加强型横梁工艺设计

■ 中国重型汽车集团有限公司 （山东济南 250002） 张延发 唐绍颂 李 永

1. 产品特性及加工难点

加强型横梁是重型汽车车架部件，装在发动机、变速箱底部，联接着下摆臂、方向机和车体的车架横梁，其作用是托起并且固定发动机、变速箱，同时还能通过横向联接，增加车身强度，也会在一定程度上保护发动机、油底壳，不会使发动机和变速箱直接受到撞击。因此，加强型横梁在车辆行驶过程中会不断受到各种形式的挤压、拉伸、冲击和扭曲等影响，容易出现开裂失效的问题，所以，需要有较高的强度和抗弯刚度来保证使用寿命。

加工这种结构的产品，通常先用剪板机剪出所需块状毛坯，然后冲压成形。为保证成形工序的金属材料合理流动性，在成形工序前需先局部修边出对称形状，最后再进行局部修边和冲装配孔，以至达到装配要求。由于成形过程较为复杂，容易出现应力集中、料厚变薄等问题，最终可能导致产品开裂。

2. CAE成形模拟分析验证

利用C A E分析成形过程中的料厚、内应力和等效应力的变化，如图1～图3所示。

由图1可知，黄色区域（R角处）变薄最为严重。

由图2可知，绿色渐黄色区域（R角处与大弧处）内应力集中最为严重。

由图3可知，绿色渐黄色区域（R角处与大弧处）成形等效应变最为严重。

图 1

图 2

经过CAE分析，压型后R角处与大弧处最薄，内应力最为集中，等效应变最为严重，这些区域最容易出现开裂的情况。通过对前期加强型横梁售后问题的统计，其开裂现象与CAE分析结果一致，如图4所示。

3. 材料分析

经过对材料强度和零件的受力分析，该产品材料需要有较强的抗拉强度和屈服强度，同时生产工艺要求材料延伸率要高，所以将材料由传统工艺的T510L改为ZQS500L，材料主要性能指标如附表所示。

通过对比可知，相对于T510，ZQS500L材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率都有了大幅提高。所以，选用ZQS500L材料不但可以降低零件成形过程中断裂的风险，而且大大减少了成形后零件存在的隐形裂纹，消除了潜在的风险。

4. 工艺分析及优化

工艺优化主要体现在将成形工序由一次成形分为两序成形，以减少潜在的起皱、开裂风险。在板材弯曲成形过程中，随着凸模进入凹模的深度不同，凹模圆角半径支撑点的位置及弯曲件毛坯弯曲半径r发生变化，支撑点距离L和弯曲半径r逐渐减小，弯曲力P逐渐增大，弯矩M也增大。当毛坯的弯曲半径达到一定值时，毛坯在弯曲凸模圆角半径处开始塑性变形，最后将板料弯曲成与凸模形状一致的工件。弯曲变形区主要在弯曲处的圆角部分，板料外层切向纤维受拉而伸长，应变、应力状态如图5所示；内层切向纤维受压而缩短，应变、应力状态如图6所示；变形如图7所示。应变中性层位置内移，变形区内板材变薄和增长。

图 4

在整个成形过程中，由于一次成形材料的弯曲内应力得不到有效释放，变形区外层纤维切向受拉会出现裂纹、内层纤维切向受压会起皱变形，影响板料成形时材料进入模具型腔的正常流动，导致产品质量下降甚至出现废品，所以，将压型阶段分为预成形和整形两道工序。由于产品成形形状复杂， 第一次预成形先将平板坯料弯成大体形状，弯曲R角较大，变形区板料外层受拉和内层受压变形较小，强度和刚度损失小，此工序所需压力较小，如图8所示。第二次成形为整形，修整工件的型腔高度、长宽度及装配面平面度，将已经预弯曲过的工件经过整形达到最终使用要求。整形时，变形区R角进一步减小。由于受回弹因素的影响，整形后模具闭合进行5～8s的保压校正，此工序所需压力较大，如图9所示。

材料主要性能指标

图 5

图 8

图 9

（1）预成形阶段。压力计算公式为

式中，F1为自由弯曲力；b为弯曲件宽度（此处可按成形周长估算）；r为弯曲件内弯曲半径；σb为材料抗拉强度；t为板材厚度；k为系数，一般取k＝1.0～1.3。

由以上公式估算出预成形阶段所需压力F1≈6 860kN。

（2）整形阶段。压力计算公式为

式中，F2为校正弯曲力；A为校正部分投影面积；q为单位面积上的校正力。

由以上公式估算出整形阶段所需压力F2≈13 034kN。比较F1和F2可知，整形工序所需压力远大于预成形工序。

综上所述，通过原材料和工艺改进，可以提高产品质量。目前公司已经按照新工艺实现了批量生产，实践证明改进效果十分理想。成品如图10所示。

图 10

5. 结语

通过原材料的合理选择，首先提高了抗拉强度、屈服强度和延伸率，再将成形工序分为预成形和整形两个步骤，彻底释放成形过程中产生的内应力，可以有效解决产品在使用过程中出现断裂的问题。

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