（DP780）

制定的工艺方案：①成双拉伸；②修边冲孔；③整形打印；④冲孔侧冲孔修边切断；完成制件的整个生产过程，左右件成双生产，效率较高。具体工序图如图14所示。成形要点：工序1拉伸成形，模具的型面是经过回弹补偿处理的，将侧面及端头包圆角的部分一次拉伸出来，通过拉伸筋控制制件的塑性变形，有效地克服了侧壁的凹陷及回弹情况，这类一端头包圆角制件，往往采用成双拉伸成形工艺，工序比较简洁实用，效果较好。

（5）制件底面为曲面，侧面为曲面，端头敞开，U型槽较深的工艺分析。

中通道，H260YD+Z 50/50，t=1.5mm，制件形状如图15所示。

制定的工艺方案：①拉伸；②修边冲孔；③整形；④冲孔侧冲孔。具体工序图如图16所示。

图14 左右后内纵梁的工序图

图15 中通道（H260YD+Z）

成形要点：由于制件的U形槽较深，拉伸过程中，仍然存在侧壁凹陷及回弹的问题，回弹可以通过型面补偿实现，凹陷需要通过型面修正和拉伸筋的控制完成。对于这种U型槽尺寸比较大，材料强度比较高的制件，在模具设计时一般采用二次拉伸筋的结构形式。如图17所示。

图16 左右后内纵梁的工序图

图17 双拉伸筋的结构图

对于深U形结构的制件，冲压回弹显得更加明显，模具设计的时候，一般考虑双拉伸筋的结构形式。模具工作开始时，先是压边圈的拉伸筋起作用，模具接近闭合状态前，凹模上设置二次拉伸筋同时起作用，通过调整拉伸成形的压边力的大小，可以有效解决回弹问题。一方面拉伸筋可以增大材料在模具中的进料阻力，在拉伸过程中，使冲压板料承受足够的拉应力，成形充分，从而大大提高材料的张力和制件的刚度，有效地减少制件回弹，最大限度地避免制件的凹陷、翘曲、波浪等冲压缺陷；另一方面，由于制件形状的特殊性，各部位的进料阻力也不可能完全一样，通过对拉伸筋进行分段调整，使材料的流动性更加均匀，避免因局部进料过多而导致起皱；或者是局部进料过少，而导致制件开裂等缺陷发生。拉伸筋在制件成形过程中的工作过程是：模具开始拉伸时，第一拉伸筋起作用，第二拉伸筋的凸起部位还没有与成形板料接触，也就是说此时的第二拉伸筋并没有参与成形，没有起到拉伸筋的作用。拉伸成形接近闭合状态前（也就是成形后期），当凹模继续往下运行时，第二拉伸筋才开始工作，第二拉伸筋凸起部位逐步与冲压板料接触后,第二拉伸筋的凸、凹槽部位才开始工作，通过拉伸筋的阻力，限制板料的流动性，此时第一、第二拉伸筋同时起作用，进一步增大了材料成形时的进料阻力，改善材料在模具内的合理流动性,保证板料的冲压塑形变形更加充分，抑制各种冲压缺陷的产生，比如：侧壁凹陷、侧壁回弹、型面翘曲等。

一般情况下，在冲压拉伸初期，如果压边力过大，材料进料困难，很容易导致冲压板料发生开裂现象；另一方面，如果压边力过小,材料进料容易，成形制件发生翘曲和回弹的可能性更加突出，伴随着拉伸过程的不断深入，制件的变形量会随着模具的继续下行而不断增大，材料的加工硬化的效应更加明显，材料的屈服强度也随之提高，材料的变形呈现出弹性变形状态，由于材料的变形没有达到充分的塑性变形状态，模具上行之后，制件会发生明显的凹陷、回弹、翘曲等等这些缺点。基于冲压成形的这些缺陷问题，结合冲压的成形原理，突破创新，提出了这种二次拉伸筋结构的设计构想，在模具拉伸变形过程的后期阶段，通过设置在凸模上的第二道拉伸筋同时参与工作，进一步增大冲压材料进料阻力，使材料成形充分，有效提高材料的塑性变形的程度，对制件的回弹、凹陷和翘曲等冲压缺陷很有帮助。同时为了保险起见，整形模具一般采用侧整形的方式进行。这种经验措施，在类似制件成形过程中值得推广。

4 结束语

通过对π形结构的纵梁类制件的特点分析，冲压工艺方案的针对性制定，各种制件的成形要点的总结，以及预压工艺成形筋、二次拉伸筋、侧整形机构的应用，模具型面尺寸的补偿等等措施，这几种纵梁类制件的冲压工艺设计比较合理，模具结构比较典型，模具调试比较方便，最终满足制件要求，生产质量稳定。尤其是采用压弯成形的生产工艺取代拉伸工艺，材料的利用率得到明显提高。

经过大量的实际经验总结，冲压工艺和模具结构都比较适用，生产过程稳定，制件尺寸准确，没有材料折叠、制件起皱和开裂等冲压风险，也没有扭曲、凹陷等缺陷，制件质量指标好，充分证明了工艺的可靠性。通过这些制件的具体工艺分析及针对性的模具设计，解决了底盘类纵梁件的冲压工艺问题，对类似制件的成形有一定的参考作用。这些制件的生产过程，都可以采用机械手搬运实现，生产效率可以大大提高，生产成本可以明显降低，为类似制件的开发提供了借鉴。